地下水污染物在高度非均质介质中的迁移过程:机理与数值模拟综述

天然含水层通常具有复杂的物理和化学非均质性,是污染物迁移、转化等动力学过程的关键控制因素,对受污染地下水的修复造成了极大挑战.含水层介质的非均质性通常会导致污染物在地下水中呈现出明显的所谓"反常迁移(Anomalous Transport)"特征,与基于菲克定律的传统对流-弥散方程所描述的现象相去甚远.反常迁移亦被称为非菲克弥散(Non-Fickian Dispersion)或广义上的"反常扩散",可以用来解释导致地下水污染在时间上持续恶化、在空间上快速扩展的水文地质机理.其控制过程为:一方面,污染物通过分子扩散、化学吸附等质量交换作用,从高渗透性区域进入并滞留在低渗透率基质中,再经分子扩散等过程缓慢回放,造成次弥散型反常迁移,导致水质长期缓慢恶化;另一方面,部分污染物沿着相互连通的优先水流通道迅速传输,造成超弥散型反常迁移,导致污染由点到面快速扩展.同时,介质非均质性也是制约污染修复效率的重要因素,而地下水修复技术的开发、应用、评估,通常基于传统对流-弥散方程预测出的菲克弥散过程.非菲克弥散对污染物迁移过程和修复效率的控制作用及其预测评估,尚缺乏深入和系统分析.本文针对地质介质非均质性导致的非菲克弥散现象以及效应进行综述,总结了地下水污染物在高度非均质介质中迁移转化的规律和认知,以及针对非菲克弥散特征的数学模拟研究前沿.同时,本文分析了已有研究不足,讨论了促进含水层非均质性及非菲克弥散机理和模拟应用发展的重要研究方向.