数值模拟的时空离散尺度对潜流带中铬迁移转化行为识别的影响研究

The interactions of surface water and groundwater become more and more complex due to the increase of anthropogenic activities, so it is of largely water head fluctuations and highly physical-geochemical heterogeneities in the hyporheic zone. When reactive transport simulations of pollutants are conducted there, grid cell and time step of limited size have to be used because of the prohibition of too much field investigation cost and indoor computation burden. As such, the temporal and spatial variabilities on the natural scales smaller than the discretization scale have to be neglected, which could cause the deviations of the characterization of natural heterogeneities and of simulation results on the pollutants transport and transformation behaviors. Therefore, based on a two dimensional cross section in Maozhou River watershed of Shenzhen city, the multi-scale reactive transport simulations of redox sensitive pollutants, taking Cr as an example, involved in multiple species and multiple processes in a typical hyporheic zone will be performed. Three different grid cell size and time step size will be used to investigate the scaling effect on the local and global precipitation rate of Cr. The results of this study will benefit the establishment of the rate upscaling law in the reactive transport simulation and the prevention and remediation of the pollutants in hyporheic zone.

地表水与地下水相互作用的潜流带通常表现出较大的水位波动（时间）和较强的物理性质或生物化学成分（空间）的时空变异性。由于成本限制，在潜流带开展污染物反应性迁移模拟时，需要将模拟空间和时间离散至有限大小的网格单元和时间步长，导致难以刻画小于时空离散尺度的波动和非均质信息，从而影响对污染物（尤其是氧化还原敏感污染物）迁移转化行为的识别。本研究借助深圳茅洲河流域扎实的前期探索和数据积累，综合考虑该流域的污染现状、水位波动和非均质特征，选取典型剖面，基于随机理论，开展潜流带中铬多组分、多过程的多尺度反应性迁移模拟，计算铬在整个潜流带及局部单元格的有效反应速率，剖析反应速率在不同时空离散尺度上的差异，揭示时空离散尺度对铬行为识别的影响规律和作用机制。研究结果有助于定量反应性迁移模拟的尺度转换关系以及指导潜流带地下环境污染的修复和防控工作。

空间分辨率是地球系统模型中的一个关键考量。近期研究发现，一些关键的中小尺度水文地球化学过程未能在低分辨率的地球系统模型中得到充分刻画，从而使地球系统模型在全球气候变化背景下关键预测结果的可信度降低。识别不同时空分辨率下的关键水文过程，定量刻画所识别关键过程的环境效应，并最终在地球系统模型中合理刻画这些过程是目前地球科学研究的关键。本研究从这一背景出发，对时空分辨率在水文地球化学数值模拟中的重要性进行了研究。本研究开展了典型污染物水文地球化学耦合模型的构建，在典型研究区开展了资料数据搜集，开展了不同时空分辨率的数值模拟工作。研究结果充分阐释了时空分辨率在潜流带污染物风险预测中的重要作用。研究结果将对识别中小尺度关键水文地球化学过程以及将这些过程在地球系统模型中进行合理刻画起到重要的借鉴作用。此外，本研究所构建的水文地球化学耦合模型，可在后续研究中以开源形式供科学共同体使用。本项目在国际高水平期刊上发表了5篇学术论文，对研究结果的宣传起到了有力推动作用。