[发明专利]一种量化复杂介质中溶质运移多尺度特征的方法

说明书

本发明公开了一种量化复杂介质中溶质运移多尺度特征的方法，包括选定具体复杂介质中溶质运移过程作为研究对象，确定试验条件，观察溶质粒子的运动轨迹，获得溶质粒子均方位移的试验数据R，R是当运动时间为t时，所有粒子t时刻的位置x与各自初始点的距离的平均值的集合；根据分布阶分形导数模型或其等价形式，推导溶质运移的多尺度运移率；结合溶质粒子均方位移的试验数据R，计算多尺度运移率中参数的值c；根据参数c的值，得到复杂介质中溶质运移的多尺度特征，对溶质运移过程分类。本发明有广泛的工程应用前景，可用于污染物运移的预测、评估和治理等。与现有的模型或技术相比，更便于工程使用。

技术领域

本发明涉及环境流体中尺度特征计算方法，特别是涉及一种量化复杂介质中溶质运移多尺度特征的方法。

背景技术

污染物在土壤、裂隙岩体、混凝土等复杂介质中的运移过程是环境流体领域中重要的工程问题，例如核废料的深地质贮存、垃圾填埋场的污水下渗、输油管道老化引起的渗漏、海水入侵等导致地下水受到了严重污染。明确复杂介质中溶质运移的规律，可以为污染物运移过程的控制，污染水土的修复治理，自然资源的合理开发和可持续利用等方面提供有效的方法。

通常情况下，复杂介质为非均质、各向异性，其内部溶质的运动为非菲克运移，即不满足经典的菲克定律。反常运移是描述溶质非菲克运移的主要途径之一，反常运移中溶质粒子的均方位移为时间的幂律函数，而不是菲克运移对应时间的线性函数。溶质粒子均方位移对应的规律称为运移率。存在溶质运移过程的运移率并不总是时间的单尺度幂律函数，例如特慢溶质运移对应的运移率为时间的对数函数或逆Mittag-Leffler函数，结构导数运移模型已用于描述这类扩散过程。此外，大量实验表明非菲克溶质迁移往往也存在多尺度特征，不能通过单尺度迁移率描述非菲克溶质迁移多尺度特征。

在国内外，已有多项技术应用于复杂介质中溶质的非菲克运移，如发明专利CN201710140574.2“一种氯离子在混凝土中反常扩散动态数据重构的分形导数模拟方法”基于分形导数模型，模拟反常扩散单尺度特征；发明专利CN201410665783.5“一种基于离散分数阶差分的反常扩散模拟方法”通过离散的分数阶差分方法对反常扩散进行模拟；US14772912“Fractional order and entropy bio-markers for biological tissue indiffusion weighted magnetic resonance imaging”给出了一种确定生物组织中非正常扩散分数阶导数模型；发明专利CN201410648078.4“一种模拟地下水一维溶质运移过程的方法”根据马尔可夫链的性质，结合随机行走模型，模拟地下水溶质运移过程。

上述现有的专利技术方法，仅能描述复杂介质中非菲克运移的单尺度特征，不能刻画多尺度特征。目前已有一些方法能够描述复杂介质中溶质非菲克运移的多尺度特征，如变阶数分形导数模型，变阶数分数阶导数模型，随机阶分数阶导数模型，分布阶分数阶导数模型等，但这些方法比较复杂，计算量大，不便于工程应用。因此，需要一种新的量化复杂介质中溶质运移多尺度特征的方法，以解决上述问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，提供一种可准确量化复杂介质中溶质运移多尺度特征的方法。

技术方案：本发明提供了一种量化复杂介质中溶质运移多尺度特征的方法，包括以下步骤：

(1)选定具体复杂介质中溶质运移过程作为研究对象，确定试验条件，观察溶质粒子的运动轨迹，获得溶质粒子均方位移的试验数据R，R是当运动时间为t时，所有粒子t时刻的位置x与各自初始点的距离的平均值的集合；

(2)根据分布阶分形导数模型或其等价形式，推导溶质运移的多尺度运移率；

(3)结合步骤(1)中溶质粒子均方位移的试验数据R，计算步骤(2)中多尺度运移率中参数的值c；

(4)根据步骤(3)中得到的多尺度运移率中参数的值c，得到复杂介质中溶质运移的多尺度特征，对溶质运移过程分类。