裂隙网络管道模型弥散试验及网络结构控制效应研究

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近年来,地下水污染事件频发,地下水环境日益恶化,污染物在地下水中运移问题受到众多学者的广泛关注。国内外对多孔介质污染物运移的问题研究已日趋成熟,但是对于裂隙介质中相应的研究还处于理论和试验探索阶段。目前裂隙介质污染物运移主要集中在平行板单裂隙及交叉裂隙问题上,裂隙网络的研究主要集中在水流运动方面。由于裂隙介质本身的复杂性,开展裂隙介质网络物理模型模拟试验的研究相对较少,当下对裂隙网络的研究主要还是数值模拟,集中在算法求解,数值模型等方面,物理试验研究较少。因此研究裂隙网络中的溶质运移具有重要的理论及实际意义。  本研究基于离散裂隙网络思想和优势流、沟槽流理论,建立裂隙管道网络概念模型,在室内搭建不同管径、不同连通方式的管道网络试验装置,进行了渗流试验和恒定源、瞬时源条件下的溶质运移试验。运用应用广泛的模拟软件CHEMFLO-2000建立等效多孔介质模型,另运用CTRW方法拟合溶质穿透曲线,计算不同几何参数下裂隙管道网络的等效弥散度,定量刻画不同管道网络几何参数对溶质运移的影响,讨论了管径、连通方式等裂隙参数与等效弥散度之间的关系,得出结论如下:  (1)试验条件下用CHEMFLO-2000建立的等效介质概念模型与CTRW理论两种方法反演所求的等效弥散度结果相近,变化趋势一致,二者具有可比性。  (2)裂隙管道网络中溶质运移情况受到管径、连通方式、管道数、管道面数等因素的影响,不能只考虑单方面的因素。其中管径对试验条件下的等效弥散度影响不大,在连通方式一样的情况下,不同管径的管道网络等效弥散度数值接近,但是差异不大。溶质穿透时间在小管径中短于大管径(t3mm<t4mm<t5mm),穿透曲线缓和程度相差不大。  (3)管道网络连通方式越复杂(体现在路径长短、数目差异及管径等差异),其等效弥散度越大,对溶质运移的影响越大,穿透曲线越缓和,弯曲度与等效弥散度之间正相关关系越显著;路径越长,等效弥散度越大。管道网络中管道数目、管道面数目与等效弥散度成正相关关系,等效弥散度随尺度的增大而增加。  (4)从等效弥散系数与流速的关系、等效弥散度与弯曲度、路径、尺度的关系得出:用等效弥散度的方法表征裂隙网络对溶质运移的影响,与多孔介质弥散度有相似性,可以近似用弥散度参数表征裂隙网络溶质运移的弥散特征。
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