Проблема на реке Мюррей-Дарлинг в Южной Австралии
Сельскохозяйственное орошение вымывает соль из верхних слоёв почвы, и в итоге она попадает в реку. Чтобы предотвратить слишком сильное повышение солёности реки, часть солёной воды направляют в специальные бассейны.
Некоторые из этих бассейнов спроектированы так, чтобы позволить солёной воде испаряться, другие — чтобы медленно выпускать её в подземные слои. Это временно удерживает соль вне реки и позволяет лучше управлять речной водой, но увеличивает солёность почвы. Как мы можем рассчитать, как эта солёная вода распространяется под землёй и каковы будут её долгосрочные последствия?
Сложность физических эффектов
Ответить на такие вопросы крайне сложно, поскольку несколько физических эффектов взаимодействуют сложным образом. В Венском техническом университете исследователи разработали эффективную компьютерную модель, которая может работать на суперкомпьютерах для расчёта распространения жидкостей в пористых материалах, что позволяет более точно прогнозировать движение солёной воды в почве, как в случае с рекой Мюррей-Дарлинг.
Тот же подход может быть применён и к другим проблемам, таким как распространение загрязняющих веществ в подземных водах. Исследование [опубликовано](https://www.cambridge.org/core/product/identifier/S0022112025106848/type/journal_article) в Journal of Fluid Mechanics.
«Когда разные жидкости смешиваются, происходит диффузия», — объясняет доктор Марко Де Паоли из Института механики жидкостей и теплопередачи Венского технического университета. «Если вы поместите каплю чернил в стакан с водой, молекулы чернил постепенно распространятся, просто из-за своего хаотичного движения».
Поведение жидкостей
В то же время на поведение жидкостей, таких как грунтовые воды в почве, влияют и другие факторы: более плотные жидкости имеют тенденцию опускаться, а более лёгкие — подниматься. Это может создавать потоки с определённым направлением, в отличие от диффузии, которая распространяется равномерно во всех направлениях.
Ситуация становится ещё более сложной, когда жидкость течёт через пористый материал, такой как песчаная почва. Чем выше скорость жидкости, проходящей через песок, тем больше соли (или загрязняющих веществ), переносимых жидкостью, будет распространяться. Кроме того, этот процесс распространения, определяемый как «дисперсия», больше в одних направлениях, чем в других.
«Все эти эффекты были известны давно, но нам наконец-то удалось включить их в компьютерную модель, что позволило нам впервые смоделировать ситуации, подобные тем, что наблюдаются в Южной Австралии, с помощью суперкомпьютеров», — говорит Де Паоли.
Возникают интересные нестабильности: солёная вода плотнее пресной, но верхние слои почвы содержат больше соли — так более плотная жидкость оказывается над более лёгкой. «Это нестабильная ситуация, — объясняет Де Паоли. — Если случайно немного более солёной воды начнёт опускаться, гравитация усиливает дисбаланс. Вода начинает течь вниз, образуя пальцевидные структуры, которые проникают глубоко в землю и ещё больше усиливают дисперсию соли».
Подобные небольшие различия в температуре и давлении могут создавать сложные погодные условия, а тонкие вариации солёности и структуры почвы могут приводить к сложным потокам солёной воды и узорам под землёй. С помощью компьютерных моделей, разработанных Де Паоли в сотрудничестве с Университетом Твенте (Нидерланды) и Институтом науки Гран-Сассо (Италия), эти процессы теперь можно детально описать и понять.
Распределение соли вблизи реки Мюррей-Дарлинг — это лишь один пример, где можно использовать эти вычислительные методы. Тот же подход может быть применён к широкому спектру других явлений, таких как распространение загрязняющих веществ в подземных водах, подземное хранение углекислого газа или конвекционные процессы в геотермальных резервуарах.
Предоставлено [Vienna University of Technology](https://phys.org/partners/vienna-university-of-technology/)
salty water is diverted into special basins.»,»Some of these basins are designed to let the salty water evaporate, others to slowly release it in a controlled manner in the underground. That keeps salt temporarily out of the river and allows better management of the river’s water—but it increases the salinity in the ground. How can we calculate how this saltwater spreads underground and what its long-term effects will be?»,»Such questions are extremely difficult to answer, as several physical effects interact in complex ways. At TU Wien, researchers have now developed an efficient computer model that can run on supercomputers to calculate the spreading of fluids in porous materials—allowing the movement of saltwater in the soils, like in the case of the Murray–Darling River, to be predicted much more accurately.»,»The same approach can also be applied to other problems, such as the dispersion of pollutants in groundwater. The research is published in the Journal of Fluid Mechanics.»,»\»When different fluids mix, diffusion occurs,\» explains Dr. Marco De Paoli from the Institute of Fluid Mechanics and Heat Transfer at TU Wien. \»If you place a drop of ink in a glass of water, the ink molecules will gradually spread out, simply because of their random motion.\»»,»At the same time, the behavior of fluids—such as groundwater in the soil—is also affected by other effects: denser fluids tend to sink, while lighter ones rise. This can create flows with a distinct direction, unlike diffusion, which spreads evenly in all directions.»,»The situation becomes even more complicated when the fluid flows through a porous material, such as a sandy soil. The higher the velocity of the fluid through the sand, the more the salt (or the contaminants) carried by the fluid will spread. In addition, this spreading process, defined as \»dispersion,\» is larger in some directions than in others.»,»\»All these effects have been known for a long time, but we have now finally managed to incorporate them into a computer model, allowing us to simulate situations like those in southern Australia for the first time with the aid of supercomputers,\» says De Paoli. Interesting instabilities emerge: saltwater is denser than fresh water, but the upper soil layers contain more salt—so the denser fluid lies above the lighter one.»,»\»That’s an unstable situation,\» De Paoli explains. \»If, by chance, a bit of the saltier water starts to sink, gravity amplifies the imbalance. The water begins to flow downward, forming finger-like structures that extend deep into the ground and further enhance the dispersion of salt.\»»,»Just as small differences in temperature and pressure can produce complex weather patterns, subtle variations in salinity and soil structure can give rise to intricate saltwater flows and patterns underground. With the computer models developed by De Paoli in collaboration with the University of Twente (the Netherlands) and the Gran Sasso Science Institute (Italy), these processes can now be described and understood in detail.»,»The salt distribution near the Murray–Darling River is just one example where these computational methods can be employed. The same approach can be applied to a wide range of other phenomena—such as pollutant dispersion in groundwater, underground carbon dioxide storage, or convection processes in geothermal reservoirs.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tVienna University of Technology\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Atomic and Condensed Matter\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник