大理石平板裂隙水运移实验与模拟研究

为了揭示单个裂隙中水流和溶质运移的规律,该文选取大理石平板作为实验介质,开展了平板裂隙水运移实验,分析了水力梯度和水流速度之间的关系,研究了溶质运移规律;利用连续时间随机步长(CTRW)软件包中的截断幂函数(TPL)模型对溶质浓度穿透曲线进行了模拟,并与传统的对流-弥散方程(ADE)模拟结果进行了对比。结果表明:实验条件下,大理石平板裂隙水流为非达西流,利用Forchheimer方程可以更好地模拟;大理石平板裂隙内溶质运移为no-Fickian运移,表现出明显的拖尾现象;在不同流速条件下模拟溶质穿透曲线时,利用TPL模型拟合结果明显优于ADE模型。     

考虑弥散尺度效应与不动水体的反应性溶质运移动力学模型及半解析解

将弥散度概化为运移距离的渐进函数,并考虑土壤孔隙中存在的不动水体以及溶质的吸附和降解,建立了考虑弥散尺度效应的溶质运移两区模型(TRMS,Two-Region Model with Scale-dependent Dispersion),通过Laplace变换和de Hoog数值反演方法求得了模型的半解析解,并运用混合拉普拉斯变换有限差分法验证了半解析解的准确性。通过TRMS与弥散度为常数的两区模型(TRMC,Two-Region Model with Constant Dispersion)之间的比较,分析了弥散尺度效应对溶质运移过程的影响,并利用算术平均方法计算了TRMS的等效弥散度,最后应用TRMS和TRMC模拟了长度为1250cm的一维非均质土柱中的溶质运移过程。结果表明:TRMS的等效弥散度反映了弥散尺度效应的影响,可以近似作为区域弥散度的平均值,采用等效弥散度时,TRMC描述的穿透曲线与TRMS的模拟结果基本一致;TRMC的模拟结果与非均质长土柱的浓度实测值存在较大偏差,而TRMS的模拟精度有了较大程度的提高,能够更好地模拟非均质长土柱中溶质的不规则运移过程,说明本文建立的TRMS能够较好地模拟非均质介质中溶质在较大尺度上的运移过程。     

均质与非均质土中水动力弥散规律研究

为探究均质与非均质土中溶质迁移扩散的一般性规律,通过室内柱试验对不同条件下的水动力弥散现象进行观察监测。并利用经典的对流扩散(ADE)模型拟合分析相应的溶质穿透曲线。结果表明：在均质土中溶质浓度对水动力弥散系数和穿透曲线的影响甚微;而溶质迁移流速对水动力弥散具有促进作用,流速越大,水动力弥散系数越大,穿透曲线完成时间越快;同一流速下,水动力弥散系数与砂土的平均粒径存在正相关关系,且平均粒径越大的砂土,受流速影响越大。此外,土壤中溶质迁移扩散时存在明显的尺度效应,一般迁移距离越远溶质水动力弥散系数越大。与均质土壤介质相比,层状土壤的非均质性及不同层状结构对水动力弥散作用更为显著。     

基于时空分数阶导数模型的潜流带溶质运移模拟

为弥补传统整数阶导数对流-弥散方程在潜流带溶质运移模拟时难以描述介质非均质性引起的溶质运移的不足,在潜流带溶质运移模型中引入时空分数阶导数项,分别从一维和二维角度出发对分数阶导数方法在潜流带溶质运移模拟中的适用性进行讨论。研究发现：时间分数阶阶数α体现溶质运移过程的滞时效应,使穿透曲线具有明显的拖尾特征;空间分数阶阶数β刻画介质非均质性引起的溶质超扩散现象。参数敏感性分析结果表明：引入分数阶方法相较于传统对流-弥散方程使得方程对流速和弥散系数改变的敏感性增强,解决了传统整数阶方法无法准确描述潜流带中介质强非均质性的缺陷。野外示踪试验进一步证明：由于潜流带中介质非均质性强且存在多维流的特点,传统二维整数阶对流扩散方程对溶质运移过程刻画存在不足;一维分数阶导数模型在模拟潜流带溶质运移时,能够更准确计算溶质浓度峰现时间,描述穿透曲线拖尾现象;二维分数阶导数模型受到不同方向参数设置的影响,在没有纵深方向介质差异导致的水流、介质参数差异的前提下,模拟水平面内溶质扩散过程更具适用性。     

大空隙流变化对溶质运移的影响试验研究

本试验设计3个来自Armagosa沙漠研究站的相似原状土柱在基模势为0、-2、-5、-10cm水头状态下,分别进行保守溶质置换试验,获取12条溶质穿透曲线。改进的特征半径指数用于定量分离各基模势区间,并计算有效水力传导孔隙度描述大空隙流的变化过程。同时,基于对流扩散方程(CDE)的确定性双区模型用于拟合各个状态下溶质运动的特征参数。试验结果显示,改进后的特征半径指数和大孔隙有效传导空隙度能很好定量大空隙流变化。在大空隙流发生时,溶质运移主要受到大空隙流对流作用影响,机械弥散作用变化不大。随着大空隙流的衰减,大空隙流与基质流的侧向交换过程逐渐成为溶质穿透过程的主要影响因素。大空隙流发生与基模势的关系有利于进一步分离研究土壤非均质流与溶质交互过程。     

两区模型和变密度模型溶质运移试验对比分析

为验证两区模型和变密度模型描述海水入侵过程中溶质运移现象的可行性,先后采用内径为9和11 cm的土柱进行室内稳定流土柱试验,讨论两区模型相比普通CDE模型的优点,以及采用直径10 cm,高300 cm土柱进行溶质运移试验,并应用非均质两区模型和过渡带变密度模型对验证结果作分析比较.采用决定系数和均方误差作为模型验证评价指标,结果表明:两区模型较普通CDE模型能更准确地模拟D9和D11土柱中溶质运移的整个过程.在模型对比土柱试验中两区模型和变密度模型都能很准确地描述溶质运移,说明两区模型在海水入侵模拟试验中存在应用的可能性.在数值模拟过程中同时发现流速基本不变的情形下,随着尺度的增加,溶质运移过程中的弥散系数也增大,且产生尺度效应,故需进一步作室外参数修正.     

考虑弥散尺度效应的一维反应性溶质运移两区模型及应用

为考虑溶质运移的弥散尺度效应,将弥散度概化为运移距离的线性和指数函数,并考虑溶质的吸附和降解,建立了非均质介质中溶质运移的一维两区模型(TRM),采用Laplace变换和de Hoog数值逆变换方法求得了模型的半解析解,分析了考虑弥散尺度效应与弥散度为常数的TRM之间的对应关系,利用算术平均方法计算了考虑弥散尺度效应的...     

考虑弥散尺度效应的溶质径向运移动力学模型及半解析解

将弥散度概化为径向距离的线性函数,并考虑溶质的动态吸附和一阶降解,建立了考虑弥散尺度效应的注水井附近反应性溶质径向运移动力学模型(SDM, Scale-dependent Dispersion Model),采用Laplace变换和de Hoog数值反演方法对模型求解,并与弥散度为常数的溶质径向运移模型(CDM, Constant Dispersion Model)进行对比,分析弥散尺度效应与吸附和降解对溶质运移的影响.结果表明:随着弥散尺度效应的增强,溶质穿透曲线分布范围越广,浓度峰值越小且达到浓度峰值所需的时间越短,浓度分布曲线也有类似的变化规律,但弥散尺度效应对浓度分布曲线中浓度峰的运移过程没有显著影响;当CDM的弥散度为SDM弥散度最大值的4/5时,CDM和SDM模拟的穿透曲线近似一致,但是这种近似的精确程度会随着SDM弥散度与距离比值的增大而有所降低;由于吸附和降解的存在,溶质在运移过程中会出现损耗和滞后的现象.为检验模型的适用性,本文还应用SDM和CDM模拟室内的径向弥散实验.结果表明,与CDM相比,SDM能更好地描述非均质介质中溶质径向运移过程.     

多孔介质中溶质运移参数拟线性化估计方法

拟线性化方法是基于溶质运移“穿透曲线”（BTC）数据估计对流-弥散方程（CDE）中运移参数。该方法运用任意两个时刻浓度导数（dc／dt）与参数之间的函数关系，通过求解一个随参数单调增减的非线性方程，推导出关于时间的拟线性化参数估计方程。依据该线性化方程拟合的直线截距和斜率确定溶质运移参数。通过一组设计参数获得的BTC，应用拟线性法求解溶质运移参数并与设计参数比较，证明用该方法估计参数具有较好精度。设计数据还被用于讨论剔除浓度导数（dc／dt）峰值段误差较大数据以改善参数估计精度的方法。拟线性化方法用于估计红壤和水稻土中SO4^-2运移参数，其结果与CXTFIT法和等斜率法估计参数具有较好的一致性。     

考虑弥散尺度效应的抽水井附近溶质运移模型及半解析解

为考虑溶质径向运移的弥散尺度效应,将弥散度概化为径向距离的线性函数,并考虑溶质的吸附和降解,建立了抽水井附近溶质运移的简化模型(SDM, Scale-dependent Dispersion Model),通过Laplace变换和de Hoog数值反演方法求得SDM的半解析解,并采用混合拉普拉斯变换有限差分法验证了半解析解的正确性。通过SDM与弥散度为常数的溶质径向运移模型(CDM, Constant Dispersion Model)的比较,分析了弥散尺度效应对反应性溶质径向运移过程的影响,并利用渗流槽中的径向弥散实验资料检验模型的适用性。结果表明：随着弥散尺度效应的增强,抽水井处溶质穿透曲线分布范围越广,浓度峰值越小且达到浓度峰值所需的时间越短;当CDM的弥散度为SDM弥散度最大值的1/4时,CDM和SDM模拟的抽水井处穿透曲线近似一致;由于吸附和降解作用,溶质在运移过程中会出现消耗和滞后的现象;与CDM相比,SDM的模拟结果与径向弥散实验结果吻合更好,说明本文建立的考虑弥散效应的简化模型可以用来模拟较大区域上溶质的径向运移过程。     

Modelling of solute transport in a filled fracture: Effects of heterogeneity of filled medium

In this paper, the developed lattice Boltzmann method(LBM) is used to model the solute transport in a filled fracture under a heterogeneous advective velocity field. The results of the developed LBM in modelling the solute transport are compared with the published experimental data. The numerically derived BTCs indicate that the distribution of the filled medium in the fracture has a significant effect on the characteristics of the BTCs, even with the same porosity. The heterogeneity of the filled medium is responsible not only for the heterogeneous advective velocity field but also for the early arrival and long tails of the BTCs. The long tailings of the BTCs increase their length with the increase of the duration of the input pulse. Furthermore, the BTCs obtained from the LBM simulations are well consistent with the two-region model(TRM). The fitting results show that the fractional mobile region varies with the distribution of the filled medium. The long tailings of the BTCs increase their length with the increase of the immobile region while the concentration peak value increases with the increase of the mobile region.     

应用连续时间随机游动理论模拟重金属镉在水土环境中的运移

定量化研究重金属镉在碱性土壤中的迁移对我国北方水土资源环境的保护具有重要意义。本文以保守性溶质Cl-作为参照，以饱和土柱中开展的镉（Cd2+）在三种土壤、两种输入浓度条件下的室内易混合置换实验为模拟对象，运用一种从物理本质上刻画溶质运移现象的新颖方法－连续时间随机游动（Continuous Time Random Walk, CTRW）理论，模拟Cl-和Cd2+在几种特定实验条件下的运移动态。模拟值与实测值的对比显示，无论是保守性溶质Cl-还是重金属Cd2+，CTRW理论都能够较好地拟合它们在不同实验条件下的穿透行为，较完整地刻画出它们在供试土壤中的出流液浓度动态。相对于保守性示踪剂仅受到物理非平衡条件的影响，同一土柱中的重金属镉的运移同时还受到化学非平衡条件的影响，因而导致了镉与示踪剂所对应的CTRW参数的差异。本文对CTRW理论在重金属运移行为模拟中的应用，既是对该理论模拟重金属镉在水土环境中迁移的有效性的评价，同时也在一定程度上为深化对CTRW中参数物理意义的理解，特别是为进一步加深对这些参数与非平衡条件之间的关系的理解提供了重要的参考依据。     

Modeling atrazine transport in soil columns with HYDRUS-1D

Both physical and chemical processes affect the fate and transport of herbicides. It is useful to simulate these processes with computer programs to predict solute movement. Simulations were run with HYDRUS-1D to identify the sorption and degradation parameters of atrazine through calibration from the breakthrough curves (BTCs). Data from undisturbed and disturbed soil column experiments were compared and analyzed using the dual-porosity model. The study results show that the values of dispersivity are slightly lower in disturbed columns, suggesting that the more heterogeneous the structure is, the higher the dispersivity. Sorption parameters also show slight variability, which is attributed to the differences in soil properties, experimental conditions and methods, or other ecological factors. For both of the columns, the degradation rates were similar. Potassium bromide was used as a conservative non-reactive tracer to characterize the water movement in columns. Atrazine BTCs exhibited significant tailing and asymmetry, indicating non-equilibrium sorption during solute transport. The dual-porosity model was verified to best fit the BTCs of the column experiments. Greater or lesser concentration of atrazine spreading to the bottom of the columns indicated risk of groundwater contamination. Overall, HYDRUS-1D successfully simulated the atrazine transport in soil columns.     

Lattice Boltzmann simulation of solute transport in a single rough fracture

In this study, the lattice Boltzmann method （LBM） was used to simulate the solute transport in a single rough fracture. The self-affine rough fracture wall was generated with the successive random addition method. The ability of the developed LBM to simulate the solute transport was validated by Taylor dispersion. The effect of fluid velocity on the solute transport in a single rough fracture was investigated using the LBM. The breakthrough curves （BTCs） for continuous injection sources in rough fractures were analyzed and discussed with different Reynolds numbers （Re）. The results show that the rough frac~＇e wall leads to a large fluid velocity gradient across the aperture. Consequently, there is a broad distribution of the immobile region along the rough fracture wall. This distribution of the immobile region is very sensitive to the Re and fracture geometry, and the immobile region is enlarged with the increase of Re and roughness. The concentration of the solute front in the mobile region increases with the Re. Furthermore, the Re and roughness have significant effects on BTCs, and the slow solute molecule exchange between the mobile and immobile regions results in a long breakthrough tail for the rough fracture. This study also demonstrates that the developed LBM can be effective in studying the solute transport in a rough fracture.     

EXPERIMENTAL STUDY OF THE NON-DARCY FLOW AND SOLUTE TRANSPORT IN A CHANNELED SINGLE FRACTURE

The characterization of fracture rocks is always a key issue in understanding the flow and solute transport in fractured media. This article studies the solute transport in a Channeled Single Fracture (CSF), a single fracture with contact in certain areas. The flow in a CSF often has preferential pathways and the transport in a CSF often has Break Through Curves (BTCs) with long tails. The Surface Contact Ratio (SCR), the ratio of the contact area to the total fracture area, is an important indicator for th...     

二维强非均质含水层中水力传导度空间变异对污染物迁移的影响

对于介质的非均质性相对较小的情况，可将水力传导度对数(lnK) 的空间分布概化为正态分布的统计均匀随机场。而对于强非均质介质，lnK的空间分布可表征为其增量遵从Levy稳定分布的非平稳随机场。本研究假设二维承压含水层内面积为128m x 128 m的研究区域中,在(10m,64m)处瞬时注入浓度为1000 mg/L的污染物：利用改进的连续随机增加（successive random additional, SRA) 方法生成含水层lnK增量具有Levy稳定分布的统计特征的随机场；采用Monte-Carlo数值实验方法并结合MODFLOW与MT3DMS分别模拟研究区域内水流和溶质迁移过程，分析水力传导度强变异性对污染羽状物浓度空间矩及宏观弥散的影响。结果表明：Levy指数a决定lnK的空间分布形状，宽度参数C则影响lnK的取值范围；污染羽的质心位置(一阶矩)与C、a的大小无关；C越大、a 越小，污染羽形状越不规则，污染羽状物的扩散范围(二阶矩)越大；且a 越小，污染羽状物具有明显的拖尾现象；纵向宏观弥散度随时间呈幂函数递增趋势。