基岩裂隙水非达西流条件下非费克运移试验与模型研究

Recent years, due to more and more underground projects, safety for water supply, geological disposal of radionuclide wastes, oil exploitation and geological carbon sequestration concerned strongly by many countries all over the world, groundwater flow and solute transport in the fractured media have been an important research aspect in hydrogeology. Being strongly heterogeneous, the mechanism of flow and solute transport in fractured media is still not completely understood today. How to quantity the flow and solute transport keep one of the most challenging problems in the world. In this study, we will enlarge our previous work on flow and transport in artifical fractures in the laboratory, and conduct batch experiments including laboratory tests with natural fractures and test in situ. By means of combining the batch experiments with physical models and numerical simulation, we will play an emphasis on influence of fracture properties (including geometrical, hydraulic and matrix properties) on nonlinear flow and transport in fractures. The mechanism of non-Darcy and main influence factors will be disclosed and generalized mathematics models will be set up to describe the phenomena of non-Darcy flow; Similarly, the mechanism of non-Fickian and main influence factors will be found out and variable-index mathematics models will be developed to capture the phenomena of non-Fickian transport. The relationships between fracture properties and model parameters will be further analyzed, and the mechanism and models of non-Fickian transport under the condition of the non-Darcian flow in fractured media will be disclosed and set up.

随着地下工程日益增多以及世界各国对供水安全、核废料地质处置、石油开采和二氧化碳地质封存安全的高度关注，基岩水运移研究已成为水文地质学的一个极受重视的领域。然而由于具有强烈的非均质性，基岩裂隙水运移机理至今尚未完全清楚，对其量化计算则是具有挑战性的世界难题之一。本项目拟拓展我们以往的研究结果，进行系统地实验室和现场自然裂隙水运移模拟试验，采用试验研究与物理建模及模型计算相结合的研究方法，着重研究裂隙水力属性、几何属性以及基质属性对裂隙水非线性运移的影响；揭示裂隙水non-Darcy流机理和主控因素、建立能刻画裂隙水non-Darcy流的广义非线性数学模型；查明裂隙水non-Fickian运移机理和主控因素、发展能捕捉裂隙水non-Fickian运移的变指数数学模型；系统地阐明裂隙属性与模型参数间的关系，进一步揭示并建立基岩裂隙水non-Darcy流条件下non-Fickian运移机理和模型。

随着地下工程日益增多以及世界各国对核废料地质处置、石油开采和二氧化碳地质封存安全的高度关注，基岩水运移研究已成为水文地质学的一个极受重视的课题。由于强烈的非均质性，基岩裂隙水运移机理至今尚未完全清楚，对其量化计算则是具有挑战性的世界难题之一。本项目拓展我们以往的研究结果，进行系统地实验室模拟和现场试验，将试验研究与物理建模及模型计算相结合，着重研究裂隙水力属性、几何属性以及基质属性对裂隙水non-Darcy流和non-Fickian运移的影响和量化技术等，得出主要结论如下：（1）发现单个裂隙水流从达西流向非达西流演化过程中，临界雷诺数随裂隙张开倍数增大而总体减小；揭示了裂隙水从达西流到非达西流演化机理和影响因素；发现了自然裂隙中non-Fickian现象，建立了TPL模拟模型，较ADE模型有效；（2）建立了能够捕捉non-Fickian运移的基于离子追踪技术的分数阶对流弥散模型；发明一种利用钻孔岩性数据建立含水介质多尺度随机模型的方法；发明一种基岩矿坑突水水源快速判别设备；揭示了参数空间变异性下地下水污染监测网多目标优化机制，建立了不确定条件下地下水监测网设计长期多目标优化管理模型；（3）研发一种适用于裂隙水的电导率检测装置；发明一种以亮蓝为显色示踪剂，利用摄像技术实时监测多孔介质中二维溶质浓度的方法；评价了利用亮蓝示踪与传统的NaCl示踪效果及其的差异性，揭示了产生差异的机理；（4）建立了基岩裂隙水资源评价模型；揭示了基岩矿坑地下水化学成分分布演化特征；等。相关成果在Water Resources Research、Hydrological Processes以及《地质论评》等学术期刊上发表，其中SCI 收录12篇、EI 11篇；参加学术会议20人次，大会报告8次；邀请国外专家来校进行学术交流5人次；培养博士2人、硕士11人、博士后1人；获得发明专利2项、实用新型专利1项、软件著作权3项。上述成果丰富和发展了基岩裂隙水运移理论，同时具有现实意义和战略意义。