第九届青年地学论坛

探究裂隙介质中的溶质运移对于许多水文地质过程和地下工程应用都很重要。目前，回流区和相应的主流动通道已被广泛认为是可捕集溶质的低速区和促进溶质运移优先路径，可以解释裂隙介质中简单的异常溶质运移现象，即穿透曲线的拖尾和早到现象。然而，回流区与更复杂的异常溶质运移现象（如多峰穿透曲线和波动拖尾现象）之间的直接关系一直难以确定。这可能是由于裂隙中回流区的演化以及回流区和主流动通道间传质过程研究的局限性，即随雷诺数（Re）增大而单调增加的回流区体积(S_v)和扩散主导的回流区与主流道间的传质过程。
在这项研究中，我们系统地生成了一系列具有不同几何属性的二维和三维粗糙单裂隙，以模拟在宽雷诺数范围条件下（Re = 0 ~ 426.88）回流区的演化及其对溶质运移的影响机制。我们使用回流区体积增长速率参数（dS_v/dRe）将回流区随Re的演化分为三个阶段：dS_v/dRe增加的快速生长阶段（阶段I）、dS_v/dRe减少的缓慢生长阶段（阶段II）和dS_v/dRe为常数的完全发育阶段（阶段III）。随着Re的增大，由于回流区内部对流作用增强，回流区和主流区之间的传质模式从阶段I的扩散主导转变为阶段II的对流主导传质。传质模式由扩散主导向对流主导的转变将回流区和主流道间的传质速率（α）增强了5 – 20倍。在阶段II，溶质在进入回流区前以层状结构滞留在回流区和主流道间的界面上，这里称为溶质“膜”。溶质“膜”和回流区捕获溶质的共同作用导致了多峰穿透曲线的形成并加强了拖尾程度。在阶段III，回流区和主流道界面周围的强对流传质驱动了滞留溶质的快速消散，溶质“膜”无法形成，这反过来又导致穿透曲线的多峰消失，并削弱了拖尾程度。这项研究揭示了回流区演化对微观流场中溶质运移过程的影响，加深了对粗糙裂隙中异常溶质运移机制的理解。
 

粗糙单裂隙,回流区,溶质运移,传质速率