随着人类活动不断向地下深入,基岩裂隙水受到日益严重的污染,引起人们的广泛关注,基岩裂隙内溶质运移规律成为当前地下水科学的研究热点。天然岩体裂隙往往由未固结的松散物质充填。本文结合自然电位(SP)方法在研究地下水流传热传质方面优势,针对充填裂隙溶质运移特征及参数反演问题,设计加工充填裂隙模型,开展不同隙宽、不同水力梯度、不同水流方向条件下溶质运移实验,阐明充填裂隙溶质运移特征;实时监测溶质运移过程中SP变化数据,揭示自然电位响应规律;采用非耦合自然电位反演方法,反演分析充填裂隙溶质运移弥散系数D。主要研究内容与成果如下:(1)不同隙宽、不同水力梯度、不同水流方向条件下溶质运移特征:(1)不同试验条件下溶质运移的穿透曲线形状类似,呈正态单峰分布,相同裂隙隙宽(d)时,水力梯度(J)越大,流速越大,穿透曲线的峰值到达时间减少,穿透曲线呈现窄而陡,反之穿透曲线则宽而缓。相同J时,d越大,流速越大,穿透曲线峰值到达时间缩短,穿透曲线呈现窄而陡。水平流向与垂直流向时穿透曲线规律基本一致,其中水平流向时峰值浓度较大,峰值到达时间较短。(2)相同d时,穿透曲线峰值浓度随J增加呈现先增后降趋势,在0.25时出现拐点,其中J在0.05-0.25区间,穿透曲线峰值浓度呈现增长趋势,J在0.25-0.45区间内,穿透曲线浓度呈现降低趋势;相同J条件下,随着裂d度增大,穿透曲线出峰所需时间不断缩短,峰值浓度逐渐降低。(2)对应条件下的自然电位响应规律:(1)相同d时,在试验范围内随着J增大,SP峰值对应时间显著缩短,且SP峰值绝对值均呈现出先增大后减小的趋势,其中J在0.05~0.25内,SP峰值绝对值均呈现出增加的趋势;J在0.25~0.45内,SP峰值绝对值基本表现出降低的趋势;相同J条件下,随d增大,SP峰值到达所需时间逐渐缩短,SP峰值绝对值逐渐减低。(2)相同d和J条件下,沿着水流方向上随溶质运移距离增加,实时监测SP峰值绝对值呈现逐渐减小的趋势,依次所出SP峰的陡峭程度逐渐减小,但SP响应曲线拖尾现象越来越明显;且从开始注入溶质开始,SP峰值随着溶质运移距离成对数变化关系,基本满足方程式:SP=a-bln(7)L(10)c(8)。(3)参数反演方法与结果。(1)采用ADE方程对溶质穿透曲线进行拟合分析。结果表明,相同隙宽条件下,弥散系数随水力梯度增加而增大;在相同水力梯度条件下,弥散系数随裂隙隙宽增大而增大;水平流向和垂直流向时规律基本一致,但两种反演方法均得出弥散系数在水平流向时较垂直流向时要大。(2)利用非耦合自然电位反演方法计算溶质运移过程中弥散系数值,结果表明沿水流方向,随溶质运移距离增加,弥散系数值出现波动,但总体呈降低趋势。电极位置越靠近取样检测点,利用自然电位反演弥散系数值显著逼近溶质穿透曲线ADE反演值。(3)溶质在充填裂隙内运移过程受到充填介质的阻滞作用,通过SP和电导率两种监测手段计算流速表明均小于利用流量计算的实际平均流速,其中利用SP监测手段平均相对误差较小,监测精确度更高。