非达西流态下岩石裂隙非费克传输机理与分布式MIM模型研究

Non-Fickian mechanism and accurate prediction of solute transport in rock fracture under complex flow regime is the frontier and challenging issue in the field of rock mechanics and hydrogeology, and is also the key scientific issue in the contaminant pollution assessment and control in fractured-rock aquifers. By laboratory experiments, numerical simulations and theoretical models, this project is proposed to reveal the non-Fickian transport mechanism in rock fracture under non-Darcian flow regime and develop the corresponding upscaling prediction model. Firstly, the flow regime in rock fracture will be investigated by snooping into the microscopic flow structures, and the criterion will be established to quantify the onset of non-Darcian flow regime. On this basis, the mechanism of the non-Fickian transport under non-Darcian flow regime will be revealed in microscale, and a distributed mobile-immobile (MIM) model will be developed to predict the non-Fickian transport behavior. The impact of non-Darcian flow regime on the non-Fickian transport will be discussed. Finally, a numerical platform for simulating the coupled non-Darcian flow and non-Fickian transport in fractured-rock aquifer will be developed, and the contaminant propagation and the best cleanup strategies are to be investigated. The results will be of great scientific significance in better understanding the non-Fickian transport behavior in fractured media and accurately predicting this process in fractured-rock aquifer, and it will also provide important practical values for groundwater contamination remediation and nuclear waste disposal.

复杂流态下的岩石裂隙溶质传输机理及运移预测是岩石力学和水文地质领域研究的前沿和难点课题，也是基岩裂隙含水层污染评估与控制的关键科学问题。本项目以岩石裂隙为研究对象，采用室内试验、数值模拟和理论建模相结合的方法，开展岩石裂隙在非达西流态下的非费克传输细观成因机制和宏观预测模型研究，揭示岩石裂隙流态微观演化机制，建立岩石裂隙非达西流态判定方法；研究岩石裂隙在非达西流态下的溶质运移过程，揭示岩石裂隙非费克传输现象的物理成因机制；构建岩石裂隙溶质运移过程预测的分布式MIM模型，阐明水流非达西效应对溶质非费克运移行为的影响机制；建立基岩裂隙含水层非达西渗流-非费克传输耦合数值模拟平台，提出基岩裂隙含水层污染有效治理策略。研究成果对于深化裂隙介质非费克传输机理认识、提高基岩裂隙含水层污染物运移预测准确性具有重要理论意义，对于我国地下水污染修复治理、高放核废料处置库安全建设运行具有重要应用价值。

基岩裂隙含水层渗流与传输特性研究，既是水文地质、工程地质、岩石力学等学科领域的前沿科学问题，也是重大水电工程建设、地质资源开采与封存、基岩裂隙含水层污染修复等的迫切需要。本项目以岩石裂隙为研究对象，以裂隙在非达西流态下的非费克传输细观机制和宏观运移表征为关键科学问题，采用室内试验、数值模拟、理论建模相结合的方法，开展岩石裂隙非达西渗流成因机制与定量表征、岩石裂隙非费克传输细观机制与宏观预测模型、裂隙岩体跨尺度渗流模型与工程尺度高效模拟、基岩裂隙含水层工程应用研究等方面的研究。主要研究成果如下：.（1）揭示了流态性质对非达西渗流参数取值的影响机制，阐明了复杂边界条件下的粗糙裂隙宏细观渗流规律，提出了适用完整水流流态的全局惯性渗透系数新概念，建立了确定全局惯性渗透系数标准的宏细观参数化表征模型。.（2）揭示了不同水流流态和复杂壁面边界条件下三维粗糙裂隙溶质非费克传输机理，建立了层流流态下基于裂隙几何信息的溶质运移过程预测模型，构建了非达西流态下三维裂隙传输过程预测方法。.（3）构建了考虑基质渗透性的裂隙岩体渗透张量表征模型，提出了基质对裂隙岩体系统水力传导率贡献的量化分区标准，构建了适用于工程尺度的裂隙岩体多尺度渗透性表征模型，实现了大规模裂隙网络渗流场和污染物运移高效模拟。.（4）研究成果应用于解决基岩裂隙含水层中的隧洞涌水和地下污水处理系统潜在污染研究，构建了岩溶隧洞非达西渗流最大涌水和稳定涌水预测解析解，建立了隧洞开挖后非达西效应影响下的地下水影响范围评估方法，阐明了大型地下硐室污染物发生潜在泄露后的时空运移特征。.在本项目资助下，发表本领域国际权威SCI期刊论文8篇，授权国家发明专利2项；项目负责人先后入选中国科协“青年人才托举工程”项目、全国博士后管理委员会“香江学者计划”项目，并获批国家自然科学基金面上项目；培养毕业博士、硕士研究生各1名。