粗糙单裂隙介质溶质非费克运移驱动力及模型研究

Mechanism and model research of abnormal Non-Fickian solute transport through a single rough fracture is basis of accurate prediciton and simulation of contaminant transport in fracture mdeia. It is a cutting-edge topic of driving force and model study on Non-Fickian transport in a single rough fracture with interplay of multiple factors such as structure complexity, strong spatial heterogenety and non-linear flow condition. The proposed study will be peformed based on systematic flow and solute transport experiments and will also based on the particle image velocity system (PIV), image system and boundary layer theory; the effect by roughness and boundary layer on solute transport will be clarified on micro/macro scale and the drinving force of Non-Fickian transport in different area of a single rough fracture will be studied. A new mobile immobile conceptual model will be established with consideration of the effect by fracture structure and flow condition. Numerical model will then be established and the analytical or numerical solution will be deduced. We will finnaly try to explain the natural mechanism and form simulation model of Non-Fickian solute transport through a single rough fracture. This study will further provide expemental evidence and theorical explaning of that the drinving force of Non-Fickian transport in a single rough fracture comes from the combined action of fracture structure (such as roughness) and flow condition (such as boundary layer).

单裂隙介质溶质非费克运移（Non-Fickian）的机理及模型研究是准确预测和模拟基岩裂隙介质中污染物迁移过程的基础。然而，由于裂隙介质结构复杂性、高度非均质性和渗流非线性等使得裂隙介质溶质Non-Fickian运移驱动力及模型研究成为国际水文地质领域研究的难点和热点。本课题拟以系统的粗糙单裂隙介质水流及溶质运移实验为基础，基于水流粒子图像测试系统（PIV）、成像系统和边界层理论，从微观/宏观尺度揭示裂隙结构及水流特征对溶质运移影响，研究不同区域溶质运移驱动力的特征；继而建立综合考虑裂隙结构和水流特征的溶质运移双区概念模型，建立相应数学模型并寻求数值解及可能的解析解。成果将揭示粗糙单裂隙介质溶质Non-Fickian运移机理，提供单裂隙介质溶质Non-Fickian运移驱动力为裂隙结构（粗糙度等）和水流特征（边界层等）共同作用的实验证据和理论解释，并形成Non-Fickian运移量化模型。

单裂隙介质溶质非费克运移（Non-Fickian）的机理及模型研究是准确预测和模拟基岩裂隙介质中污染物迁移过程的基础。然而，由于裂隙介质结构复杂性、高度非均质性和渗流非线性等使得裂隙介质溶质Non-Fickian运移驱动力及模型研究成为国际水文地质领域研究的难点和热点。为探寻裂隙介质中溶质非费克运移与裂隙介质结构、裂隙水流特征等影响因素之间的关系，研究裂隙介质溶质运移的求解方法和数学模型，本研究以系统的粗糙单裂隙介质水流及溶质运移实验为基础，包括了不同尺度的光滑平板裂隙试验模型、人工粗糙裂隙模型、自然粗糙裂隙模型，基于成像系统和边界层理论，从微观/宏观尺度揭示裂隙结构及水流特征对溶质运移影响，研究了不同区域溶质运移驱动力的特征；继而建立综合考虑裂隙结构和水流特征的溶质运移概念模型，建立了相应数学模型。通过项目的开展，本项目首先分析了裂隙粗糙度对单裂隙渗流的影响特征，考虑了裂隙相对隙宽、粗糙元分布和水流涡流特征参数等因素后建立了裂隙水流中沿程阻力系数和单宽流量的半解析公式，相关结论得到了试验模型与数值模拟的校核；该研究证明了通常用于判断粗糙度对水流影响是否能忽略的临界相对粗糙度要远小于0.033，并发现水流的非线性将随着雷诺数的增大、绝对粗糙度的增大和水流进入角的增大而增大。其次，本研究还探寻了粗糙单裂隙溶质运移的数模模拟模型，得出溶质非费克运移与水流的非达西及裂隙介质的非均质尺度有关的相关结论，水流的非达西系数和溶质运移中的非费克常数可以用来解释裂隙介质的非均质性及非费克尺度。此外，本研究还发现粗糙度和水流非线性共同形成的广义边界层可以概化溶质非费克运移的产生和变化过程，边界层的厚度与非费克运移的程度成正比的关系。研究成果在一定程度上揭示粗糙单裂隙介质溶质Non-Fickian运移机理，提供了单裂隙介质溶质Non-Fickian运移驱动力为裂隙结构（粗糙度等）和水流特征（边界层等）共同作用的实验证据和理论解释，初步形成了粗糙单裂隙介质Non-Fickian运移量化模型。