多孔介质中双分子反应性溶质运移机理与模拟研究

The important precondition of groundwater pollution control and remediation is to determine the concentrations of contaminants. When pollutants are introduced into the aquifer, a series of physical and chemical transformation processes are undergone. Of them, most are nonlinearly dependent on the concentrations of multiple chemical species. Also, the porous media and fluid velocity are never spatially uniform over spatial scales of practical interest. Therefore, efficient simulation of such processes remains one of the most challenges in the hydrogeological sciences. In this study, we will enlarge our previous work on the flow and transport in the laboratory, and conduct batch laboratory experiments: A case study of bimolecular reaction. By means of combining the batch experiments, physical models and numerical simulation, we will play an emphasis on influence of the multiple chemical species, heterogeneous media and spatial non-uniformity of the fluid velocity on reactive transport in porous media. The main influence factors will be found. The mechanism and phenomena of "early arrival" and "long tail" will be disclosed. We will develop a variable-reactive-rate stable transport model to capture the product diffusion, which can solve the "over-predicted" question from the traditional advection-dispersion reactive equation (ADRE). Further, based on a study of variable-index mathematics models for capturing the "non-Fickian" transport, we will develop a variable-reactive-rate and fractional advection-dispersion equation (FADE) for bimolecular reactive transport in porous media.

地下水污染有效控制与修复的重要前提是确定污染物浓度。当污染物进入含水层过程中，往往经历一系列的物理和化学变化。其中大部分反应非线性地依赖于多种化学种类浓度，且受介质非均质性及地下水流速不稳定性影响，因此，对于这样复杂过程的有效模拟保持为水文地质领域最具挑战问题之一。本项目拟拓展我们以往研究工作，以双分子反应为例，开展系统地模拟实验,采用实验研究与物理建模及模拟计算相结合的方法，着重研究化学反应种类、多孔介质非均质性以及渗流非稳定性对反应性溶质运移过程的影响，查明双分子反应性运移过程的主控因素，揭示运移过程中"早到"和"拖尾"现象与机理，发展一种具有随时间非线性衰减反应率的对流弥散方程以解决"过度预报"问题；结合能够捕捉non-Fickian运移的变指数数学模拟，建立分数维的、具有随时间非线性衰减反应率的多孔介质中双分子反应性溶质运移模型。

地下水污染有效控制与修复的重要前提是确定污染物浓度。当污染物进入含水层过程中，往往经历一系列的物理和化学变化。其中大部分反应非线性地依赖于多种化学种类浓度，且受介质非均质性及地下水流速不稳定性影响，因此，对于这样复杂过程的有效模拟始终是水文地质领域最具挑战问题之一。本项目拟拓展我们以往研究工作，以双分子反应为例，开展系统地模拟实验，采用实验研究与物理建模及模拟计算相结合的方法，着重研究化学反应种类、多孔介质非均质性以及渗流非稳定性对反应性溶质运移过程的影响，查明双分子反应性运移过程的主控因素，揭示运移过程中"早到"和"拖尾"现象与机理，发展一种具有随时间非线性衰减反应率的对流弥散方程以解决"过度预报"问题；结合能够捕捉non-Fickian运移的变指数数学模拟，建立分数维的、具有随时间非线性衰减反应率的多孔介质中双分子反应性溶质运移模型。研究成果以论文的形式在Transport in Porous Media、Journal of Hydrodynamics、Ground Water 等专业领域学术期刊上发表论文12 篇、录用待刊论文4篇，其中SCI收录10篇、EI收录8篇，上述成果可为地下水污染防治提供科学依据和技术支持。