考虑弥散尺度效应的裂隙介质中溶质运移模型及模拟研究

Solute transport in fractured media is the hot issure of water environment. First, based on the dispersion mechanism and scale-dependent dispersion of solute transport, and under the conditon of optimized conceptual model of solute transport in single frature, the mathmatical models of solute transport in fracture and matrix are built with dual media theory and initial and boundary conditon, and then analytic solutions are deduced, the solute transport and its influencing factors are analyzed. Second, solute transport in fracture system is simulated with one-dimensional multi- pathway model. Finally, the transport of Cs-134、Co-57 and Tc-99 are simulated with the analytic solutions, the relative concentration of these nuclides in fracture and matrix are predicted. These results provide a theoretical basis for the safety disposal of nuclear waste, forecast and control of groundwater contamination, etc.

裂隙介质中的溶质运移问题是水环境科学研究的热点问题，本项目在研究单裂隙中溶质运移弥散机制、弥散尺度效应的基础上，对单裂隙介质中溶质运移概念模型进行优化并设置相应的假设条件，采用双重介质模型，结合初始、边界条件，构建考虑弥散尺度效应的溶质在裂隙域与基质域中运移的数学模型，推导其解析解，研究裂隙介质中溶质运移状况并分析其影响因素；其次，利用一维多途径溶质运移模型，对裂隙系统中的溶质运移问题进行模拟；最后选取Cs-134、Co-57、Tc-99三种核素，利用前述研究成果模拟这三种核素在我国核废物处置预选场地的迁移状况。本研究考虑弥散尺度效应对裂隙介质中溶质运移的影响，使得研究成果更能反映裂隙介质中溶质运移状况，且由于解析解简单实用，将为裂隙岩体中水污染控制、核废物深地质处置的安全评价提供更为科学的理论指导。

本项目在总结以往溶质在裂隙介质中运移研究的基础上，以花岗岩为实验介质，开展核素迁移实验和数值模拟研究。. 首先，开展了单一核素在花岗岩片中的扩散和弥散实验研究，并通过扩散及弥散方程，获得相应的扩散系数、弥散系数及阻滞系数；扩散实验结果表明Na的扩散系数为8.57*10-7m2/s，阻滞系数为321.4；弥散实验表明Na的弥散系数为4.38*10-7m2/s ，阻滞系数为307.9。. 其次，利用花岗岩板构筑平板单裂隙，研究定浓度条件下核素在单裂隙介质中的迁移。实验结果表明青山花岗岩对三种示踪剂阻滞作用：Cu>Na＞U，根据各核素的穿透曲线求得其纵向和横向弥散系数，并就流速对弥散作用的影响进行了相关研究；在此基础上，利用实验设备尺度的差异，研究了在实验尺度下的核素迁移弥散尺度效应，实验结果表明弥散度随迁移距离的增加整体增大。. 最后根据双重介质模型及溶质运移基本理论，结合初始及边界条件，分别建立描述核素在裂隙域与基质域中迁移的数学模型，并求解。利用该解析解，分别模拟研究Th-229、Cs-135及Se-79三种核素在单裂隙介质及裂隙系统中的迁移，模拟结果表明在其他条件相同的情况下，基质域中的迟滞系数对核素在其中的扩散影响最大，迟滞系数越大，核素向基质域中的扩散深度就越小；此外，利用该模型，选取我国在花岗岩中研究较多的核素在核废物预选场地中迁移进行了模拟研究，结果表明Cs-134较Co-57迁移更快，且隙宽变化对核素迁移影响较大。