平原区典型关键带中DNAPL运移过程及其模拟

The transport processes of DNAPL (Dense Non-aqueous Liquid) in Earth’s Critical Zone has been a worldwide hot issue in the field of groundwater pollution control, owing to great harm to the groundwater environment by DNAPL contamination. Limited by traditional research perspectives and methods, the transport processes of DNAPL in different structural parts of critical zone were studied separately in literature, and there has been no study yet targeting DNAPL transport based on the whole framework of critical zone. The existing research lacks a systematic understanding of DNAPL migration and its related multiple coupling processes in the critical zone. In this project, a research platform for typical critical zone will be constructed by generalizing the structure of typical critical zones in plain area of China from the perspective of hydrogeology, including heterogeneous porous media of vadose zone, phreatic aquifer, confined aquifer and fractured media of bedrock weathering zone. Through multi-scale, multi-approach interdisciplinary research including lab experiments and numerical simulation, the main object is to systematically study the multiple infiltration and dissolution processes of representative DNAPL in typical critical zone in the plain area, and to realize the dynamic numerical simulation and prediction of the whole transport processes of DNAPL. This research results will provide scientific basis for the quantitative evaluation of influences of DNAPL on the groundwater environment in critical zone, and further for the improvement of the critical zone sustainability.

重非水相液体（DNAPL）污染物对地下水环境安全造成极大危害，其在地球关键带中的运移过程一直是国际研究的前沿问题。受传统学科研究视角和方法的限制，国内外已有研究一般将DNAPL在关键带不同结构层中的运移过程割裂开来，尚未见将关键带作为一个整体开展针对性研究的报道，缺乏对关键带中DNAPL运移及其多元耦合过程的系统认识。本项目拟从水文地质角度概化我国平原区常见的典型关键带结构（包括非均质孔隙介质包气带、潜水含水层、承压含水层、基岩风化裂隙介质），构建典型关键带复杂结构的立体研究平台，室内物理模拟实验和数值模拟研究相结合，开展多学科交叉、多方法和不同尺度的系统综合研究，揭示DNAPL在典型关键带中入渗和溶出等运移多元耦合过程及其机理，实现DNAPL在平原区典型关键带中运移全过程的动态数值模拟预测，为定量评估DNAPL对关键带地下水环境的影响，并进一步提升地球关键带可持续服务功能提供科学依据。

针对重非水相液体DNAPL在关键带地下水中的污染和运移研究现状，本项目通过物理模拟实验和数值模拟研究相结合，多学科、多方法和多尺度相融合，系统研究了DNAPL在典型关键带中入渗和溶出等运移多元耦合过程及其机理，实现了平原区典型关键带中DNAPL运移的动态数值模拟预测。已按计划完成项目研究工作。主要研究进展与成果包括：1）构建了适用于平原区典型关键带孔隙-裂隙介质复杂非均质结构的模拟研究平台和监测方法体系，实现了复杂条件下DNAPL运移过程的实时动态监测。2）借助室内多维物理模拟实验，发现介质物理因素（粒径和成分、非均质性、饱和度、隙宽、润湿性、粗糙度等）、DNAPL泄露量、地下水流速和水化学因素协同控制DNAPL的污染源区结构和质量溶出变化；揭示了不同类型介质中典型DNAPL的溶解传质行为和NAPL-水界面面积的关系；定量刻画了复杂条件下DNAPL的运移过程和质量溶出行为。3）针对复杂条件下DNAPL污染物多相流数值模拟中的含水层系统非均质、DNAPL溶出过程非线性及污染源区结构复杂等诸多难题，基于物理模拟实验的系列成果，从微观孔隙尺度至野外区域尺度多维度提出了多种数值模拟新方法，构建了适用的刻画地下水中DNAPL运移过程的数值模型；融合多源数据，基于深度学习、不确定性分析等多种方法，突破了不同尺度复杂非均质含水层的结构识别和参数刻画以及DNAPL非线性溶出模拟等技术瓶颈，有效提高了模拟精度。上述研究成果推进了对重非水相液体DNAPL污染物在平原区典型关键带孔隙-裂隙介质中入渗、溶出等多元运移过程的认识，解决了含水系统中DNAPL污染源区识别难题，实现了DNAPL污染通量的精准预测，发展了能有效模拟DNAPL入渗和溶出等运移多元过程的数值模拟技术，为进一步提升地球关键带可持续服务功能提供了理论基础和科学依据。上述研究进展已发表论文共50篇（其中SCI收录44篇），其中第一标注论文共30篇（其中SCI收录24篇），申请国家发明专利14项（其中已获授权7项），获软件著作权18项，获教育部科技进步奖一等奖、教育部自然科学二等奖。