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第一作者：尹茂生 助理研究员（宁波东方理工大学（暂名）、南方科技大学）

通讯作者：郑春苗 讲席教授（宁波东方理工大学（暂名）、南方科技大学）

论文DOI: 10.1016/j.watres.2024.122383

图文摘要

成果简介

近日，宁波东方理工大学（暂名）郑春苗教授团队在Water Research上发表了题为“Experimental and Modeling
Insights into Mixing-Limited Reactive Transport in Heterogeneous Porous Media:
Role of Stagnant Zones”的研究论文(DOI: 10.1016/j.watres.2024.122383)，对非均质多孔介质中的混合限制化学反应迁移过程规律展开研究，利用基于视觉图像识别的高分辨率连续监测方法对多孔介质中的保守性示踪剂和混合反应性示踪剂的迁移过程进行观测，结合高精度三维数值模拟方法揭示了多孔介质非均质性对溶质混合反应迁移过程的影响机理。研究人员分别研究了介质非均质性、多孔介质粒径和水动力条件等不同因素对溶质混合反应运移过程的影响机理。

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天然含水介质普遍存在非均质性，并对地下水中溶质的反应迁移过程有重要影响。本研究利用具有显色特征的双分子化学反应和基于视觉图像识别的示踪剂浓度观测方法探究了非均质多孔介质中的混合反应迁移规律，并结合数值模型研究了含水介质滞留区（不动区）、颗粒粒径大小和水动力条件对溶质混合反应过程的影响。结果表明，在非均质多孔介质的动区（Mobile zone）和不动区（Immobile zone）中会形成两种不同类型的溶质混合界面并主导溶质混合反应迁移过程。

引言

尽管溶质在非均质多孔介质中的混合反应过程对认识和理解地下水中物质迁移转化行为极为重要，但相关的研究报道十分有限。本研究采用具有显色特征的双分子反应性示踪剂在有机玻璃箱中开展了溶质混合反应迁移实验，利用高分辨率相机对溶质混合反应过程进行了连续监测，并结合三维数值模型深入探究了非均质多孔介质中的溶质混合反应迁移规律。

图文导读

实验装置

Fig. 1. The
experimental setup and plan view of the chamber structures.

实验装置包含溶液注入、有机玻璃箱、高分辨率相机及电脑、水流出口和LED灯源等几个部分（Fig. 1）。实验共设计3种有机玻璃箱，其中有机玻璃箱A代表均匀介质，有机玻璃箱B和有机玻璃箱C通过引入内部格挡墙在箱体内部形成不动区或低流速区。上述3种有机玻璃箱会均匀填充2毫米或6毫米透明玻璃珠，用以研究颗粒粒径对溶质运移过程的影响。双分子混合反应迁移实验使用的示踪剂为和。当两种溶液发生混合时会发生化学反应：, 生成深蓝色的溶液。位于有机玻璃箱上方的高分辨率相机可以连续捕捉有机玻璃箱所在区域的光强度变化，并以此计算的浓度。本研究还使用亮蓝（BBF）作为保守性示踪剂开展了溶质运移实验作为对照组。

图像处理

Fig. 2. The plume of  at t=200
s after  injection
during the bimolecular reactive transport experiment (plan view). The experiment
was conducted in chamber B filled with 2 mm glass beads. The results are calculated
without (a) and with (b) the light intensity compensation method. Plot (c)
shows the concentration difference between the uncorrected and corrected plumes.

双分子反应运移实验中的反应物本身是淡蓝色溶液，会对生成物的观测产生干扰。本研究采用了一种基于预实验的光补偿方法对的观测结果进行了修正，提高了观测结果的准确性。

保守性示踪剂在非均质多孔介质中的迁移

Fig. 3. The observed plumes (a) and
BTCs (b) of the BBF tracer experiment in chambers A, B, and C. The solid lines
represent simulated results, while the symbols represent observed results (b).
The plume snapshot is captured at t = 100 s after the injection of the tracer.
The inflow rates are 0.5 ml/s.

溶质运移过程中会有相当一部分溶质滞留在不动区，造成溶质羽的拖尾特征。不动区空间占比越大，溶质运移过程中的拖尾特征越明显。此外，颗粒粒径同样对溶质运移产生显著影响。

水动力条件对溶质反应运移过程的影响

Fig. 4. The
observed BTCs of BBF and  in
Chamber C filled with 2 mm glass beads at different flow rates. The abscissa of
BTCs in (a) and (c) was transformed into pore volume (PV) and shown in (b) and
(d). PV was calculated using ,
where  represents the inflow rate, is the chamber volume, andis the porosity. Copyright 2019, Elsevier Inc.

根据观测到的溶质穿透曲线，流速越慢穿透曲线的拖尾特征越明显，表明溶质在不动区中的滞留时间越久。然而，将溶质穿透曲线的横坐标由时间Time转化为孔隙体积PV后，不同流速下的穿透曲线之间的差异变得非常微小。这是由于实验中的溶质运移为对流作用占优过程，且水动力弥散与流速呈正比例关系，表明溶质在可动区和不动区的运移过程以及质量交换过程主要是对流和水动力弥散控制。

非均质多孔介质中的混合反应迁移

Fig. 5. The observed plume of  in different chambers filled with 2 mm glass
beads at t=150 s after the  injection
(a); schematic diagram illustrating mixing and reaction in the heterogeneous
media with a stagnant zone (b); and observed and simulated BTCs of  in
different chambers at various locations (c).  Copyright 2019, Elsevier Inc.

实验观测结果表明，双分子运移过程中会在动区和不动区形成两种不同的混合界面，并导致生成物穿透曲线出现双峰特征。数值模拟结果表明，大颗粒粒径玻璃珠会导致溶质更复杂的混合反应运移行为，造成模拟结果和观测结果之间的差异。

孔隙尺度非均质对溶质反应运移过程的影响

Fig. 6. Observed versus simulated plumes of  at 200 s
after injection
(plan view) for 2 mm glass beads (a) and 6 mm glass beads (b). Copyright 2019, Elsevier Inc.

数值模型可以较大程度上模拟溶质在有机玻璃箱中的混合反应过程，但难以刻画孔隙尺度非均质对溶质混合反应过程的影响。此外，大颗粒玻璃珠（6 mm）会导致更显著的孔隙尺度非均质特征，对模型模拟造成挑战。

Fig. 7. The volume-averaged mass concentration of  across
the entire chamber.

实验结果表明含有低流速区的非均质多孔介质初期溶质混合反应速率明显低于均匀多孔介质。这主要是由于非均质多孔介质中较大空间被不动区占据，而不动区中溶质混合反应速率缓慢。然而，非均质多孔介质中溶质混合反应的持续时间相对均匀介质有极大延长，会导致更多反应生成物的产生。这一实验现象为非均质含水层中地下水污染原位修复工程实践中出现的修复效率较低和污染反弹提供了机理解释。

小结

本研究利用基于视觉图像识别的溶质混合反应实验和高精度数值模拟技术对非均质多孔介质中的溶质混合反应运移规律进行深入研究。结果表明非均质介质中动区和不动区中会形成两种不同的混合反应界面，并导致溶质穿透曲线出现双峰特征。动区中混合反应界面主要受对流作用和水动力弥散的控制，而不动区中混合反应界面主要受控于水动力弥散或分子扩散。相对于均匀介质，由于不动区的存在，非均质多孔介质中的溶质混合反应速率会明显偏低，但混合反应持续时间会被极大延长。多孔介质颗粒粒径增大会导致孔隙尺度非均质性增强，对溶质混合反应模型的模拟预测造成挑战。

作者介绍

第一作者： 尹茂生 博士，宁波东方理工大学（暂名）助理研究员。主要研究领域为地下水中溶质反应迁移模拟，分数阶导数模型在水文学中的开发与应用，海岸带水流和盐分运移模拟，在Water
Research、Water Resources Research、Journal
of Hydrology 等水文学国际权威期刊发表学术论文20余篇，主持和参与多项国家自然科学基金和国家重点研发计划课题研究。

通讯作者：郑春苗 博士，宁波东方理工大学（暂名）讲席教授、副校长，美国地球物理联合会(AGU)会士。出版专著6部，发表SCI论文 450 余篇，研究涉及地下水污染机理与修复技术、流域生态–水文–环境过程、以及全球变化与新污染物对水资源可持续利用的影响。开发了地下水污染模拟标准软件 MT3D 和MT3DMS，在100多个国家得到广泛使用。学术荣誉包括美国地下水协会John Hem 杰出贡献奖(1998)和M.King
Hubbert奖(2013)、美国地质学会Birdsall-Dreiss杰出讲席奖(2009)和O.E.
Meinzer 奖(2013)。2024年荣获沙特阿卜杜勒王子国际水奖(Prince Sultan Bin Abdulaziz International Prize for
Water)。

参考文献：

M. Yin, M. Lancia, Y. Zhang, W. Qiu, C. Zheng, Experimental
and modeling insights into mixing-limited reactive transport in heterogeneous
porous media: Role of stagnant zones, Water Research, 2024, 122383

文章链接: 

https://www./science/article/abs/pii/S004313542401282X