冲积扇含水层非均质性构建及其溶质迁移数值模拟研究

The heterogeneity construction of the groundwater aquifer is very important for groundwater flow and transport simulations. The alluvial fan is one kind of typical aquifer and its heterogeneity construction has became a hot and difficult research topic in the groundwater solute transport study. In this study, the combination of hydrogeologic investigation, remote analysis, stochastical simulation and mathematical model are used to study the heterogeneity construction and solute transport in the Dali Yinxianxi alluvial fan, Yunnan. The statistical parameters (mean, variance and correlation length, etc.) of the heterogeneity aquifer are obtained by the field investigation and remote analysis. Based on this, the numerical simulation method for the heterogeneity construction of the alluvial fan is proposed. In order to simulate the flow and solute transport in heterogeneous aquifer under different scenarios and grid size, the boundary and initial conditions as well as the discretization grid size are changed. In addition, the transport mechanism is investigated and the upscaling model of solute transport is proposed. The proposed simulation method and model are applied to simulate flow and solute transport in the heterogeneous aquifer in the Dali Yinxianxi alluvial fan, Yunnan. The findings of this project will provide scientific bases for flow and transport in this kind of heterogeneous aquifer and guidance for groundwater contamination management and remediation.

含水层的非均质性构建是地下水流和溶质迁移模拟的关键，冲积扇作为一种典型非均质含水层，其非均质性构建及模拟成为地下水溶质迁移研究热点和难点。本研究以云南大理隐仙溪冲积扇为研究基地，采用水文地质调查、遥感分析、随机模拟和数学模型等研究手段，对冲积扇含水层非均质构建及其溶质迁移模拟进行深入研究。通过现场调查和遥感分析相结合，获取含水层非均质性的统计学参数（如K的均值、方差及相关长度等），在此基础上建立冲积扇含水层非均质性构建的数值模拟方法。在渗流及溶质迁移模拟过程中，通过改变边界条件和初始条件以及离散网格大小，模拟不同情景和不同网格尺度下非均质含水层中渗流场及溶质迁移变化规律，揭示其迁移机理，同时建立溶质迁移升尺度关系模型；将建立的模拟方法及模型应用于云南大理隐仙溪冲积扇非均质含水层渗流和溶质迁移模拟研究，为此类非均质含水层渗流和溶质迁移模拟提供依据，从而指导地下水污染管理及修复。

基岩山区冲-洪积扇平原往往是这些地区重要工农业及城市发展用地。认识这些地区冲积扇含水层非均质性特征对开展地下水渗流及污染物迁移至关重要。本文采用现场调研及室内试验相结合的方法对大理冲积扇含水层的非均质结构特征进行了系统研究。首先通过现场调研获取冲积扇含水层从扇顶到湖湘沉积区的非均质沉积结构特征。野外调研方面主要开展了地球物理高密度电法探测，从扇顶到洱海湖相沉积区布置了大量高密度电法测线，从而获取冲洪积扇非均质含水层从扇顶到湖相沉积区的非均质性分布规律，在此基础上对典型基岩山区冲洪积扇群非均质含水层的空间分布特征进行深入研究，基于高密度电法反演剖面构建了冲洪积扇非均质含水层三维模型。其次，基于大量野外调查开展室内二维物理模型试验构建，随后通过渗流砂箱模拟填充剖面二维冲洪积扇含水层的非均质性沉积结构特征。基于搭建的砂箱试验开展示踪试验，深入研究示踪剂在高度非均质冲洪积扇含水层中的迁移演化特征。结合野外调查及示踪试验结果，分析冲洪积扇非均质含水层对地下水渗流和污染物迁移的影响，重点分析冲洪积扇沉积结构非均质性对示踪剂羽状物迁移演化的影响，结果表明冲洪积扇沉积相、粒径大小、分选性、磨圆度及不同粒径组合形态等都控制着示踪剂羽状物的迁移扩散特征。而沉积相、分选性及砾石分布及磨圆度特征又明显受冲洪积扇沉积环境的控制，例如地形坡度、洪积规模及砾石级配等。此外，示踪试验研究表明由于弥散作用的发生使得污染羽状物沿着水流方向的反方向迁移演化及绕流等现象,主要与沉积结构非均质性密切相关，尤其是冲积扇河道部位砾石连通性区域显著控制污染羽状物的优先到达时间及反向对流弥散现象的发生。上述研究结果为大理地下水污染防治、修复及风险管理，以及洱海地表水与地下水相互作用机制提供重要基础数据，同时也为此类基岩山区冲洪积扇非均质含水层地下水渗流及污染物迁移数值模拟提供重要依据。