低渗透介质中非达西渗流及其溶质运移实验与数值模拟

Darcy's law might be questionable in describing the groundwater flow in low permeability media. Some studies have proven that there is a threshold hydraulic gradient for the groundwater flow in low permeability media, meaning that the water does not move until the hydraulic gradient is larger than such a threshold hydraulic gradient. Therefore, the classical theories of groundwater dynamics and solute transport might become invalid when dealing with problems in low permeability media. The proposed study will investigate the new features of the groundwater flow and solute transport in low permeability media in a comprehensive manner. A series of seepage experiments will be conducted to obtain the better relationship between the flow velocity and the hydraulic gradient. In addtion, breakthrough experiments will also be done at different scales to find the better model for describing the solute transport processes in low permeability media. Based on the experimental results, new non-steady groundwater flow and solute transport models in low permeability media will be established. The mesh-free method and the Comsol Multiphysics software will be used to solve such non-steady models. The results of this study are expected to play an important role in the study of flow and solute transport in low permeability media, and are valuable to the environmental protection and contaminant control of groundwater as well as shale gas exploration and production.

低渗透介质中地下水渗流能否采用达西定律进行描述是一个非常值得商榷的问题，已有研究表明低渗透介质中地下水渗流存在启动水力梯度。因此，采用传统的地下水动力学理论和溶质运移理论去解决低渗透介质中的渗流和溶质运移问题必然会带来一定的偏差。为此，本项目将系统研究低渗透介质中的地下水渗流规律及其溶质运移特征，通过室内渗流实验寻找描述低渗透介质中地下水渗流速度与水力梯度之间关系的最佳表达式。开展室内外溶质运移实验研究探寻描述低渗透介质中溶质运移的新模型。在实验结果的基础上建立低渗透介质中非稳定地下水渗流及其溶质运移模型，采用无网格法和Comsol Multiphysics模拟软件等新兴数值方法进行数值模拟。研究成果对推动和促进低渗透介质中渗流和溶质运移理论研究具有重要的科学意义，对地下水环境保护和污染治理, 以及页岩气开采具有一定的实用价值。

低渗透介质中地下水渗流和溶质运移十分复杂，还有许多科学问题尚不清楚，比如低渗透介质中溶质运移是否满足Fick定律，以及如何描述低渗透介质中溶质运移规律？在本项目资助下，主要开展了以下几个方面的研究：（1）低渗透介质中一维溶质运移实验研究。分别开展了不同直径，不同长度土柱的一维溶质运移试验，以及层状非均质低渗透介质中一维溶质运移试验，获取了大量试验数据。（2）低渗透介质中二维溶质运移试验研究。针对含水层-弱透水层所组成的含水系统，开展了二维低渗透介质中溶质运移实验，分析了在含水层以及弱透水层（低渗透介质）中溶质运移规律。（3）开展了低渗透介质中溶质运移数值模拟。针对上述实验，利用多个数学模型对低渗透介质中溶质运移规律进行了模拟，提出了描述低渗透介质中溶质运移最佳模型。（4）开展了变流速情况下低渗透介质中溶质运移模型。针对在实验过程中发现的低渗透介质中流速下降现象，建立了考虑变流速情况下低渗透介质中溶质运移模型。（5）其它方面：建立了系列弱透水层（低渗透介质）中地下水渗流模型，研究了饱和、均质含水层中不同几何形状溶质源的溶质运移问题，建立了相应数学模型。本项目的研究成果主要包括：（1）获取了大量低渗透介质中溶质运移实验数据；（2）建立了系列低渗透介质中低渗透介质地下水渗流和溶质运移模型。本项目研究成果对推动和促进低渗透介质中渗流和溶质运移理论研究具有重要的科学意义，对地下水环境保护和污染治理,以及页岩气开采具有一定的实用价值。