小尺度非均质性对地下水溶质运移影响的多尺度集成模型研究

Flow and solute transport processes in the subsurface are complex and highly coupled across scales. Micro-scale heterogeneity has been found to play an important role in such processes. This project aims to develop an integrated hybrid multi-scale model (IHMM) to investigate the kinetics and reaction mechanism induced by micro-scale heterogeneity, so as to provide advanced understanding of macroscopic transport processes, which is of great significance to a serious of environmental and ecosystem applications such as contaminant remediation. By integrating at-scale flow and transport simulators through a multiscale universal interface with upscaling and loose-coupling method, the IHMM becomes a feasible tool to link the transport processes and parameters between scales. The validation cases include mixing-controlled reaction (with mineral dissolution/precipitation) in homogeneous/heterogeneous porous media. The IHMM is intercompared with sandbox experiments and other at-scale/multiscale simulations before utilized to analyze the impacts of the microscopic incomplete mixing and dissolution/precipitation-induced small-scale heterogeneities on the macroscopic processes. The IHMM is further extended to simulate flow and solute transport in a field site to study the impact of alluvium heterogeneities on the coupled processes in the hyporheic zone.

地下水溶质运移是复杂的跨尺度过程，相关研究对解决例如污染治理等环境和生态系统问题具有重要意义。其中，含水层小尺度非均质性是影响溶质运移的关键性因素，亟需对其展开定量研究。基于多尺度模型的地下水溶质运移数值模拟可有效建立微观过程-宏观运移间的关系，进而剖析小尺度非均质性对宏观动力学和反应机理的影响。本项目拟构建新颖、准确、高效的多尺度集成模型，基于多尺度通用界面模型框架，拓展尺度转换和松弛耦合模型，集成单一尺度溶质运移模型，将难以刻画的微观尺度机理融入宏观尺度的模拟预测中；通过对均质/非均质多孔介质内反应流的模拟，将多尺度集成模型与室内沙箱实验和传统模型进行对比和交叉验证，定量分析微观尺度机理与宏观过程参数的跨尺度关系；开展多尺度集成模型的野外场地应用，阐明含水层（重点：冲积层）小尺度非均质性对地下水溶质运移的影响规律。

地下含水层小尺度非均质性是影响溶质运移的关键性因素。基于多尺度模型的地下水溶质运移数值模拟可揭示微观行为与宏观表象间的关联，阐明小尺度非均质性对宏观动力学和反应机理的影响机制。本项目的主要成果包括：（1）在综述当前多孔介质内渗流和溶质运移多尺度模型概念、算法、模型和相关应用及最新进展的基础上，研发了孔隙、连续尺度格子玻尔兹曼算法模型(LBM)求解器，使用浸入边界-格子玻尔兹曼模型(IBM-LBM)模拟了流体流动，溶质传输则通过截取单元有限体积法求解；采用通用界面框架(MUI)初步集成了单一尺度、尺度转换和松弛耦合模型，开发了高精度、高效率、可兼容多种数值模拟求解器且应用性强的高性能并行计算软件及程序包，最终实现了多尺度集成模型的构建。（2）以二维非均质多孔介质双分子混合反应流为算例，对比了文献中的室内实验的结果，验证了多尺度集成模型和室内砂箱实验，定量分析了孔隙尺度不完全混合现象及其对宏观反应速率的影响；同时，在高性能计算平台上调试并测评了集成模型的计算效率，对传统单一尺度模型、已有多尺度模型和新发展的多尺度集成模型进行了严格的基准测试和横向比较，最终实现了多尺度集成模型的测试和交叉验证。（3）采用了多尺度集成模型，研究了空间和时间分辨率以及进而引起的不同尺度的物理和地球化学非均质性对水文-生物地球化学转化的影响机制，定量分析了地下水-地表水交互作用下，潜流带的物理和地球化学非均质性对宏观流动和反应规律的影响；同时，构建了一套高精度、高时空分辨率的干旱区-半干旱区地下水-陆面过程集成模型，通过定量分析不同土壤和含水层系统异质性情景下模拟结果的时序变化特点和空间分布规律，阐明了黑河流域异质性对地下水-地表水交互的影响机制，最终实现了多尺度集成模型的野外场地应用。依托项目在环境和水文学高影响期刊ES&T、JoH、AWR等发表学术论文10篇；申请知识产权6项，包含4项软件著作权，2项实用新型专利；培养博士后和研究生4名。