复杂区域尺度裂隙网络中溶质运移模拟的创新升尺度方法：高效精准的UFN模型构建与应用

本研究针对裂隙含水层中传统连续介质方法精度不足与离散裂隙网络(DFN)计算量大的瓶颈问题，开发了升尺度裂隙网络(UFN)模型。通过将复杂裂隙网络离散化为基本体积单元(EV-FN)，结合随机游走粒子追踪(RWPT)技术识别流道(FC)，该模型在保持DFN精度的同时提升85%计算效率，为区域尺度地下水污染模拟提供了兼具高效性与准确性的新工具。

　　

在全球水资源危机背景下，裂隙含水层作为重要的地下水储集空间，其溶质运移规律研究对污染物防控至关重要。传统模拟方法陷入两难困境：等效连续介质方法因参数均质化难以捕捉裂隙网络的异质性特征，而离散裂隙网络(DFN)模型虽精度高却受限于计算资源，难以应用于区域尺度。这种矛盾在放射性废物处置、垃圾渗滤液渗透等涉及大尺度污染物迁移的场景中尤为突出，亟需开发兼顾精度与效率的新型模拟方法。

麦克马斯特大学的研究团队在《Environmental Modelling》发表的研究中，创新性提出升尺度裂隙网络(Upscaled Fracture Network, UFN)模型。该工作通过三级建模策略：首先将微观尺度DFN(约200m×200m)划分为代表基本体积的EV-FN单元，采用随机游走粒子追踪(RWPT)识别流道(FC)；继而将FC特征升尺度至宏观网络；最终通过卷积运算构建区域尺度突破曲线(BTC)。验证显示该模型与全DFN模拟的拟合度达r²>0.99，计算耗时减少85%，成功实现了"微观精度"与"宏观效率"的统一。

关键技术包括：(1)基于立方定律的稳态流动模拟计算裂隙交点的水力压头；(2)采用完全混合(CM)准则处理裂隙交叉处的溶质分配；(3)构建两级查找表存储EV-FN质量分数与EV-FC传质概率；(4)通过数值卷积实现跨尺度BTC预测。研究选用1000m×1000m区域尺度网络，设置0.01m/m水力梯度，对比了α_L=1m与5m两种分散度下的运移特征。

研究结果揭示：

1. 模型验证：在微观DFN中，UFN模型对东边界BTC的预测与RWPT结果高度吻合(r²=0.9923@α_L=1m)，证明FC网络能有效保留原始DFN的运移特征。异常的是，α_L=5m时东边界BTC出现"早到现象"，这源于分散作用增强导致溶质前锋加速。

2. EV-FN尺寸效应：当单元尺寸小于33m时，均方根误差(RMSE)超过0.05的阈值，表明代表基本体积(REV)需包含足够统计量的裂隙才能保持网络属性。这一发现为升尺度过程中的空间离散化提供了量化标准。

3. 宏观质量分布：在区域尺度模拟中，88%溶质沿水力梯度方向运移至东边界，α_L从1m增至5m使南边界质量分数增加而北边界减少，揭示分散度对运移路径选择的调控作用。值得注意的是，宏观尺度下α_L=5m的BTC斜率正常降低，与微观尺度反常现象形成对比，说明流径长度对分散效应具有放大作用。

该研究的突破性在于：首先，UFN模型首次实现了DFN精度与连续介质效率的结合，通过FC网络保留裂隙几何异质性，避免传统升尺度方法的参数均化偏差；其次，模块化设计使其可灵活整合基质扩散等复杂过程，这是常规连续模型难以实现的；最后，85%的计算效率提升使区域尺度DFN应用成为可能。

研究同时指出未来方向：当前模型基于二维均质网络开发，对三维各向异性网络的适用性需进一步验证。作者建议通过分区建模处理大尺度非均质性，并扩展EV-FC库以涵盖更多流向配置。这些发现为地下水资源管理、污染物风险评估提供了新工具，特别在核废料处置等长周期、大尺度场景中具有重要应用价值。