水平单裂隙溶质运移弥散系数及其尺度效应实验研究

论文摘要

裂隙岩溶介质中地下水流和污染物运移数值模拟研究已经成为水环境管理和保护方面一个极受重视的领域。国内外对于孔隙介质中的水流及溶质运移问题的研究已日益成熟,但是对于裂隙介质中相应的研究还有待进一步的完善,特别是对于裂隙介质中污染物的迁移转化规律的研究有待深入。本文在总结国内外相关研究成果的基础上,设计制作了平行板单裂隙模型,并进行了系统的水流及溶质运移试验,对试验结果进行了分析,得出主要结论如下:（1）在低速渗流区（即前线性流区域）,渗透系数随着隙宽的增大而减小;（2）对低速渗流阶段下的水流流速和水力梯度进行拟合,结果呈非达西（non-Darcy）关系,拟合所得系数n值在12之间。与周志芳给出的高速non-Darcy流态下非线性指数变化范围1.0～2.0是一致的。可见无论低速还是高速non-Darcy流,其非线性指数的变化范围基本一致。（3）水平单裂隙的Peclet（Pe）数与纵向弥散系数和分子扩散系数之间的比值DL/Df之间呈现出如下规律,即: D L Df= b+aPem,统计得出的m值均介于1.0～2.0之间,比Bear（1972）在孔隙介质中得出的m值范围稍大。这是由于在相同情况下,孔隙介质中的弥散系数通常要远小于裂隙中,因而造成了DL/Df的相对变大和Pe数的相对减小,从而导致了DL/Df随Pe数的变化幅度增加,m值的相对增大。（4）在低速渗流阶段,弥散系数尺度效应的分维数随流速的增大而减小,弥散系数随着隙宽的增大而减小。（5）在达西流阶段,弥散度随着渗透系数增大而减小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 前言
• 第一章 绪论
• 1.1 选题依据和研究目的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 单裂隙水流研究
• 1.2.2 单裂隙溶质运移研究
• 1.2.3 示踪剂
• 1.2.4 研究方法
• 1.3 待解决问题及本文主要研究内容
• 1.3.1 待解决问题
• 1.3.2 本文主要研究内容
• 第二章 单裂隙中水流与溶质运移的基本理论
• 2.1 隙宽
• 2.2 渗透率及渗透系数
• 2.3 Peclet 数
• 2.4 分子扩散系数
• 2.5 单裂隙水流性质
• 2.6 单个裂隙内的溶质运移模型
• 2.6.1 水动力弥散机理
• 2.6.2 水动力弥散系数
• 2.6.3 对流－弥散方程
• 2.6.4 溶质运移的尺度问题
• 2.7 穿透曲线
• 第三章 水平单裂隙中水流与溶质运移试验设计
• 3.1 试验目的
• 3.2 试验装置简介
• 3.3 试验材料
• 3.4 实验原理与方法步骤
• 3.4.1 实验原理
• 3.4.2 实验步骤
• 3.5 示踪剂测定方法
• 第四章 水平单裂隙中的水流性质
• 4.1 低速非达西渗流模型
• 4.2 试验结果分析
• 4.3 流速与水力坡度关系拟合
• 4.4 低速渗流流体的状态方程
• 4.5 小结
• 第五章 水平单裂隙模型溶质运移基本规律研究
• 5.1 不同流速及隙宽条件下的溶质运移试验结果
• 5.2 水平单裂隙溶质运移参数的确定
• 5.3 水平单裂隙中弥散系数与 Pe 之间的关系
• 5.4 水平单裂隙中弥散系数的尺度效应及分维数
• 5.5 水平单裂隙中弥散系数与隙宽的关系
• 5.6 水平单裂隙中弥散度与渗透系数 K 的关系
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 进一步研究展望
• 主要参考文献