裂隙介质溶质运移机理试验研究

摘要

现阶段，人们对裂隙介质含水层中溶质和热量的运移都取得了一定的研究成果，这对含水层中污染物的运移起到了有效的预测和控制作用。由于裂隙介质含水层自身的复杂多样性，因此选用合适的数学模型来描述其中的溶质运移过程和估计模型的各个参数尤为重要。本文从试验和模型等方面研究了裂隙介质中溶质运移的时空分布规律，通过对溶质运移模型的模拟进行了参数求解，并分析溶质运移模型参数的影响因素，借助数值模拟方法分析了热量运移对浓度场分布的影响。论文的主要研究内容有： (1)对4种砂样的水分特征曲线试验，采用水分特征曲线模型BC模型和VG模型进行拟合，验证了砂粒的粒径和比重与水分特征曲线模型的参数具有密切的相关性，分析了砂粒的粒径、比重与水分特征曲线模型参数的关系。同时通过4种砂样在不同直径的试验装置中的溶质运移试验验证了：当参数m取值为-1-2时，几何模型同样适用于描述砂质中溶质的对流弥散过程。 (2)根据4种砂样在不同直径试验装置中的溶质运移试验的结果，分析了实验装置的内径和孔隙度对水动力弥散参数的影响。 (3)通过单裂隙中的水流试验，建立了各观测点处单宽流量q/力坡度J与隙宽b的关系，确定试验试件的水流运动规律。通过单裂隙中的溶质运移试验，确定了试验试件中的分子扩散系数和弥散度，分析了裂隙中溶质运移的弥散度与等效隙宽和扩散距离的关系。 (4)利用Kriging方法和自回归过程方法随机模拟了单裂隙宽度。建立了溶质运移参数与裂隙宽度统计特征的关系，并通过数值模拟的方法分析了溶质运移参数与裂隙宽度统计特征的关系。 (5)对于圆管中多孔介质的热量运移，热传导的等效热扩散系数是受孔隙度和温度双重因素影响的。对于一维和二维热传导问题，由于等效扩散系数是温度变量，以前的解析解不再适用，因此，借助于基尔霍夫变化得到了一维定温度源问题的解析解、二维瞬时源问题的解析解。通过室内热传导试验验证了一维定解问题解析解的准确性。 (6)在浅层(低压和低温条件下)地下水含水层中，忽略密度和粘滞系数随温度变化，对研究热量运移和水流运动的影响很小，常常忽略不计。在深层(高压和高温条件下)热含水层中，则不能忽略密度和粘滞系数随温度变化对热量运移和水流运动的影响，否则误差很大。在深层热含水层中，浓度场由于温度浮力的影响，运移速度加快。在温度场由不稳定到稳定的过程中，溶质的运移速度也由快减慢，最后趋于稳定不再变化。 (7)岩溶裂隙地区地下含水层中，溶质运移存在明显的尺度效应。

目录

文摘

英文文摘

前言

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2裂隙水流运动和溶质运移理论的研究现状

1.3研究内容及研究框架

第二章圆管中的溶质运移试验

2.1水分特征曲线的确定

2.2多孔介质溶质运移的基本理论

2.3溶质运移的实验原理、方法和材料

2.4溶质运移实验结果与分析

2.5小结

第三章单裂隙水流运动和溶质运移的研究

3.1单个粗糙裂隙的水流运动规律

3.2单裂隙渗流运动和溶质运移的试验装置

3.3渗流试验及成果分析

3.4单裂隙等效水力隙宽的求解及应用

3.5单裂隙溶质运移试验

3.6溶质运移的数值模拟

3.7小结

第四章裂隙介质中溶质运移的温度效应

4.1热量运移的数学模型

4.2热传导概化模型的参数模拟

4.3二维瞬时热源热传递的解析解

4.4热传导试验研究

4.5地下水热量运移的模拟

4.6温度浮力对溶质运移的影响

4.7小结

第五章岩溶裂隙介质溶质运移的现场试验

5.1岩溶水运动基本理论

5.2中梁库区水文地质条件

5.3中梁库区示踪连通试验

5.4非达西流计算方法

5.5数学模型的建立及结果分析

5.6小型食盐示踪试验

5.7小结

第六章结论与展望

参考文献

攻博期间发表的学术论文

致谢