Diffusion And Flow In Gravel,Soil, And Whole Rock |
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| Authors: | James L Conca Judith Wright |
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| Institution: | Environmental Sciences , Washington State University Tri-Cities, Richland, 99352, Washington, USA
Pacific Northwest Laboratory, Box 999 Battelle Blvd., Richland, 99352, Washington, USA
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| Abstract: | Transport parameters (diffusion coefficients, D(/), hydraulic conductivities, K(/), and retardation factors, Rf were experimentally determined in unsaturated soil, gravel, bentonite, and whole rock over a wide range of water contents, fixed at desired levels using the Unsaturated Flow Apparatus (UFATM). Effective diffusion coefficients in all media were found primarily to be a function of volumeric water cintent (/) and not material characteristics, except where the characteristics affect or determine water content. At high water contents, D(/) gradually declines as water content decreases, from 10-5cm2/s at a / of about 50% to 10-7cm2/s at a / of about 5%, followed by a sharp decline as surface films become thin and discontinuous, and pendular water elements become very small, from 10-7cm2/s at a / of about 5% to 10-10cm2/s at a / of about 0,5%. The several whole rock cores studied behaved similary. In aggregate material such as gravel and soil where the particles themselves have significant porosity, only the surface water content, not the internal water of the particles, contributes to the diffusion coefficient and hydraulic conductivity under unsaturated conditions, although the internal water is very important in retardation and other chemical effects. Experimentally determined K(/) compares favorably to van Genuchten/Mualem relationships calculated from laboratory-determined water retention versus matric potential data obtained on the same soils. Experimentally determined K(/) for whole rock appears to validate capillary bundle theory. Résumé. Diffusion et écoulement dans les graviers, les sols et les roches. Les paramètres de flux (coefficient de diffusion, D(‹), conductivité hydraulique, K(‹), et facteur de retard, Rf) ont été déterminés expérimentalement dans des formations non saturées (sol, gravier, benthonite et roche consolidée) pour une large gamme de tenneurs en eau (‹); ces teneurs en eau ont été ajustées aux valeurs désirées grâce à un dispositif spécial fournissant un écoulement non saturé (UFATM). Les résultats montrent que les coefficients de diffusion efficace de tous ces milieux sont d'abord fonction de la teneur volumique en eau et non des caractéristiques du matéeriau, sauf lorsque ces caractéristiques affectent ou déterminent la teneur en eau. Pour les fortes teneurs en eau, D(‹) décroit progressivement avec la teneur en eau, de 10 ч cm2/s pour un ‹ de 50% jusqu'à 10щ cm2/s pour environ 5%. Lorsque les films d'eau deviennent minces et discontinus et lorsque la fraction d'eau gravitaire devient trop faible, D(‹) diminue très brutalement de 10щ cm2/s pour un ‹ de 5% à 10⪞ cm2/s pour un ‹ de 0,5%. Plusieurs roches consolidées, testées sur carottes, se comportent de la même façon. Dans les agrégats, comme les graviers et les sols, où les particules possèdent une porosité propre, seule la teneur en eau intergranulaire, et non l'eau de l'intérieur des particules, contribue à la valeur du coefficient de diffusion et à la conductivité hydraulique, dans des conditions non saturées, bien que l'eau intragranulaire joue un rôle très important quant au retard et aux autres effets chimiques. Les Valeurs de K(‹) déterminées expérimentalement montrent un bon accord avec les relations de van Genuchten/Mualem calculées à partir des teneurs en eau de rétention, déterminées au laboratoire en fonction du potentiel matriciel obtenu sur les mêmes sols. Les valeurs expérimentales de K(‹) pour des roches consolidées semblent valider la théorie du faisceau capillaire. |
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