井内混合效应与尺度效应对注入井附近溶质径向弥散过程的影响

径向弥散是指溶质在径向流场下的迁移规律,被广泛用于描述含水层修复领域中污染物的迁移过程.然而,在现有描述径向弥散的模型中,往往忽略了井内混合效应对溶质径向弥散的影响.建立新的注入井附近溶质径向运移动力学模型,同时考虑井内混合效应与弥散度的尺度效应.采用Laplace变换推导该模型的半解析解,利用Stehfest数值逆变换获取溶质在实数空间的解.通过与不考虑混合效应的模型对比研究混合效应对溶质径向弥散的影响,并利用室内渗流槽中的溶质径向弥散实验数据验证模型的合理性与适用性.结果表明:混合效应和尺度效应对注水井附近溶质径向弥散有显著影响.具体地讲,井内的混合效应越显著,在井壁处及含水层中的穿透曲线越低,溶质浓度达到峰值所需时间越长,与不考虑混合效应模型的差异越明显;随尺度效应的增强,溶质提前穿透且扩散范围变大,溶质浓度达到峰值所需时间越长;与前人的模型相比,本研究模型能更好地模拟注水井附近的溶质径向弥散问题.      

裂隙网络管道模型弥散试验

为了探求不同裂隙几何参数对裂隙网络溶质运移的影响,基于离散裂隙网络思想和优势流、沟槽流理论,建立裂隙管道网络概念模型,搭建不同管径、不同连通方式的管道网络试验装置,进行渗流和溶质运移实验。运用应用广泛的模拟软件CHEMFLO-2000建立等效多孔介质模型,拟合不同几何参数下等效弥散度,定量刻画不同管道网络几何参数对溶质运移的影响,讨论了不同管径、连通方式等与等效弥散度之间的关系。通过进一步分析得出:在连通方式相同的情况下,不同管径的管道网络等效弥散度存在差异,但是差异不大;溶质在小管径中的穿透时间短于大管径,穿透曲线缓和程度相差不大;管道网络连通方式越复杂,其等效弥散度越大、对溶质运移的影响越大、穿透曲线越缓和、路径越长,等效弥散度越大;用这种等效弥散度的方法表征管道网络对溶质运移的影响,与多孔介质弥散度具有相似性;管道数目、管道面数目与等效弥散度成正相关关系,且等效弥散度随尺度的增大而增加。     

含水层中弥散系数的尺度效应

为确定研究区含水层的弥散系数,进一步开展咸水体运移的数值模拟,根据研究区的地质背景和水文地质条件,针对含水层中咸水体分布格局设计并开展了示踪试验。利用试验获得的数据初步分析了咸水体垂向和横向运移特征,提出了依赖于单尺度示踪试验结果推求多尺度下弥散系数的内推-外延法,据此计算了试验尺度上的弥散系数。示踪试验结果直观地反映了咸水体对抽水井中氯离子质量浓度的影响,确定了试验尺度上的横向弥散度为7.42 m,垂向弥散度为41.4 m。基于弥散方程的解析解,采用半程拟合的方法进行尺度效应的分析,确立了横向及垂向弥散度与试验尺度关系分别为y=0.007 5·e^{0.129 3x}和y=0.102 9e^{0.049 2x}。根据上述定量关系可进行同类地区相似条件下的弥散系数计算和尺度效应分析,从而为进一步开展咸淡水交互地带水盐运移的模拟和预测提供参数基础。     

地下水观测井井筒效应的多场耦合数值模拟

利用3种不同水流运移方程分别模拟井管附近不同区域的水流运动, 基于流量守恒原理实现不同流态区域边界的耦合, 建立了有代表性的观测井-含水层系统场景; 利用建立的耦合模型模拟了观测井-含水层系统中水头的分布, 基于模型模拟数据分析了观测井井筒存在对含水层局部水头分布及地下水水质采样和环境监测结果的影响; 还分析了地下水三维水流强度、观测井井径以及含水层介质参数等对井筒效应的影响规律: 井筒效应在粘土等渗透系数和比单位贮水系数相对较小的含水层介质中更为明显, 其影响随着三维水流强度及观测井井径的增加而增大; 进行了上述参数的敏感性分析, 指出对于同一参数其在不同区间的敏感性比例不同, 对于不同参数观测井井径的敏感性比例最大, 因此在地下水环境监测的工程实践中减小观测井井径是相对快速且有效提高监测和采样精度的方法.      

弯曲岩溶管道溶质运移的尺度效应研究

岩溶管道溶质运移的尺度效应研究对穿透曲线的正确解译非常重要,但目前针对单一弯曲管道中溶质运移尺度效应的研究仍比较缺乏。文章将岩溶管道和溶潭分别概化为透明软管和水箱,基于前期建立的水箱-管道系统(简称“管道系统”),在水箱下游设置不同长度的弯曲管道,通过示踪试验研究管道运移尺度对穿透曲线的影响,并采用暂时存储模型模拟试验曲线。结果表明：(1)随着水箱下游管道长度的增加,峰值质量浓度逐渐缓慢降低,穿透曲线上升段斜率无明显变化,穿透曲线拖尾逐渐缩短,表明运移管道长度增加对溶质运移的影响大于下游管道弯曲;(2)穿透曲线偏度系数、后段溶质羽穿透时间和溶质羽穿透时间与管道系统长度呈良好的负线性相关关系(R²>0.96);(3)当对称和不对称水箱管道系统长度分别增加至154.5 m和164.3 m时,偏度系数接近0,穿透曲线分布接近对称;(4)弥散系数、存储区截面积和交换系数与管道系统长度呈良好的负线性相关关系,当对称和不对称水箱管道系统长度分别增加至159.9 m和178.1 m时,存储区截面积接近0,水箱导致的溶质运移滞后效应基本消失。研究结果对野外岩溶管道穿透曲线的...     

小尺度含水层热量运移试验研究及热弥散效应评估

将小尺度含水层热机械弥散系数模型应用于对流弥散传热过程中,推导了该条件下对流弥散热量运移的解析解,结合试验进行验证,对含水层热弥散效应进行评估,结果表明,热机械弥散系数等于1×10-2 W/(m?°C)可以作为热弥散对温度场影响的临界点,从而将热机械弥散系数的分布划分为不可忽略的三角区域和可以忽略的多边形区域;明确了自然含水层结构条件下纵向热弥散度范围,从小尺度的热弥散研究结果来看,纵向热弥散度最大值为厘米数量级,它与野外大尺度条件下热弥散度的研究成果有着显著差异,表明热弥散尺度效应的存在,这将是进一步开展研究工作的方向。     

饱和黏性土中污染物运移一维模型试验研究

基于一维室内模型试验,以氯化钠溶液来模拟可溶性污染物,以饱和黏性土为介质,研究了污染物在饱和黏性土中的运移规律,分析了渗透路径的增加导致穿透曲线的相关变化,提出了弥散系数的测定方法。结果表明,随着渗透路径的增加弥散系数逐渐增大,同时证明了污染物与饱和黏性土在接触时间较短的情况下,依然存在较明显的离子的吸附解吸现象。为污染物运移模型的研究及场地的污染情况预测提供参考。     

裂隙岩体地下水溶质运移的尺度问题

核废料的安全贮存、地下污染的预测控制等目前面临的许多重大问题要求对大尺度裂隙岩体地下水溶质运移问题进行研究,然而裂隙岩体地下水溶质运移问题的尺度效应给这项研究带来了极大的挑战.本文介绍了裂隙岩体地下水溶质运移的多尺度概念模型及其物理和数学模拟方法,并探讨了模拟尺度与观测尺度、预测尺度、裂隙介质尺度之间的关系及尺度效应的分形特征.     

本钢郑家屯潜水含水层弥散试验研究

在本钢郑家屯潜水含水层中进行了弥散试验，以Ｃｌ＾－为示踪剂，瞬时投放，根据流场条件，建立了二维水质运移模型。利用标准曲线法进行处理，得到了各监测井处的弥散度，对该试验结果进行分析，得到了在试验范围内，多孔介质中水动力弥散度的变化。     

考虑表皮效应的径向溶质迁移模型以及半解析解

径向示踪试验是一种非常有效的获取含水层弥散参数的试验方法,但传统径向示踪试验很少考虑抽水井附近的表皮效应(由于钻井施工工艺所导致抽水井附近一定区域水力性质发生变化)。建立了考虑表皮效应的单井注入示踪试验模型,并利用Lapalce变换以及数值逆变换获得了该模型的半解析解。系统分析了表皮区域水力性质对示踪试验穿透曲线的影响规律。研究结果表明:表皮区域的弥散度越大,穿透曲线早期的浓度越高,且峰值越高;表皮孔隙度越大,穿透曲线早期浓度越低,后期浓度越高;此外,散度差异也会导致浓度分布曲线在表皮区域与含水层界面处发生突变。总之,表皮效应对径向溶质迁移产生了较大的影响,有必要将表皮效应考虑到径向示踪试验中去。     

纵向弥散作用与渗透介质非均质性定量关系的模拟研究

在地下水污染模拟预报中,弥散参数是很难确定的一个模型参数。因实验室小尺度弥散规律一般不能用于大尺度弥散过程,而野外示踪试验却耗资大、周期长,限制了其实用性。文中利用随机数值模拟手段、基于随机理论的蒙特卡罗方法及序贯高斯模拟技术来生成渗透系数随机场,并研究渗透系数对数场的方差、相关长度以及变异函数类型在不同尺度上对纵向弥散度的影响,进而建立纵向弥散度与随机分布渗透系数场的方差和相关长度的统计定量关系,并与Gelhar理论计算结果进行比较。数值模拟结果表明,经过一定迁移距离后纵向弥散度与随机分布渗透系数对数场的方差和相关长度具有良好的线性统计关系,与Gelhar理论公式表达的关系类型类似。但对于较大的方差,纵向弥散度模拟结果明显大于Gelhar理论计算值,而对于较大相关长度在迁移距离不很大时,纵向弥散度模拟结果明显小于Gelhar理论计算值。本研究可为野外大尺度地下水污染预报模型中水动力弥散参数的确定提供方法借鉴。     

Use of mathematical modeling to investigate inter-aquifer contamination by organic-rich water through an unplugged well (central Wielkopolska, Poland)

Hydrogeological research was performed to establish the origin of organic-rich water in a Quaternary aquifer (Wielkopolska Buried Valley aquifer, Poland). The spatial distribution of such water was determined by means of multilevel sampling with a packer. The nature, spatial distribution and chemistry of the organic-rich water suggest hydraulic connection between the Quaternary aquifer and the underlying Neogene aquifer. This connection may be enabled by an old abandoned, improperly plugged well, and must therefore be considered as an artificial hydraulic connection between hydrogeologically separated aquifers. For the verification of this hypothesis, a groundwater contaminant transport model was constructed. The results of contaminant transport modeling allow the contaminant transport parameters (transverse and longitudinal dispersivity) to be identified in the field. The numerical groundwater model was used for the prognosis of organic-rich water remediation, and for specification of water-resource management principles in the region where organic-rich water occurs. The results of this research enable the verification of assumptions regarding complex groundwater flow conditions in the boundary zone of a buried valley.     

西宁市贵德县河滨公园林场第四系含水层弥散试验研究

地下水污染问题日益严重,研究溶质运移的弥散理论开始应用于实际问题。建立地下水溶质运移模型,对地下水中污染物的运移及发展趋势进行准确预测,是对地下水进行保护、对地下水污染进行控制的基础。而弥散参数的确定则是地下水溶质运移模型建立的关键环节之一,直接影响着模型预测结果的精度和准确性。 对西宁市贵德县地下水污染的水质运移规律进行分析,在贵德县河滨公园林场采用径向收敛流水动力弥散理论方法进行了第四系含水层现场弥散试验,计算了试验场地潜水含水层的弥散度,获得纵向弥散度(a_L)为0.843~0.998 cm,横向弥散度(a_T)经验推断值为0.17~0.20 cm,为进一步建立该地区的地下水溶质运移模型、预测地下水污染的发展趋势和评价该地区地下水环境质量提供了数据参考。     

Assessment of the role of facies heterogeneity at the fine scale by numerical transport experiments and connectivity indicators

The heterogeneity of facies at the scale of individual lithological levels controls, at a macroscopic scale, water flow and contaminant transport in porous sediments. In particular the presence of organized features such as permeable connected levels, has a significant effect on travel times and dispersion. Here, the effects of facies heterogeneity on flow and transport are studied for three blocks, whose volume is of the order of a cubic meter, dug from alluvial sediments from the Ticino valley (Italy). Using the results of numerical tracer experiments on these domains, the longitudinal dispersion coefficient is computed with an Eulerian approach based on the fit of the breakthrough curves with the analytical solution of the convective-dispersive transport equation. Moreover, the dispersion tensor is computed with a Lagrangian approach from the second order moments of particle distributions. Three types of connectivity indicators are tested: (1) connectivity function; (2) flow, transport and statistical connectivity; (3) original (intrinsic, normal and total) indicators of facies connectivity. The connectivity function provides the most complete information. Some of the transport and statistical connectivity indicators are correlated with dispersivity. The simultaneous analysis of the three indicators of facies connectivity emphasizes the fundamental geometrical features that control transport.     

孔隙结构和水动力对饱和多孔介质中颗粒迁移和沉积特性的耦合影响

为了研究孔隙结构和水动力对悬浮颗粒在饱和多孔介质中沉积和迁移特性的影响,对天然硅粉（悬浮颗粒）和荧光素钠（示踪剂）在饱和多孔介质中的渗流迁移特性进行土柱试验,分别得到了5种不同渗流速度（0.033、0.066、0.132、0.199、0.265 cm/s）、两种不同多孔介质（石英砂和玻璃球）的悬浮颗粒和示踪剂全组合下的20条穿透曲线。根据试验结果,研究孔隙结构、渗流速度对饱和多孔介质中颗粒迁移和沉积过程中水动力作用机制、弥散效应、加速效应的影响。研究表明,悬浮颗粒的穿透曲线可以用一阶沉积动力学对流弥散方程的解析解来描述。随着渗流速度的增大,水动力学作用对颗粒出流浓度的影响越来越大,而孔隙结构的影响则相对减弱。同时,存在一个临界渗流速度值。当渗流速度超出该值时,悬浮颗粒迁移要快于示踪剂,而且临界渗流速度对于玻璃球和石英砂两种多孔介质是不同的;其次,在两种介质中,随渗流速度增大,弥散度增加,回收率和回收悬浮颗粒粒径增大,沉积系数先增大后减小。此外,在孔隙比相近的情况下,悬浮颗粒在玻璃球介质中的回收率要大于其在石英砂中的。可见,孔隙结构和渗流速度是影响饱和多孔介质中颗粒输运的重要因素,渗流速度越大,孔隙结构的作用越明显。     

水箱-管道系统溶质运移实验研究及其岩溶水文地质意义

为了研究岩溶管道中溶潭对溶质运移的影响,在实验室内构建水箱-管道系统,在不同管道结构和水流条件下进行定量示踪实验并得到相应的穿透曲线(BTCs);采用Qtracer2软件分析溶质运移参数,采用滞后系数R分析实验结果与一维经典对流弥散方程解析解之间的差别。实验结果显示:随着水箱数量的增加,示踪剂(NaCl)峰值质量浓度逐渐降低,弥散系数和弥散度逐渐增加,穿透曲线拖尾逐渐增长,表明水箱的瞬态存储使溶质运移滞后;与不对称水箱相比,对称水箱BTC拖尾较长;峰现时间随着不对称水箱数量的增多明显滞后;出口流量增加时,弥散度减小,BTC拖尾变短。一维经典对流弥散方程解析解仅对单管道最大流量条件下的BTC拟合较好,对流量较小的单管道和水箱-管道系统的BTC拟合较差,需研究适用的模型解释其拖尾现象。