（环境科学专业论文）基于成像法的粗糙裂隙中溶质非费克运移机理研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得金月巴工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：靛云l 纪签字日期：伽7 年争月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目里王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授杈金目巴王些太 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：砍五睨 导师签名： 签字日期：护年炒月7 。日签字日期：伽j 7 年牛月琴。日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 基于成像法的粗糙裂隙中溶质非费克运移机理研究 摘要 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的指导意义。然而由于基岩裂隙介质的强烈空间 变异性，其溶质运移十分复杂，目前无论在理论研究方面还是在实际应用中都 出现了许多问题。已经被证实，在裂隙岩体中普遍存在非费克( n o n f i c k i a n ) 运移行为，传统意义上溶质运移的理论基础一费克定律( f i c k ) 以及由此所导 出的对流弥散方程( a d e ) 受到了越来越多的质疑。如何对裂隙系统中溶质 n o n f i c k i a n 运移现象进行理论上的解释和拟合是目前环境和工程领域一个至 关重要的问题。本课题在归纳总结自然界裂隙粗糙度分布特征的基础上，考虑 到溶质n o n f i c k i a n 运移的影响因素和表现形式，设计了基岩粗糙裂隙地下水 污染物溶质运移实验室物理模型；用分辨率为2 3 0 4 x 3 4 5 6 的数字相机实时采集 溶质运移图像，对图像进行处理、分析，将图像信息转化为溶质浓度信息，得 到溶质穿透曲线( b t c ) ；利用a d e 模型和连续时间随机游走步长( c t r w ) 理论中的截断幂函数( t p l ) 模型对溶质穿透曲线( b t c ) 进行拟合对比，对 其产生机理进行了初步探讨；分析溶质非费克运移的影响因素。得出主要结论 如下： ( 1 ) 用亮蓝作溶质示踪剂，基于其可见性，用成像技术实时采集溶质运移 图像、分析图像得到溶质穿透曲线的方法直观可靠、操作方便、信息容量大； ( 2 ) 观察溶质污染羽形状特征发现：裂隙的产状、粗糙度以及流速是影响 溶质运移的主要因素； ( 3 ) 用a d e 和t p l 同时拟合溶质穿透曲线( b t c ) 发现：t p l 模型能较 好地拟合穿透曲线拖尾现象，而a d e 方程拟合精度较差，这表明可以用c t r w 理论解释溶质非费克运移机理； ( 4 ) t p l 模型中的参数在一定程度上反应了溶质运移的非费克程度，分 析声值随着裂隙产状、粗糙度及流速的变化规律发现：水流的流速越大，的 值越小，即非费克程度越高；裂隙的相对粗糙度越大，的值越小，即非费克 程度越高；非均质性较强的裂隙产状，如矩形裂隙的值较低，即非费克程度 高。 关键词：粗糙裂隙；非费克运移；成像法；t p l 模型；试验与模拟 s t u d yo f s o l u t en o n - - f i c k i a nt r a n s p o r tm e c h a n i s m s i nr o u g hf r a c t u r e su s i n gi m a g ea n a l y s i s a b s t r a c t s t u d yo ff l u i df l o wa n ds o l u t et r a n s p o r ti nar o u g hf r a c t u r e dg e o l o g i c a lm e d i a h a si m p o r t a n ti n s t r u c t i o n a ls i g n i f i c a n c eo nd e e pu n d e r g r o u n dp r o j e c t s ，p r e v e n t i o n a n dc u r eo fg r o u n d w a t e rp o l l u t i o na n dg e o l o g i c a l l yt r e a t m e n to fr a d i o n u c l i d ew a s t e h o w e v e r ，f r a c t u r e dr o c k sc o n t a i ns u c hi n t r i c a t eh e t e r o g e n e i t i e sa ta l ls c a l e st h r o u g h w h i c hc o n t a m i n a n tm o v e m e n ti sv e r yc o m p l e x ，t h e r ee m e r g e dm a n yp r o b l e m s b o t ho nt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h eo c c u r r e n c eo f n o n f i c k i a nt r a n s p o r tb e h a v i o ri nf r a c t u r e dg e o l o g i c a lm e d i ai su b i q u i t o u sa n dn o w w i d e l yr e c o g n i z e d ，s o t h ew e l l k n o w na d v e c t i o n d i s p e r s i o ne q u a t i o n ( a d e ) d e r i v e df r o mt h ef i c k i a nl a wi sq u e s t i o n e db ym o r ea n dm o r er e s e a r c h e r s h o wt o e x p l a i ni nt h e o r y o nt h ep h e n o m e n ao fs o l u t en o n - f i c k i a nt r a n s p o r ti nr o u g h f r a c t u r e dg e o l o g i c a lm e d i ai sac r i t i c a li s s u ei ne n v i r o n m e n t a la n de n g i n e e r i n g f i e l d , o nt h eb a s i co fs u m m a r i z i n gt h ef e a t u r eo fn a t u r a lr o u g hf r a c t u r ed i s t r i b u t i o n ， c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fs o l u t en o n f i c k i a nt r a n s p o r t ，as e to fe x p e r i m e n t a l e q u i p m e n ts i m u l a t i n gs o l u t et r a n s p o r ti nf r a c t u r e dr o c k sw a sd e s i g n e d as e r i e so f i m a g e st a k e nw i t ha2 3 0 4 x 3 4 5 6r e s o l u t i o nc c dc a m e r aw e r ep r o c e s s e da n d a n a l y z e du s i n gm a t l a bs o f t ，t h e nt h ei n f o r m a t i o ni nt h ei m a g e sw a st r a n s l a t e di n t o s o l u t ec o n c e n t r a t i o n ，o b t a i n i n gt h eb r e a k t h r o u g hc u r v e s b r e a k t h r o u g hc u r v e sw e r e t h e n a n a l y z e db yc o m p a r i s o n t of i t t e ds o l u t i o n sf r o mt h ea d ea n dc t r w f o r m u l a t i o n s t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w i n g s ： ( 1 ) a st h ed y eb r i l l i a n tb l u et r a c e ra l l o w sv i s u a l i z a t i o no fs p a t i a lf l o wp a t t e r n s ， t h em e t h o do fa n a l y z i n gi m a g eo ft h ed y ep h o t o g r a p h st oo b t a i nt h eb r e a k t h r o u g h c u r v e sw a sp r o v e di n t u i t i v e 、e a s yt oo p e r a t ea n dc o n t a i n i n gm u c hi n f o r m a t i o n ； ( 2 ) c o m p a r i n gt h es o l u t ep l u m ec h a r a c t e r i s t i c s h o w e dt h a tt h em a i nf a c t o r s a f f e c tt h es o l u t et r a n s p o r ta r ef r a c t u r ea p p e a r a n c e ，r o u g h n e s so ff r a c t u r ea n df l o w r a t e ； ( 3 ) t h er e s u l t sc o n f i r m e dt h a tt h eo n e d i m e n s i o n a ls o l u t i o nd e r i v e df r o mt h e a d ed o e sn o tg i v eg o o dr e s u l t si nm o d e l i n gl o n g t i m et a i l i n gb e h a v i o r n a m e l y ， t h ec t r wf r a m e w o r kc o u l db eu s e dt o e x p l a i nt h e n o n f i c k i a n t r a n s p o r t m e c h a n i s m ； ( 4 ) t h en a t u r eo fs o l u t en o n - f i c k i a nt r a n s p o r tc a nb ec h a r a c t e r i z e db yt h ev a l u e 3 o fc o n s t a n te x p o n e n t a n a l y z i n gt h ec o e f f i c i e n tbc o r r e l a t e dt of r a c t u r e a p p e a r a n c e ，r o u g h n e s so ff r a c t u r ea n df l o wr a t es h o w e dt h a tc o e f f i c i e n t 毡d e c r e a s e s w i t hh i g hf l o wr a t e ，i m p l y i n gn o n - f i c k i a nd e g r e ei n c r e a s i n gw i t hh i g hf l o wr a t e ； c o e f f i c i e n t $ d e c r e a s e sw i t hh i g hh e t e r o g e n e i t y ，i m p l y i n g n o n f i c k i a nd e g r e e i n c r e a s i n gw i t hh i g hh e t e r o g e n e i t y k e y w o r d s ：as i n g l er o u g hf r a c t u r e ；n o n - f i c k i a nt r a n s p o r t ；i m a g i n g ；t p lm o d e l ； e x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o n 4 致谢 值此论文完稿之际，内心激动万分，要感谢的人太多太多 首先感谢导师钱家忠教授，在论文的选题、构思到编写过程中，钱老师都 给予了大力的支持与指导。钱老师严谨的治学态度，富于创新的学术思想，给 我留下了深刻的印象，将成为我永久的财富，永远鼓舞并激励着学生在科学的 道路上奋发前进。 特别感谢陈舟师兄给我沉闷的学习和生活中注入一种积极的活力，他乐观 的生活态度和积极的学习心态对我产生了很大的影响，从开题到实验到论文， 陈舟师兄都给予了建设性的指导。 感谢孙莉琴同学陪我一起并肩走过研究生每个最重要的时刻，适时的给予 我鼓励和帮助。 感谢师妹王澄激、孙莹，师弟孟磊、李赫男在实验以及论文写作过程给予 的大力支持，感谢项目组的师兄马雷、师姐王璐璐及其他同学对我的关心和帮 助。感谢李晓明同学对我的鼓励和陪伴。 感谢我的舍友姚晓燕、赵娜娜，活跃和谐的宿舍气氛，每次回去已经打好 的热水和温馨的问候，是一道明媚的温暖。 感谢论文评审委员和答辩委员会委员对论文的批评与指正! 最后向我的家人表示最深的感谢，感谢他们对我的关心和爱护。 再次向所有关心支持和帮助我的人们表示由衷的感谢，谨向他们表示我最 衷心的祝福。 目录 第一章绪论j 1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究进展1 1 2 1溶质运移机理研究进展1 1 2 2 溶质运移示踪剂及测试方法研究进展3 1 2 3 待解决的问题4 1 3 本文研究内容：5 第二章相关理论基础。6 2 1 粗糙裂隙的物理性质6 2 1 1开启度6 2 1 2粗糙度7 2 2 粗糙裂隙的溶质运移移特征7 2 2 1 对流一弥散方程8 2 2 2 c t r w 理论框架9 2 3 数字图像识别与分析1 0 2 3 1 颜色模型1 0 2 3 2 校正白平衡1 0 2 3 3 不均匀亮度校正一1 l 2 3 4 数字相机采集图像原理1 2 2 3 5 颜色浓度标准曲线1 2 2 4 穿透曲线1 2 第三章粗糙裂隙溶质运移试验设计1 4 3 1 试验装置：1 4 3 1 1 实验模型1 5 3 1 2 照明系统16 3 1 3 成像系统1 7 3 2 试验材料一1 8 3 2 1 试验用水18 3 2 2 示踪剂及浓度检测方法1 8 3 2 3 主要试验器材及药品1 9 3 3 试验内容19 3 3 1 标准校正试验一2 0 3 3 2 瞬时示踪试验2 0 第四章试验结果分析2 l 4 1 图像预处理一2 1 4 1 1 图像的校正一2 1 4 1 2 图像r g b 的空间分布特征一2 2 4 2 标准曲线2 5 4 2 1 标准曲线的数学模型2 5 4 2 2 各裂隙的r 浓度标准曲线2 6 4 3 溶质非费克的影响因素分析2 8 6 4 4 溶质非费克运移机理探讨3 0 4 5 溶质非费克运移规律3 4 4 5 1流态对溶质非费克运移的影响3 5 4 5 2裂隙粗糙度对溶质非费克的影响3 8 4 5 3裂隙产状对溶质非费克运移的影响4 0 第五章结论与展望。4 2 5 1 结论4 2 5 2 展望4 2 插图清单 图2 一l 注样方式示意图1 3 图3 1 试验装置图1 4 图3 3 粗糙裂隙模型实物图1 5 图3 4 灯箱图1 6 图3 5 佳能e o s5 0 0 d 相机取景器正面图1 7 图3 - 6 白平衡调节效果图1 8 图4 1 校正后的图像与背景图像的差值2 2 图4 2 标准图像2 3 图4 3r g b 的横向分布2 3 图4 4r 灰度图2 4 图4 5r 值的横向分布一2 4 图4 6r 值的纵向分布2 5 图4 7r g b 与浓度关系散点图2 6 图4 8x = 3 0 5 c m 处矩形板不同隙宽的标准曲线一2 7 图4 9x = 3 0 5 c m 处梯形板不同隙宽的标准曲线2 7 图4 1 0 x = 3 0 5 c m 处平板不同隙宽的标准曲线2 7 图4 一1 1 不同条件下瞬时示踪溶质运移特征2 9 图4 1 2x = 3 5 5 c m 处，矩形裂隙穿透曲线拟合对比图3 1 图4 1 3x = 5 5 5 c m 处，矩形裂隙穿透曲线拟合对比图3l 图4 1 4x = 3 5 5 c m 处，梯形裂隙穿透曲线拟合对比图3 2 图4 一l5x = 5 5 5 c m 处，梯形裂隙穿透曲线拟合对比图一3 2 图4 1 6x = 5 5 5 c m 处，平板裂隙穿透曲线拟合对比图3 3 图4 1 7x = 5 5 5 c m 处，平板裂隙穿透曲线拟合对比图一3 3 图4 一l8 矩形、平均隙宽6 0 m m 裂隙，不同流速下t p l 拟合结果3 5 图4 1 9 矩形、平均隙宽7 3 m m 裂隙，t p l 拟合结果3 5 图4 2 0 梯形、平均隙宽4 7 m m 裂隙，t p l 拟合结果3 6 图4 2 l 梯形、平均隙宽6 0 m m 裂隙中的穿透曲线拟合结果3 6 图4 2 2 梯形、平均隙宽7 3 m m 裂隙中不同流速下穿透曲线拟合结果3 6 图4 2 3 平板、平均隙宽4 7 m m 裂隙中不同流速下穿透曲线拟合结果3 7 图4 2 4 平板、平均隙宽一6 0 m m 裂隙中不同流速下穿透曲线拟合结果3 7 图4 2 5 矩形裂隙、v = 7 1 0 m m s ，不同凸起度下t p l 拟合结果3 9 图4 2 6 梯形裂隙、v = 4 9 5 m m s ，不同凸起度下t p l 拟合结果一3 9 图4 2 7 平板裂隙、v = 5 9 0 m m s ，不同隙宽下t p l 拟合结果3 9 图4 2 8v = 3 6 0 m m s ，相同凸起度，不同裂隙的t p l 拟合结果4 1 图4 2 9v = 5 1 5 m m s ，相同凸起度，不同裂隙的t p l 拟合结果4 1 表格清单 表3 1 裂隙试件名称及剖面形状1 6 表3 2 各裂隙试件对应的隙宽及相对粗糙度1 6 表3 3 主要试验器材及药品1 9 表4 1 数学方程的拟合结果一2 6 表4 2x = 3 0 5 c m 处各裂隙的标准曲线2 8 表4 3 用a d e 和t p l 拟合的决定系数r 2 和均方根误差r m s e 3 4 表4 4 不同流速下t p l 拟合参数值3 8 表4 5 不同平均隙宽下t p l 和a d e 拟合参数值4 0 表4 6 相同隙宽、流速，不同产状裂隙的t p l 拟合结果4 0 9 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 随着人类活动日益向地下空间深入，以裂隙岩体地下水及其相关的问题为 主要对象的研究越来越重要。近年来，裂隙岩体地下水受到了严重污染的威胁， 诸如核废料的地质贮存、垃圾填埋造成的污水下渗、海水入侵、输油管道老化 引起渗漏等等。这些与人类生活密切相关的环境问题迫切要求对裂隙岩体地下 水中污染物的运移的机制进行研究，以便对其进行预报和控制 1 】。然而由于基 岩裂隙介质的强烈空间变异性，其溶质运移十分复杂，目前无论在理论研究方 面还是在实际应用中都出现了许多问题。传统意义上溶质运移的理论基础费克 定律( f i c k ) 以及由此所导出的对流弥散方程( a d e ) 受到了越来越多的质疑，这 种质疑出现在非均质甚至均质多孔介质，且在裂隙介质中表现的尤为明显。 众多试验和现场工程中也发现了与传统的费克定律不相符的非费克现象一 即溶质运移羽随时间的变化不能用质量速度的固定中心与固定的弥散系数来量 化，弥散运移的真实性质似乎是运移时间或距离的函数，而这种尺度决定行为 被称为“非费克( n o n f i c k i a n ) ”运移【2 j 。如何对裂隙系统中溶质n o n f i c k i a n 运移 现象进行理论上的解释和拟合是目前一个至关重要的问题。b e r k o w i t z 等人【3 j 曾 作过总结：“尽管我们经过了至少四十年的深入研究，但至今我们仍在探索如 何定量化非均质介质地下水中污染物的运移行为 。因此要从根本上解决上述 问题，客观上需要重视机理研究。 传统上解释溶质运移现象的对流弥散方程( a d e ) 和模拟n o n f i c k i a n 现象的 模型都是基于线性流之上的 4 - 7 ，对于非线性水流状态下的溶质运移以及水流的 非线性和溶质运移的n o n f i c k i a n 现象之间联系的实验和机理研究都尚有不足 【8 - 9 1 o 综上所述，本课题基于基岩地下水的溶质非费克运移实验和模拟研究，不 仅具有基础理论意义，而且对地下水资源的开发保护，水库大坝以及隧道煤矿 的基础结构稳定性研究，核废料地质处置等工程建设具有战略意义，对人类地 下工程、水安全保障和环境保护等具有指导意义。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 溶质运移机理研究进展 数学模型能够定量地描述溶质运移过程的本质规律，而且具有预测功能， 是研究土壤溶质运移问题的有效手段，了解溶质运移机理的一个重要方法是找 到合适的数学模型描述溶质运移行为。国内外目前对于基岩裂隙中溶质运移的 定量描述主要有解析法、数值法和随机方法这三种。其中解析法具有理论基础 且计算精确 1 0 - 1 2 】，但由于其过于理想化的模型与自然条件有很大差异，且很多 偏微分方程很难求解造成解析法在实际工程中的应用有着很大的局限性。数值 法是目前工程中应用最为广泛的一种评估和计算水量水质的方法【1 3 04 1 。但数值 法是建立在平均流动基础上的一种计算工具，如果我们不提高理论上的支持和 认识高度，数值解也必然会存在很大的偏差。随机方法是目前研究中解释 n o n f i c k i a n 现象中最为接近的方法，但该方法尚处于理论探索阶段，实际应用 不多【”】，还有待进一步应用研究。 为便于研究污染物非费克运移机理，我们先不考虑其间化学反应，以溶解 态的保守物质溶质( 污染物) 运移为起点进行研究。 几十年来，用来研究和描述裂隙介质溶质运移规律的重要方法是传统的对 流弥散方程f 1 6 】( 简称a d e ) 。a d e 的建立有两个前提条件：一是假设地下水平 均流动；二是溶质( 污染物) 平均运移，即满足f i c k i a n 运移。然而，很多研究 表明，在利用对流弥散方程研究地下水污染物运移规律时出现许多问题，这些 不符合平均流动的问题在溶质浓度时间穿透曲线中表现出的现象被称为 n o n f i c k i a n 运移现象，在现象上表现为峰值提前到达和拖尾现象【l 7 1 ，有时也会 出现双峰现象。 溶质n o n f i c k i a n 运移现象在国外很早就有文献报道，近年来已经引起不同 领域越来越多的学者所关注。早在19 5 9 年，s c h e i d e g g e r 在实验室研究了多孔介 质溶质运移，发现了用f i c k i a n 运移无法解释的现象。此后几十年来，许多作者 在不同尺度实验室多孔介质模型、不同结构的土壤模型、各向异性的含水层、 以及裂隙介质含水层等均发现了n o n f i c k i a n 运移现象【l 弘2 3 j 。现在已经被广泛证 实，在均质多孔介质和裂隙岩体中普遍存在非费克运移行为。 非费克行为是一种累积行为，在任何尺度下，所有的运移机理在于小尺度 累积对非费克弥散的贡献。在溶质运移长度比非均质成分影响大的情况下，或 者停留时间足够长的情况下，溶质弥散最终会达并表现出费克行为。但这种尺 度通常非常大，在许多实际问题上，必须将运移考虑成非费克羽。现在普遍接 受的非费克产生的原因是无序介质固有的流速或运移时间的范围广。然后问题 来了，我们怎么计算才能包含这些流速的范围，量化非费克运移【2 4 】? 为此同行学者对此进行了多方位的研究，尝试了多种方法。其中有三种方 法效果最为显著，即连续时间随机游走步长( c t r w ) 、分维对流弥散方程 ( f a d e ) 以及动相不动相模型( m i m ) 。 c t r w 被证实是一种描述溶质非费克运移的有效手段，并具有很好的预测 性。这种方法开始由物理学领域提出怛引，后来由b e r k o w i t z 及其课题组引入到水 文地质学领域【2 6 1 。c t r w 将溶质质点在空间上的运动看作是连续时间的随机转 移过程，质点以不同的速度在不同的路径里迁移，而且两次迁移之间会有滞留， 迁移过程用转移概率密度函数来刻画【24 | 。根据这一理论，b e r k o w i t z 等从广义上 2 的控制方程( g e n e r a l i z e dm a s t e re q u a t i o n ，g m e ) 出发，推导出c t r w 的控制 方程( 2 7 】。 c t r w 是一个很有前景的研究溶质不规则运移的数学模型。它的一个突出 特点是具有较强的一般性，研究表明a d e ，单一交换速率和多交换速率的t r m 以及时间和空间上的f a d e 都可以在c t r w 基础上推导出来【25 | 。另外，现在的 c t r w 理论已经应用到模拟非平稳介质中的溶质运移问题。例如，c o r t i s 等在 f o k k e r p l a n c k 方程的基础上增加记忆项，建立了描述非平稳介质中溶质运移过 程的f p m e 模型。f p m e 采用c t r w 处理小尺度上未知的非均质性，而采用确定 性方法刻画大尺度上介质的空间变异性【2 引。 尽管c t r w 在多孔介质和裂隙介质溶质运移的研究中得到了广泛应用，但 下面几个问题需要进一步研究【25 。 第一，如何直接确定c t r w 中的联合概率密度函数r ( s ，f ) 需要进一步研究。 t g ( s ，t ) 主要由介质孔隙中流速场的物理特征决定，可以采用多种经验函数形式， 如渐进式函数、截断函数、指数函数和幂函数等。对于形如任意裂隙网格 ( ”r a n d o m ”f r a c t u r en e t w o r k ，r f n ) 的介质，( s ，f ) 可以独立确定。b e r k o w i t z 和s c h e r 2 8 】综述了一些关于确定转移时间概率密度函数矿( f ) 的研究进展，但这些 研究都局限在具有规则几何形状的介质。对于复杂介质结构和流场条件下的溶 质运移问题，究竟哪种函数形式的( s ，f ) 最适合描述溶质的运移规律，目前的 研究还难以准确回答这个问题。此外，矿( j ，f ) 与具体物理问题之间的有机联系 还不太明确【2 引。 第二，如何确定c t r w 中的参数需要进一步研究。在c t r w 中，除溶质粒 子迁移速度1 ，和广义弥散系数d ，外，转移时间的概率分布函数矿( f ) 中也有若干 参数，例如截断幂函数包含3 个参数，则c t i 州共有5 个参数。5 个参数中，b 可 以通过分析流速的分布特征来确定，但其它4 个参数目前只能通过拟合的方法。 由于拟合参数较多，所得参数的唯一性以及这些参数是否反映了真实的溶质运 移过程都值得怀疑。另外，目前还需要系统的实验来研究c t r w 参数与土壤物 理特性、流速、运移距离以及含水量等之间的关系 2 5 o 第三，c t r w 的应用范围需要进一步拓展。首先，目前c t r w 的解仅适用 于简单的初始和边界条件，需要采用解析或数值方法得到c t r w 在复杂初始和 边界条件下的解。其次，尽管目前已有一些关于c t r w 研究反应性溶质运移问 题的研究，但如何将各种复杂的化学和生物化学反应过程如降解、溶解和沉淀 等作为源汇项耦合到c t r w 中并求解，需要进一步研究。另外，目前的c t r w 理论主要局限在一维稳定流场条件，对于非稳定流或径向流条件下溶质二维或 三维运移问题，c t r w 理论还难以进行有效地模拟【2 5 1 。 1 2 2 溶质运移示踪剂及测试方法研究进展 在溶质运移试验中，通常用一种可溶于水的标志性物质，通过研究该物质 的分布规律，从而研究地下水的流动与弥散过程，我们把这种标志性物质称之 为示踪剂。目前，常用的示踪剂一般有3 类：盐类示踪剂、同位素示踪剂、染 料有色示踪剂，用不同的示踪剂相应的测定方法有所不同。 盐类示踪剂的代表物质是氯化钠，由于其性质稳定，电导率与含盐量之间 具有线性关系，被很多研究者用于溶质示踪实验。叶浩、管后春、覃华、陈舟 等 2 9 - 3 2 】在实验过程中通过定点取样后用电导率仪测定氯化钠溶液的电导率来 计算溶质的浓度方法进行了裂隙介质中的示踪实验；王锦国，周志芳等【l 】在自 制裂隙介质中安装盐分传感器来自动监测溶质运移过程中的浓度变化；李国山 等f3 3 】根据溶液电阻率的大小与n a c l 溶质浓度的倒数成正比，用高密度电阻率 法监测静水中溶质运移过程。盐类示踪剂的缺点是没有可见性，不能直观的描 述溶质示踪过程。 放射性同位素作为示踪剂不仅灵敏度高，测量方法简便易行，而且能准确 地定量，因此也受到了研究者的青睐，被用于研究溶质运移规律的定量研究中。 杜国平【3 4 】利用放射性同位素作为地下水的运动介质来模拟污染物质的溶质运 移速度。 由于颜色示踪剂具有可见性，科学家经常用来研究土壤的异质性。在野外 试验中用染色的水浸润土壤，把在水平方向和竖直方向上被染色的土壤挖出来 拍照。这种方法被证明研究土壤的优势流方面很有效，颜色示踪剂能指示包括 竖直污染羽、裂隙水流和渠道，沿着表面以及裂缝中的优势流【3 引。 传统意义上讲，图像分析只是为了区别染色土壤和没被染色的土壤，然而， 1 9 9 0 年代，图像分析的意义扩展到可以根据土壤的颜色计算浓度，近年来，这 种方法甚至被用到研究溶质运移上来。f o r r e r 等p 扣3 7 j 在野外实验中计算了颜料 亮蓝f c f 的浓度。他们校正了原始图像的几何曲解、不均匀亮点以及白平衡( 当 时他们叫做色迹) 。通过拍摄小土样的标准样品成像分析得到了染料的浓度。在 样品颜色与染料浓度之间找到了一个数学关系。s t a d l e r 等【3 8 】在三个不同的冻土 中进行了染料渗透试验，每块土壤对应了三个不同的颜色浓度曲线。m o r r i s 和m o o n e y 3 9 】通过分析图像参数的临界值得到了四个不同的浓度梯度。w e i l e r 和f l u h l e r 4 0 】用了一个更复杂的方法将染色土壤分为三个浓度范围。a e b y 等【4 1 】 和v a n d e r b o r g h t 等【4 2 】用荧光颜料得到了类似于f o r r e r ( 1 9 9 7 ) 的数学关系。荧光 染料的优势在于可以同时进行不同的染料示踪试验。然而也需要较高级的设备， 包括特殊的灯以及光学过滤器。 在国内，探讨用图像采集方法进行溶质运移实验的文章还很少，目前只有 谈叶飞、周志芳【4 3 】等探讨了不同浓度高锰酸钾溶液的数字图像r g b 识别方法， 并将此方法运用到标准砂介质中高锰酸钾溶液浓度的拟合识别。 1 2 3 待解决的问题 在国内外，大多数研究有色示踪剂数字图像识别与处理的文献止步于得到 4 溶质浓度与图像r g b 的数学关系式，用成像技术作为实验手段来研究溶质运移 规律的报道较少，在国内尚未得到重用。 基岩裂隙地下水的溶质n o n f i c k i a n 运移问题，在理论研究和实验模拟方 面有以下几个问题需要进一步深入研究： 1 ) 基岩地下水溶质n o n f i c k i a n 运移机理研究； 2 ) 地下水溶质n o n f i c k i a n 运移的基岩裂隙物理模型研究： 3 ) 基岩地下水溶质n o n f i c k i a n 运移模拟技术研究； 4 ) 近年来关于裂隙面的粗糙度对溶质运移的影响，诸如穿透曲线出现的多 峰、拖尾现象以及弥散系数尺度效应的研究还没形成定论而处于理论 与实验研究阶段】； 5 ) 基岩地下水非线性流与溶质n o n f i c k i a n 运移关系的研究。 需要说明的是：基岩介质具有强烈非均质性，基于非线性流的n o n f i c k i a n 运移目前尚处于起步阶段，开展基岩地下水基于非线性流的溶质n o n f i c k i a n 运移机理与模拟研究具有开拓性，对地下水污染防治学科发展具有基础理论意 义；对人类供水安全及生境保护具有现实意义。 1 3 本文研究内容 本文得到国家自然科学基金项目( n o ：4 0 8 7 2 1 6 6 ) 以及合肥工业大学创新 群体项目( 2 0 0 9 h g c x 0 2 3 3 ) 支持，在总结和归纳粗糙裂隙中溶质运移研究进展 的基础上，设计实验室物理模型，使用有色示踪剂亮蓝作为示踪材料，采用成 像法采集溶质运移图像，研究粗糙裂隙溶质运移规律。本文溶质运移部分研究 是在孙莉琴同学水流非线性相关研究的基础上进行的，主要内容如下： 1 ) 建立物理模型，分别进行标准校正试验和溶质运移实验，实验过程中用 数码相机采集图像； 2 ) 分析标准校正试验过程采集的图像r g b 值与溶质浓度的关系，拟合得到 颜色一浓度标准校正曲线； 3 ) 观察溶质运移过程采集的图像，总结出导致粗糙裂隙中溶质非费克运移 污染羽形状及状态发生变化的影响因素； 4 ) 提取溶质运移过程所采集图像的r g b 值，代入相应的标准校正曲线方 程，得到溶质穿透曲线( b t c ) ； 5 ) 分别用a d e 模型和c t r w 理论中的t p l 模型拟合溶质穿透曲线，比较 两者的拟合结果，从而进行机理解释； 6 ) 研究裂隙粗糙度、裂隙产状以及水流流态、流速对溶质非费克运移的影 响： 第二章相关理论基础 2 1 粗糙裂隙的物理性质 单一裂隙是构成岩体裂隙网络的基本元素，其张开度、粗糙度、起伏度等 几何参数是确定裂隙渗透系数的- 丰要因素，是岩体渗流场计算和分析不可缺少 的参数，所以裂隙的几何参数是首要研究的任务。 2 1 1 开启度 裂隙开启度( 即裂隙隙宽、裂隙面的张开度) 是岩体受张拉应力作用或结构 面剪切位移导致岩石破裂扩张造成的，指裂隙结构面相邻岩壁间的垂直距离， 如果岩壁间充填有粘土或者其它填充物质则包括填充物的结构面宽度，是表征 裂隙渗透性一个重要几何参数。隙宽通常有以下几种不同的量化指标： ( 1 ) 平均隙宽是指各测点隙宽的平均值。可用裂隙容水体积与渗径之比，平 均隙宽需要了解整个裂隙面的凹凸分布情况，它的计算式如下： 萨。生( 2 - 1 1 ) 萨雨 其中e 是裂隙的平均隙宽，f 是裂隙中水的总体积( m 3 ) ，1 2 ( h l + h 2 ) 是 裂隙的平均宽度( m ) ，是裂隙的长度( m ) 。 ( 2 ) 机械隙宽。从初始零应力状态开始，裂隙在受压过程中的最大闭合值为 最大机械隙宽口埘似。从初始零应力状态开始，裂隙受压应力作用发生闭合，闭 合量为厶口。于是，机械隙宽a m = 口朋甜厶a 。机械隙宽需要先测量出最大机械隙 宽a m 似。 ( 3 ) 等效水力隙宽是为了应用立方定理于粗糙或隙宽不等的裂隙而提出的 概念，可通过将试验所得的单宽流量带入立方定理求得，需要测量裂隙的实际 ( 4 ) 根据裂隙水流运动的一般规律，较窄的裂隙段和较高的凸起度是控制过 流能力的主要因素，而现有的计算方法忽略了这一点。由此许光祥 4 4 1 提出了频 率隙宽的概念，它具有表征隙宽分布情况、均匀程度、充分体现隙宽组成等重 要意义。特别是频率水力隙宽的提出，为解决现有隙宽应用中出现的局限性具 有极大的帮助作用。借助现有研究成果，通过实例分析得到，水力隙宽e h 基 本与中值隙宽e j d 相应。再通过随机裂隙的计算机有限元模拟，得到频率水力 对于光滑平行板单裂隙，这几种隙宽值是相等的；而对于实际粗糙裂隙， 它们通常是不等的，因此在运用含有隙宽的相关公式时需要注明其中隙宽所指 6 2 1 2 粗糙度 裂隙面粗糙程度对裂隙过流能力有重要的影响。粗糙度的量化是描述粗糙 裂隙中水流与溶质运移特征的基础，粗糙度是指裂隙结构面侧壁的粗糙程度， 一般用裂隙面起伏差、节理粗糙度系数j r c 和分数维d 等等来表 3 0 - 3 2 j 。 ( 1 ) 采用裂隙面起伏差衡量裂隙粗糙度是直接以裂隙表面的凸起高度函数 或凸起高度的概率密度函数来描述裂隙表