地球科学｜编委吴吉春团队文章：多孔介质固体颗粒粒径特征及膨胀作用对地下水孔隙尺度流场特征的影响

学术科学 2024-09-02 00:00 湖北

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地下水孔隙尺度流场特征的研究对于深入理解地下水渗流、溶质运移具有重要意义.目前固体颗粒粒径特征不同时介质微观结构对孔隙尺度流场的影响尚不清楚.基于迭代重排算法构建了固体颗粒粒径分布特征、膨胀程度不同的多孔介质，基于此研究了固体颗粒平均粒径、粒径方差及膨胀作用对地下水流场特征的影响.结果表明，在介质孔隙率相同的条件下，固体颗粒平均粒径、粒径方差对多孔介质中流速的非均质性、速度概率密度分布等流场特征影响较小.而在同一介质中，当固体颗粒膨胀引起孔隙率减小时，平均粒径较小幅度的变化就会对以上流场特征产生显著影响.例如当固体颗粒膨胀程度增强时，粒径小幅度的增大，就会导致流场中优势流区和不流动区比例同时大幅度增加，流场非均质性显著增强，流速概率密度分布更加发散.

本文运用迭代重排算法构建了多孔介质孔隙尺度结构，结合数值模拟方法在孔隙尺度上分析了多孔介质固体颗粒粒径特征及固体颗粒膨胀作用对流场特征的影响.最终得到以下结论：

（1）在介质孔隙率不变的条件下，固体颗粒平均粒径的变化对流场特征影响较小.比如当孔隙率在0.5±0.01范围内时，随着固体颗粒平均粒径从0.23 mm增大到0.74 mm，流场的非均质性以及优势流区、不流动区占比基本不变.但是，当固体颗粒粒径增大引起孔隙率减小时，即固体颗粒膨胀作用增强时，即便固体颗粒空间排列、拓扑结构保持不变，固体颗粒粒径小幅度的增加就会对流场的空间非均质性以及优势流区域、不流动区域占比产生显著影响.固体颗粒平均粒径增大、孔隙率减小时，流速概率密度分布更加发散，流场中接近平均流速的区域占比逐渐减小，而远大于平均流速和远小于平均流速的优势流区域及不流动区占比显著增加.比如随着固体颗粒膨胀程度从𝑇1=0增𝑇5=0.285，固体颗粒平均粒径仅增加了0.06 mm（从0.74 mm增大到0.80 mm），优势流区占比就扩大了6倍，从0.4%增大至2.59%，不流动区占比从3.5%增至8.1%.这是因为固体颗粒的膨胀作用增强，多孔介质的孔隙度减小，会进一步压缩流体的流动空间，导致流道变窄、孔喉增多，从而导致在部分孔喉区域形成不流动区.同时，随着流体流动难度的加大，流体会优先汇入连通性较好的优势渗流通道快速流动，从而导致优势流区的占比同时显著增大.

（2）粒径方差控制下的分选度差异不会显著影响多孔介质中地下水流场特征.随着固体颗粒粒径方差的增大，沿流体主要流动方向和垂直于流体主要流动方向上的流速分量概率密度分布函数没有明显的差异，且流速的变异系数并没有表现出与粒径方差趋势性变化的显著相关性.这主要是因为粒径方差的变化并未导致多孔介质内孔隙特征的显著变化，其变化前后介质内的孔隙连通性基本维持不变，流速分布较为均匀.

本文在孔隙尺度揭示了固体颗粒粒径大小、分选度及固体颗粒膨胀作用对地下水流场特征的影响，丰富了对流场变化微观机理的研究，可为深入研究多孔介质中地下水渗流现象、溶质运移行为及其内在机理提供参考.另外，含水介质膨胀强度受矿物组成等自身特性及温度等环境因素的影响，具有较大的变化范围.本文关于膨胀作用对渗流场影响的研究，主要关注于粒径增大但孔隙基本拓扑结构不变，即膨胀作用处于固体颗粒发生膨胀且尚未胶结的强度范围内.更强程度的膨胀作用对渗流场的影响尚需进一步研究.

图1 基于迭代重排算法构建的多孔介质模型（灰色为孔隙部分，白色为固体颗粒）

图2 固体颗粒平均粒径不同的多孔介质中粒径概率密度分布

图3 固体颗粒粒径方差不同的多孔介质中流速概率密度分布

文章刊登在《地球科学》第49卷第7期

侯玉松, 刘苏, 辛虎, 吴吉春, 胡晓农, 邢立亭, 2024. 多孔介质固体颗粒粒径特征及膨胀作用对地下水孔隙尺度流场特征的影响. 地球科学, 49(7): 2589-2599. doi: 10.3799/dqkx.2023.107

Hou Yusong, Liu Su, Xin Hu, Wu Jichun, Hu Xiaonong, Xing Liting, 2024. Influence of Particle Size Characteristics and Swelling of Solid Particles in Porous Media on Pore-Scale Flow Field Characteristics of Groundwater. Earth Science, 49(7): 2589-2599. doi: 10.3799/dqkx.2023.107

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