反常扩散驱动下多孔介质双分子反应动力学机制研究

The important precondition of groundwater pollution prevention is to quantify the transportation of contaminants scientifically. The quantification of the contaminant transportation is one of the frontier problems in the world. A series of physical and chemical transformation occur when the aquifer is polluted. Most of them are nonlinearly dependent on the species and concentrations of reactants, and influenced by the heterogeneity of medium and the instability of flow distribution. In recent years, anomalous diffusion was verified to be ubiquity. However, less attention has been aimed for the effect on the kinetics of reactive solute transport. In this study, we will enlarge our previous work of NSFC which have been finished last year and pay attention to a case study of bimolecular reaction in the porous media. Project implementation will be organized based on the logic of “ multi-disciple support, fundamental research, physical modelling indoor, data simulating calculation, mechanism revealation and theory raise”. The simulating experiments will be systematically studied at different conditions (such as reactant concentrations, media, water flow and model scale). We will focus on the conditions of anomalous diffusion, the kinetic process and main factors in the small scale bimolecular reaction and large scale anomalous diffusion in porous media. The kinetics mechanism of bimolecular reaction under anomalous diffusion will be disclosed. And a fractional order model for bimolecular reactive solute transport will be developed, which is scale-dependent and driven by anomalous diffusion in porous media. The theories and methods of solute transport in groundwater will be developed.

地下水污染有效防治的重要前提是科学量化污染运移。反应性污染运移的量化则是国内外研究的前沿问题之一。当含水层受到污染时,往往会发生一系列物理化学变化,其中大部分反应非线性地依赖于反应物种类和浓度、且受介质非均质性和流场不稳定性影响。近年来，反向扩散被证实普遍存在，但其对反应性溶质运移动力学过程的影响研究非常有限。本项目拟拓展我们业已完成的国家自然科学基金面上项目相关成果，以多孔介质中双分子反应运移为例，按照“多学科支撑-基础研究-室内物理模拟-数值仿真计算-机理揭示与理论提高”逻辑组织实施，系统地开展不同条件（如反应浓度、介质、水流以及模型尺度）的模拟实验,重点研究多孔介质中反常扩散产生条件、小尺度双分子反应与大尺度反常扩散的运移动力学过程和主控因素，揭示反常扩散驱动下双分子反应动力学机制，建立一种考虑尺度依赖的受反常扩散驱动的双分子反应性溶质运移的分数阶模型，发展地下水溶质运移理论与方法。

地下水污染有效防治的重要前提是科学量化污染运移。反应性污染运移的量化则是国内外研究的前沿问题之一。当含水层受到污染时，往往会发生一系列物理化学变化，其中大部分反应非线性地依赖于反应物种类和浓度、且受介质非均质性和流场不稳定性影响。近年来，反常扩散被证实普遍存在，但其对反应性溶质运移动力学过程的影响研究非常有限。本项目拟拓展我们业已完成的国家自然科学基金面上项目相关成果，以多孔介质中双分子反应运移为例，按照“多学科支撑-基础研究-室内物理模拟-数值仿真计算-机理揭示与理论提高”逻辑组织实施，系统地开展不同条件（如反应浓度、介质、水流以及模型尺度）的模拟实验，重点研究多孔介质中反常扩散产生条件、小尺度双分子反应与大尺度反常扩散的运移动力学过程和主控因素，揭示反常扩散驱动下双分子反应动力学机制，建立一种考虑尺度依赖的受反常扩散驱动的双分子反应性溶质运移的分数阶模型，发展地下水溶质运移理论与方法。.经过四年努力科研，出色地完成了预期研究目标，在国内外著名学术期刊如《地学前缘》、Journal of Hydrology、Chemosphere、Journal of Hydrodynamics以及Lithosphere等上发表论文19篇，其中SCI 收录16篇、EI收录10篇（超额完成原计划“在国内外学术期刊发表论文10篇以上，其中SCI收录3-5篇” 的任务），另有3篇SCI文章正在返修中；现场参加国内学术会议6人次，其中大会报告3次；培养硕士研究生毕业7人、硕士研究生在研1人、博士研究生在研1人；获得发明专利2项，其中1项专利得到了转化；邀请国内知名专家3人次来校进行学术交流与合作；培养了青年教师3人，部分成果被展示在本科生教学慕课网站https://www.xuetangx.com/course/hfut08141002449/12425494。上述成果可为地下水污染防治提供科学依据和技术支持。