小尺度优先水流通道对地下水污染物迁移过程和修复的控制作用：基于野外试验的基础研究

Aquifer heterogeneity is a common and critical factor for controlling the fate and transport of contaminants in the subsurface. It presents a major obstacle to groundwater remediation. Different from large-scale preferential flow paths, small-scale preferential flow paths (decimeter or smaller) are widespread and yet extremely difficult to delineate in detail. Thus it is even more important to investigate their effects on contaminant transport and remediation. High-resolution characterization of small-scale preferential flow paths and accurate modeling of mass transfer processes between the preferential flow paths and low-permeability matrix are key to predictive assessment of contaminant transport and development of cost-effective remedial strategies. This project will attempt to characterize the three-dimensional spatial distribution of small-scale preferential flow paths at an unconsolidated aquifer site by conducting a series of tracer tests and examining soil cores taken from the test site. The data will provide the basis for exploring the mechanism of contaminant transport and remediation in the presence of small-scale preferential flow paths and developing a new generation of robust and accurate mathematic models. It is expected that the results from this study will contribute to the formulation of national strategies for protecting and restoring China’s valuable groundwater resources.

含水层介质的非均质性是污染物迁移转化过程的普遍且极为重要的控制因素，为修复污染地下水带来了极大挑战。与大尺度优先水流通道不同，分米级或更小尺度的优先水流通道在含水层中分布广泛但又很难精细刻画，所以研究其对污染物迁移和修复的影响尤为重要。该问题也是当今国际污染水文地质学的难点和前沿。小尺度优先水流通道的高分辨率刻画以及溶质在小尺度优先水流通道与低渗透基质之间的质量交换过程的正确数学表征，是准确描述和预测地下水污染物在非均质介质中的迁移过程和制定经济高效的修复策略的核心。本项目将通过对研究场地松散沉积物中小尺度优先水流通道三维空间分布特征的精细刻画，结合多尺度、多类型示踪试验和岩芯采样测试，揭示小尺度优先水流通道制约污染物的迁移过程和修复效率的根本机制，发展精确可靠的新一代理论预测模型。本项目将为地下水污染修复和地下水资源保护提供重要科学依据，提升我国地下水基础研究领域的国际学术地位。

小尺度优先水流通道在含水层中分布广泛，其对污染物迁移和修复具有重要的控制作用。本研究在场地进行了多尺度热和溶质示踪试验，并利用数值模型对其进行定量刻画，结果表明场地中的水力传导系数在空间上具有较强的非均质性，地面下10m深度处有一水力传导系数高值区连续分布。用数学模型方法分析了小尺度优先水流通道网络的空间几何结构的差异，以及这种差异对水流和溶质运移过程的复杂影响。基于钻孔岩性识别的岩相结构被用于模拟场地示踪试验，在刻画了水力传导系数在场地空间垂向对比和水平方向的联通性后，基于对流和弥散的简单模型就能较好地刻画大尺度的示踪试验，这从岩相组合角度验证了场地溶质迁移由高渗透性的沉积物镶嵌在低渗透性基质所控制。针对刻画非Fick迁移的多个模型（多速率质量转移模型(MRMT)、连续随机走动模型(CTRW)和时间分数阶模型等），对比了它们的物理意义及捕捉非Fick迁移特征的适用性。研究了流体在具小尺度优先水流通道的天然非饱和土壤和沉积岩中的流动特征、影响机理。对非饱带地下水中溶质迁移数值模拟程序代码进行了改进，并进行了相应验证。检验非局域性模型在不同尺度范围内变化的尺度效应，深入揭示了尺度效应产生的机理、模型量化分析，并提出未来解决尺度效应的思路。开发了多维的时空非局域性数理模型，提出高效的数值计算方法，并用通州多维溶质分布和美国MADE实验场的观测数据进行初步验证。最后在通州场地尺度开展了不同条件下的硝酸盐修复试验（包括不同水力梯度和不同碳氮比影响下），分析了小尺度优先水流通道对反应迁移过程的控制机理。依据已有研究成果，项目组成员在包括水文学与水资源领域顶尖杂志Water Resources Research在内的SCI杂志上已发表论文30篇。