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《成都理工大学》 2018年
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基于分形理论的土体微结构渗流及溶质运移研究

陈卓  
【摘要】:土壤作为一种多孔介质,是连接大气层与地下水的桥梁,人类赖以生存的基础。人类的工业活动造成了严重的土壤污染,因此土壤的治理、修复成为当下热门的研究问题。之前,人们主要从土壤宏观物理特性角度研究污染物在土壤中的迁移规律,土壤微观结构对于污染物迁移的影响研究较少。随着分形理论的提出,计算机图像识别技术的进步,对于土体微观结构的定量化描述成为可能,建立土壤微结构与污染物迁移的统计模型成为当下热点。本文依托四川省教育厅重点课题“基于土体孔隙分形的水动力弥散特征研究”,基于国内外分形理论在土体学中的应用和土体溶质运移理论研究现状,制定了饱和土柱溶质运移实验方案;利用60目、80目、100目三种不同级配的石英砂人工配置了A、B、C、D、E、F六种不同的土体微结构。运用室内土柱实验,以饱和土柱中NaCl迁移为研究主线,结合渗透系数测定实验,研究了土体渗流特性对于溶质运移的影响。根据土体电镜扫描实验,激光粒度实验获得的土体孔隙大小分形维数、颗粒体积分形维数研究了土体微结构与土体渗流特性的关系。基于土体微结构与土体渗流特性的统计模型,结合水动力弥散系数的数据,得出了土体孔隙分形维数、颗粒体积分形维数与水动力弥散系数的统计模型,探讨了土体微结构特征对于溶质运移的影响,结论如下:1、分析土柱实验得到的渗透系数K,渗流速度V,水动力弥散系数D数据,建立了K与V,V与D的统计模型;综合以上两个模型推导分析得到:渗透系数K与渗流速度V、水动力弥散系数D呈线性正相关;土体渗流特性越好,土体中的溶质运移越快;根据激光粒径分析仪得到颗粒体积分形维数D_v的数据,建立颗粒体积分形维数与渗透系数的统计模型,此模型揭示了颗粒粒径的粗细程度与土体渗流特性规律为:颗粒粒径越细,导致土体孔隙之间的孔隙越小,致使水体在土体中的渗流减慢。2、根据颗粒体积分形维数D_v与渗透系数K,渗透系数K与渗流速度V,渗流速度V与水动力弥散系数D的统计模型推导得出D_v与D的模型。模型表明D_v与D呈线性正相关。结合之前的D_v与K的统计模型,分析得到:土体颗粒粒径越细,土体渗流特性越差,溶质在土体中运移的水动力弥散系数越低。3、利用PCAS软件分析得到孔隙分形维数D_f数据,建立了K与D_f的统计模型,模型反映了土体渗流特性受一定范围内孔隙大小分布的影响,大于这一范围的孔隙大小与土体渗流特性关联度不高。4、结合D_f与K,V与K、D的统计模型,推导得出D_f与D的模型。结合孔隙分形维数与水动力弥散系数实验数据,此模型揭示了:孔隙直径减小,土体中孔隙通道变窄,使得渗透系数逐渐减小,溶质运移速度减慢,水动力弥散系数减小。5、通过分析实验中六种不同结构土体的土体颗粒体积分形维数D_v与孔隙分形维数D_f的关系,研究得到:颗粒粒径减小,导致土体中的孔隙管道减小。表明同一土体渗流特性的和溶质运移的根本决定因素为颗粒粒径大小的分布特征。
【学位授予单位】:成都理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:S152

【参考文献】
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