非均质各向异性三维孔隙介质中羽流横向混合机制研究

The (bio-)chemical degradation of contaminant plumes in groundwater transport strongly depends on the physical process of transverse mixing. Therefore, accurate quantification of transverse mixing during solute transport, as well as, effective enhancement of transverse mixing, is the main process to accelerate contaminant degradation and purify groundwater environment. In the proposed work, we will investigate transverse mixing mechanism of solute transport under steady-state conditions, using laboratory bench-scale experiments and advanced modelling techniques. Particularly, we will investigate the influence of three-dimensional spatial arrangement of porous media on transverse mixing. We will quantify the enhancement of mixing and reaction due to heterogeneity and anisotropy of porous media. Finally, according to the Darcy-scale experimental and simulation results the best heterogeneous anisotropic arrangement of porous media will be combined to the traditional permeable reactive barrier. Such new reactive barrier will be constructed in a complex large scale numerical model and it will be compared to the traditional one on the efficiency of groundwater remediation. The proposed work aims at reveal the influence of three-dimensional spatial arrangement of porous media on transverse mixing, allowing to explain the contaminant distribution and to accelerate the degradation of contaminant plumes in groundwater environment.

地下水中污染物羽流的生物化学降解反应强烈依赖于横向混合这一物理过程，因此，正确量化溶质运移过程中的横向混合程度、有效提高横向混合效率，是加快降解污染物、净化地下水环境的主要途径。本项目拟采取模型模拟结合室内实验的手段，对稳态运移过程中，溶质的横向混合机理进行深入研究；同时，本项目将重点研究孔隙介质的三维空间排布对于横向混合过程的影响规律，量化孔隙介质非均质、各向异性三维空间排布对于混合程度及反应效率的提升。结合Darcy尺度下的数值模拟及实验研究结果，将非均质、各向异性孔隙介质排布融合于传统反应渗透墙，设计并创建现场大尺度新型反应渗透墙，模型模拟其相对于传统反应渗透墙所能提升的地下水修复效率。本项目旨在揭示孔隙介质的非均质、各向异性三维空间排布对于横向混合过程的影响机理，为解析现场污染物分布提供理论依据，同时为提高地下水中污染物的降解及地下水环境的净化效率提供技术基础。

地下水是重要的供水水源，然而近几十年来因人类活动使其受到了严重的污染。在地下水修复过程中，遇到的挑战之一就是污染物运移路径的不确定性。含水层介质的非均质各向异性是导致污染物运移路径及浓度分布不确定性的重要因素之一。本项目通过数值模拟和室内实验两种手段，全面、系统、深入地研究了非均质各向异性孔隙介质对于地下水流动及溶质运移的影响，主要结果如下：1）系统梳理了近十年来孔隙尺度和达西尺度下二维和三维溶质运移实验研究，对比了各种实验设置及检测方法的优点和局限性，分析了不同条件下用来量化稀释和混合程度的参数，并最终形成一篇综述文章。2）建立了三维实验室尺度的数值模型和物理模型，用于探索达西尺度下非均质各向异性孔隙介质中的流动和非反应性、反应性稳态溶质运移过程；数值模型中采用有限体积法计算流速，通过粒子追踪演算方法计算流线，并在所得流线网格上绘制Voronoi多变形，再次利用有限体积法计算溶质横向弥散。3）基于已有冰川沉积环境和辫状河流沉积环境中的非均质结构人为构建了交叉鱼骨结构，实现了宏观非均质各向异性水力传导场。4）探索了单个非均质各向异性结构的几何设置和排列方向以及两个非均质各向异性结构的几何构造和相对位置对于螺旋流场和溶质稀释、混合的影响；获取了单个非均质各向异性结构的最优配置参数，用以最大程度地提升溶质稀释程度；揭示了交互螺旋流场中流线的变形与溶质的稀释和混合程度并不存在直接关联。5）提出了螺旋流场中溶质运移的化合物各向异性，并最终揭示了螺旋流场中混合的充分提升对于传统孔隙介质中由混合控制反应性运移过程向反应动力学控制机制的转变。研究成果对于深化人们对于地下水中溶质运移的理解，增强我国受污染含水层中地下水修复和管理水平具有科学和实际应用意义。