单个粗糙裂隙中水流与溶质运移试验研究

【摘要】：裂隙介质中地下水流和溶质运移研究是当今水文地质学的一个重要研究方向,单个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指导意义。本文得到国家自然科学基金和霍英东教育基金的资助,基于国内外相关裂隙介质中水流与溶质运移的研究成果及趋势,对单个粗糙裂隙中的水流与溶质运移进行了深入分析,设计制作了一整套用于模拟粗糙单裂隙水流与溶质运移试验装置,并完成了单个粗糙裂隙中水流及溶质运移模拟试验,检验了“达西定理”(Darcy)和“费克运移”(Fickian)在粗糙裂隙中的有效性,进而对non-Darcy流下的水流规律进行了分析归纳以及对non-Fickian运移现象和机理给予了简要分析,得出主要结论如下:(1)粗糙裂隙中,传统的Darcy定理在描述水流特征时遇到困难,基于Darcy定律的“局部立方定理”(LCL)不适用,进而对LCL进行了修订。实验结果分析表明了在非吻合态下,单宽流量与平均隙宽之间是超立方关系;(2)染色示踪试验表明在单个粗糙裂隙中,随着裂隙相对粗糙度的增加,紊流现象越明显;(3)结合相关实验数据识别出实验条件下的参数(弥散系数D_L),对溶质运移中弥散系数与流速的关系进行了进一步的定量研究(即研究式D=α·ν~λ中的λ在粗糙裂隙中的取值),将所获得的成果与前人的成果进行比较分析表明,一部分值在1～2之间,而部分值小于1,即不在1～2之间;(4)粗糙的单裂隙中溶质运移具有non-Fickian运移特征:“峰值”提前到达和“拖尾”现象明显。