Στην παρούσα διατριβή, ερευνάται αν οι διακυμάνσεις της τριχοειδούς πίεσης είναι δυνατό να παράσχουν ποσοτική πληροφορία που αφορά τη χωρική κατανομή της διαβροχής σε πορώδη μέσα κλασματικής διαβροχής. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα εκτόπισης της ελαϊκής φάσης από υδατική υπό σταθερή παροχή σε πορώδη μέσα κλασματικής διαβροχής. Τα πορώδη μέσα κλασματικής διαβροχής κατασκευάστηκαν με τυχαία ανάμιξη γυάλινων και πλαστικών (PTFE) σφαιρών, απαράλλαχτης διαμέτρου, έτσι ώστε η γεωμετρία των πόρων να διατηρηθεί αναλλοίωτη. Η χωρική κατανομή των διαφορετικών ειδών σφαιρών διέφερε ακόμη και όταν τα σχετικά τους κλάσματα ήταν ίδια. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων λαμβάνονταν μετρήσεις της μεταβατικής απόκρισης της τριχοειδούς πίεσης και στιγμιότυπα της εκτόπισης ανά τακτά χρονικά διαστήματα. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν πειράματα εκτόπισης σε πορώδη μέσα που ήταν ενδιάμεσα υδατοδιαβρεκτά και ισχυρά ελαιοδιαβρεκτά. Τα ληφθέντα σήματα τριχοειδούς πίεσης, αναλύθηκαν με τη μέθοδο των κυματιδίων (wavelet) και συσχετίσθηκαν με τα γεγονότα ροής που ελάμβαναν χώρα. Η διαβροχή των περιοχών των πορωδών μέσων που εισδύονταν από υδατική φάση περιγράφηκε μέσω ενός εμπειρικού δείκτη διαβροχής ο οποίος συσχετίστηκε με τα φάσματα λεπτομέρειας που προέκυψαν από την ανάλυση των σημάτων. Στην περίπτωση ομοιόμορφης και ενδιάμεσης υδατοδιαβροχής ευνοούνται γεγονότα ροής που συνοδεύονται από σημαντικές διακυμάνσεις της τριχοειδούς πίεσης ώστε να καθίσταται δύσκολη η παραπάνω συσχέτιση. Για το λόγο αυτό πραγματοποιήθηκαν πειράματα εκτόπισης με χρήση ενός δεύτερου ζεύγους ρευστών. Τα πορώδη μέσα κλασματικής διαβροχής ως προς το δεύτερο ζεύγος ρευστών ήταν υδατοδιαβρεκτά και ισχυρά ελαιοδιαβρεκτά. Στην περίπτωση του δεύτερου ζεύγους ρευστών, τα σήματα τριχοειδούς πίεσης χαρακτηρίζονταν από αργές και μικρές σε ύψος διακυμάνσεις. Αυτή η διαφορετικότητα επέβαλλε τη βελτίωση της μεθόδου ανάλυσης των σημάτων ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί σε όλα τα σήματα που ελήφθησαν στα πειράματα εκτόπισης της παρούσας εργασίας. Υιοθετήθηκαν πλέον δύο εμπειρικοί δείκτες διαβροχής: ο πρώτος δείκτης, Λ, δηλώνει τη διαβροχή της ενεργούς διεπιφάνειας και ο δεύτερος δηλώνει τη διαβροχή της επιφάνειας του πορώδους μέσου που γεμίζει με υδατική φάση όταν κινηθεί η προαναφερθείσα διεπιφάνεια. Οι δύο δείκτες διαβροχής συσχετίστηκαν με την «ενέργεια» των σημάτων, τη «συχνότητα» των φασμάτων λεπτομερειών του βέλτιστου επιπέδου ανάλυσης των σημάτων και τις χρονομέσες τιμές τριχοειδούς πίεσης. / A transparent porous medium of controlled fractional wettability is fabricated by mixing water-wet glass microspheres with strongly oil-wet polytetrafluouroethylene microspheres and packing them between two transparent glass plates. The displacement experiments performed for two pairs of fluids: a) silicon oil and water and b) paraffin oil and water. The growth pattern is video recorded and the transient response of the pressure drop across the pore network is measured for various fractions of oil-wet particles. The measured global capillary pressure fluctuates as the result of the variation of the equilibrium curvature of menisci between local maxima and local minima. By using wavelet transform on the capillary pressure signal, the best level detail spectrum arises and its peaks indict the parts of the original signal with the most important fluctuations, each of those is analyzed again. The best level detail coefficients give the “energy” of the analyzed part of the capillary pressure signal while the number of the most important fluctuations of the best level detail spectrum to the time interval they took place gives the “frequency” of the best level detail spectrum. The time averaged capillary pressure, the “energy” and the “frequency” are associated with the frontal wettability of the interface separating the two fluids before the invasion step and one number which denotes the regional wettability of the invaded area.

Dynamic soil water repellency is an important soil phenomenon in the vadose zone as it is now recognised that most soils in the world are likely to express some degree of reduced wettability and/or long term hydrophobicity. Fractional wettability and contact angles are, however, rarely discussed or quantified for natural systems. This is particularly the case in the presence of dynamic contact angles. Soil water repellency remains a persistent impediment and challenge to accurate conceptual and numerical models of flow and storage in the vadose zone. This dissertation addresses the opportunity and pressing need for contributions that develop better quantifiable definitions, descriptions, and understanding of soil water repellency. Using materials collected from post wildfire sites, this work employs water and ethanol to identify, isolate, and quantify contact angle dynamics and fractional wettability effects during infiltration. Varied concentrations of water and ethanol solutions were applied to soils and observed through X-ray microtomography, tension infiltration experiments, and moisture content measurements in the laboratory and field. Several analyses from lab and field investigations showed that applications of ethanol and specifically, water-ethanol aqueous solutions provide unique additional insights into proportions of media that remain non-wettable and how those proportions affect overall hydrologic processes, which are not readily observable through water infiltrations alone. Observations include the wetting up of microporous structures, reduced storage, and changes in unsaturated hydraulic conductivities. Challenges which develop as a consequence of variable fluid properties including changes to operational pore assemblages, slow down of wetting fronts, and non-uniqueness relative to infiltration responses are addressed. Important insights and contributions were developed through this approach and water-ethanol mixtures are valuable tools for developing greater quantification and mechanistic data to better inform our models and understanding of dynamic soil water repellency. / Dissertation / Doctor of Philosophy (PhD) / Quantifying fluid behaviours in soils is important for a host of environmental, social, and economic reasons. Over the last 25+ years, one soil phenomenon has garnered increased attention because it interferes with our ability to carry out this work. Soils that are or become water repellent develop all over the world and where hydrophobic or non-wetting substances can enter soil and remain in pore spaces or as coatings on particles. To assist in the tracking and management of its complex effects on water storage and infiltration, the goals of this work were to develop fundamental insights into the manifestation and effects of this variable soil property on key hydrologic properties and processes. This work tests a new conceptual model for understanding these systems through both field and laboratory work and using a number of different technologies. These include X-ray microtomography (μXCT), tension infiltrometry, and more regularly applied techniques which are sensitive to changes in repellency. The works shows how combining fractional wettability and contact angle dynamics generates a stereoscopic conceptual framework which facilitates increased capacity for quantifying and understanding of soil systems expressing dynamic soil water repellency.