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粗糙裂隙水流及溶质运移研究对深部地下工程及地下水污染防治、放射性核废料的地质处置等具有重要的指导意义。然而由于基岩裂隙介质的强烈空间变异性,其溶质运移十分复杂,目前无论在理论研究方面还是在实际应用中都出现了许多问题。已经被证实,在裂隙岩体中普遍存在非费克(Non-Fickian)运移行为,传统意义上溶质运移的理论基础一费克定律(Fick)以及由此所导出的对流-弥散方程(ADE)受到了越来越多的质疑。如何对裂隙系统中溶质Non-Fickian运移现象进行理论上的解释和拟合是目前环境和工程领域一个至关重要的问题。
本课题在归纳总结自然界裂隙粗糙度分布特征的基础上,考虑到溶质Non-Fickian运移的影响因素和表现形式,设计了基岩粗糙裂隙地下水污染物溶质运移实验室物理模型;用分辨率为2304×3456的数字相机实时采集溶质运移图像,对图像进行处理、分析,将图像信息转化为溶质浓度信息,得到溶质穿透曲线(BTC);利用ADE模型和连续时间随机游走步长(CTRW)理论中的截断幂函数(TPL)模型对溶质穿透曲线(BTC)进行拟合对比,对其产生机理进行了初步探讨;分析溶质非费克运移的影响因素。得出主要结论如下:
(1)用亮蓝作溶质示踪剂,基于其可见性,用成像技术实时采集溶质运移图像、分析图像得到溶质穿透曲线的方法直观可靠、操作方便、信息容量大;
(2)观察溶质污染羽形状特征发现:裂隙的产状、粗糙度以及流速是影响溶质运移的主要因素;
(3)用ADE和TPL同时拟合溶质穿透曲线(BTC)发现:TPL模型能较好地拟合穿透曲线拖尾现象,而ADE方程拟合精度较差,这表明可以用CTRW理论解释溶质非费克运移机理;
(4)TPL模型中的参数β在一定程度上反应了溶质运移的非费克程度,分析β值随着裂隙产状、粗糙度及流速的变化规律发现:水流的流速越大,β的值越小,即非费克程度越高;裂隙的相对粗糙度越大,β的值越小,即非费克程度越高;非均质性较强的裂隙产状,如矩形裂隙的β值较低,即非费克程度高。