利用地下水数学模型确定电厂灰场库容

建立一维包气带溶质运移数学模型和二维潜水层溶质运移数学模型,对热电厂灰水污染物在包气带和潜水中的运移进行模拟,以下游水源地污染物浓度峰值不超过环境质量标准为依据,通过模型反复计算,得到包气带模型运行时长,即最大灰水排放时间,继而得到灰场库容.该方法可以为电厂灰场库容设计提供合理的标准,从而控制由于灰水排放所造成的潜水层污染问题.     

基于GMS软件对某污染厂区地下水污染规律研究

以某污染厂区为研究对象,通过野外调查并结合已有资料,利用GMS软件建立研究区域地下水流场模型和溶质运移模型,并且详细分析了地下水污染规律。研究结果表明:降雨入渗扩散方式下,污染物在地下水中的迁移速率与污染物的浓度及地下水介质密切相关。在潜水含水层中,污染物主要以垂向运移为主,并且受污染源强影响较大,污染物浓度越高,其垂向运移速率越快,污染物在水平面上的扩散速率受污染源强的影响较小;在承压含水层中,污染物沿水流方向迁移,并且呈现匀速扩散趋势。     

卫河流域河流地下水流系统氮素运移的数值模拟

卫河是海河流域污染最严重的河流之一,该河如何影响附近浅层地下水的水质是长期受到重视但缺乏定量研究的关键问题。为探讨这一问题,利用Hydrus 2d模型模拟河流非饱和带氮素的迁移转化,以GMS软件中的RT3D模块模拟氮素在饱和含水层中的运移,将包气带底部淋滤出的污染物浓度定为饱和带溶质运移模型的上边界条件,首次实现了河流非饱和带饱和含水层氮素运移的联合模拟,得到河流线状污染源对浅层地下水的影响程度及范围。研究结果表明：由于吸附作用、硝化反硝化作用的存在,从河流上游到下游,包气带厚度加大,运移至含水层中的NH4-N、NO2-N浓度呈下降趋势,而NO3-N浓度则呈上升趋势。随着入渗时间的增长,进入饱和含水层中的NH4-N、NO2-N、NO3-N的浓度逐渐升高并最终保持稳定。污染的河流对浅层地下水的影响呈带状分布,污染物随入渗水流在包气带中垂直入渗;在饱和含水层中以水平运移为主,污染羽偏向地下水流动的方向,其影响距离不超过500 m。     

基于过程模拟的地下水脆弱性评价研究进展

地下水脆弱性评价是进行地下水污染防控的关键。经过近40年的研究,过程模拟法被认为是最具实际意义和最精确的评价方法。目前学者对地下水水流和溶质运移模型与地下水脆弱性评价的耦合进行了探索研究,充分发挥了过程模拟法物理意义明确、评价结果可靠度高、主观性低、实用性强等优势。但该法仍受限于水流和水质长观资料、存在不确定性、不易获取表征特征污染物在地下水系统中的转化过程的定量参数等缺点,因此,未来包气带中溶质迁移转化理论、包气带和饱和带的耦合模型、随机模型和各种智能方法与过程模拟法的结合、过程模拟法和评价结果的不确定性以及GIS技术与各种数学模型的结合都将是基于过程模拟研究地下水脆弱性的重要发展方向。     

降雨入渗补给地下水数值模拟研究

针对在地下水资源评价中入渗补给量采用经验估算存在较大误差的问题,以神东矿区为例,在广泛调查矿区包气带岩性结构并结合野外取样、室内参数测定的基础上,采用数值模拟的方法建立包气带水分运移数值模拟模型,定量模拟矿区内不同地段降雨入渗强度,探讨影响降雨入渗强度的主要因素,计算得出研究区降雨入渗系数大致在0.18~0.27,分析认为影响降雨入渗强度的因素有降雨量、潜水埋深、包气带岩性等。其中在研究区广泛分布的风积沙对地下水资源起到了一定的保护作用。     

层状非均质结构包气带入渗过程单相流与两相流数值模拟对比研究

包气带水分入渗过程受多种因素的影响。定量研究层状非均质岩性结构和入渗速率对其影响,有助于解决根据不同条件选择单相流模型或水气二相流模型模拟包气带水分入渗过程的问题。结合填埋场等场地地层条件及污废水入渗特征,分别建立了“上细下粗”和“上粗下细”包气带层状非均质岩性结构水分入渗单相流和水气二相流模型,探讨不同层状非均质岩性结构条件下模型的适用性。在“上粗下细”岩性结构模型基础上,进一步探究入渗速率对水气两相运移结果的影响。基于论文模型研究表明:（1）在包气带岩性结构为“上细下粗”的条件下,气相的影响基本可以忽略,可直接采用单相流模型对包气带水分运移进行模拟;在“上粗下细”岩性结构和本次模型设定的底部压力保持不变及污废水泄漏前场地未接受降水入渗补给等条件下,当包气带上下层介质渗透率比值大于16倍时,气相会对水相运移产生明显影响,且下层介质渗透率越小、上下层介质渗透率比值越大,单相流与两相流的运移结果差别越大,需要采用水气二相流模型模拟包气带水分运移。（2）在包气带“上粗下细”岩性结构条件下,入渗速率越大,气相对水流入渗的阻滞作用越明显,此时包气带水分运移模拟应采用水气二相流模型。     

基于HYDRUS-1D模型模拟关中盆地氮在包气带中的迁移转化规律

以陕西关中盆地为研究区,利用HYDRUS-1D软件构建土壤水分运移模型、作物根系吸水模型和溶质运移模型,模拟了"三氮"在包气带中的迁移转化过程。结果表明:1)作物根系吸水吸氮规律一致,且主要吸收氨氮形式的氮素,吸收率为35%;2)亚硝态氮和硝态氮更容易被淋失到地下水中,且主要以硝态氮为主;3)不同包气带岩性对"三氮"向下迁移的速率和迁移量影响很大。     

以^36Cl示踪核废物处置场地水的运动

本文简要介绍了可能的核废处置场地水运动的同位素示，并以＾３６Ｃｌ为例，说明了该方法在示踪非饱和带中降水的入渗作用、了解饱和带水流运动情况，测定地下水及溶质迁移速率等方面的应用。     

地下水系统中有机污染物的分配模型

有效地管理地下水系统需要论述和预测该系统中污染质的运移和消亡情况,以便能更好地运用数学模型准确地描述系统的物理现象。影响许多有机污染物运移的最明显现象是在固(土壤)和液(地下水)两相之间的分配现象。污染物的分配趋势大体可以用对辛醇的基本性质的测量值进行估计,即取决于污染物的水分配系数和土壤的有机碳含量。这个粗略估计是定性评价的基础,但对系统的定量描述就不行,特别是所考虑的问题是非线性平衡吸附问题,分配取决于动力条件或是不可逆的,或者滞后相的分布现象等。准确地进行溶质运移模拟常常需要结合动力学参数和非线性吸附方法才能正确地确定质量守恒方程中的溶质运移现象。实验的方法可以用来确定重要的吸附因子,有机溶质和土壤系统的动力学性质及平衡分配关系。因此利用这种方法能够更准确地模拟污染质的迁移情况。     

垃圾渗漏液在包气带及含水层中的联合运移模拟

近年来,全国各地新建了大量的垃圾填埋场,其中多有不符合垃圾处理处置场地建设规范的,垃圾填埋场渗滤液对地下水的污染风险也逐年凸显,这就要求对后续垃圾填埋场建设时,在环评阶段做好垃圾填埋场渗滤液对地下水的污染风险预测,为垃圾填埋场地下水污染预防设施的设计与建设提供指导。本文探索了垃圾渗滤液在包气带和含水层中的联合运移模拟,首先利用Hydrus建立包气带模型,模拟垃圾渗滤液中氨氮在包气带中的迁移转化,在此基础上用Visual Modflow软件建立地下含水层模型,对比渗滤液经过包气带过滤和没经过包气带过滤两种情景下的污染范围和程度。模拟结果显示,包气带和含水层联合运移模拟渗滤液泄漏后的运移途径和路线,更接近渗滤液进入含水层的实际情况。     

考虑非饱和浸润区的改进Green-Ampt模型

经典Green-Ampt入渗模型计算简单,广泛应用于土壤入渗问题的研究,但在湿润锋处理上采用明显的干湿分离界面,存在一定的理论假设。鉴于此,基于饱和区−非饱和浸润区分层模型,结合达西定律,推导出入渗过程中饱和区厚度与非饱和浸润区厚度关系的理论公式,提出了水分剖面理论模型,消除了饱和区厚度和浸润区厚度的关系假设。在此基础上,建立了考虑土壤水分剖面形状和非饱和浸润区等效参数的改进Green-Ampt模型,并采用试验和有限元数值仿真对该模型进行了验证,结果表明：该模型有很高的精度,对不同类型的土有很好的适应性。同时该模型求解简单,参数物理意义明确,便于工程应用。     

Flow and solute transport monitoring in the karst aquifer in SW Slovenia

The role of the unsaturated zone in the karst aquifer hydraulic behaviour was brought into focus in these studies of the catchment of the Hubelj spring (SW Slovenia). The variations of natural tracers in precipitation and in groundwater during a summer storm event made it possible to trace local flow and solute transport in the observed aquifer. The results produced data on the aquifer recharge, storage and discharge processes, as well as on mechanisms that affected them, which reflects a karst groundwater dynamics also at a regional scale. They point out the significance of effects of the fast preferential flow—epiflow that is the main factor controlling solute/contaminant transport towards the aquifer saturated zone. Numerous arguments indicate that the karst aquifer flow and solute transport mechanisms depend on the hydraulic behaviour of the epikarst zone.     

Olive-oil mill wastewater transport under unsaturated and saturated laboratory conditions using the geoelectrical resistivity tomography method and the FEFLOW model

An integrated approach for monitoring the vertical transport of a solute into the subsurface by using a geophysical method and a simulation model is proposed and evaluated. A medium-scale (1 m³) laboratory tank experiment was constructed to represent a real subsurface system, where an olive-oil mill wastewater (OOMW) spill might occur. High-resolution cross-hole electrical resistivity tomography (ERT) was performed to monitor the OOMW transport. Time-lapse ERT images defined the spatial geometry of the interface between the contaminated and uncontaminated soil into the unsaturated and saturated zones. Knowing the subsurface characteristics, the finite element flow and transport model FEFLOW was used for simulating the contaminant movement, utilizing the ERT results as a surrogate for concentration measurements for the calibration process. A statistical analysis of the ERT measurements and the corresponding transport model results for various time steps showed a good agreement between them. In addition, a sensitivity analysis of the most important parameters of the simulation model (unsaturated flow, saturated flow and transport) was performed. This laboratory-scale study emphasizes that the combined use of geophysical and transport-modeling approaches can be useful for small-scale field applications where contaminant concentration measurements are scarce, provided that its transferability from laboratory to field conditions is investigated thoroughly.     

应用连续混合器模型模拟非饱和土壤盐分淋洗过程

尽管连续混合器模型已经广泛应用于土壤中溶质迁移转化规律计算,但却仅限于饱和土壤条件。通过采用Kostiakov公式描述非稳定入渗过程,并结合活塞假设计算入渗过程中土壤水分的运动和分布规律,将连续混合器模型扩展应用于非饱和土壤的盐分淋洗过程计算,并求出了模型的解析解。分析发现,在一定的土壤质地、初始含水率剖面和初始含盐量剖面下,模型的计算结果会受到土层划分厚度的影响,而合理的土层厚度又与饱和导水率和溶质弥散系数之间存在量纲一的函数关系。当土层厚度选取合理时,连续混合器模型与HYDRUS-1D的计算结果十分接近,采用该模型模拟试验土壤盐分淋洗过程,显示了较好的计算精度。     

基于流动电位正演模型的非饱和带水流过程监测

为了获取非饱和带水流过程的信息,借助流动电位正演模型,通过数值实验探讨非降雨和降雨两种条件下非饱和带流动电位和水流过程的关系,然后用南京中山植物园试验场地野外观测的流动电位和张力数据加以对比和验证。野外试验表明:流动电位可以有效地反映非饱和带水流过程。在夏季无降雨入渗的条件下,日周期变化的地表地下温度差导致水分的运动,流动电位准确地指示了非饱和带含水量和毛细压力的变化情况,从而指示出了水分运移的方向;在夏季有降雨入渗的条件下,降雨锋面推进之处,含水量和流动电位同时有明显的响应,进而根据不同位置的流动电位对降雨入渗响应的时刻差,直接求出入渗锋面的推进速度。     

Numerical study of soil heterogeneity effects on contaminant transport in unsaturated soil (model development and validation)

The movement of chemicals through soil to groundwater is a major cause of degradation of water resources. In many cases, serious human and stock health implications are associated with this form of pollution. The study of the effects of different factors involved in transport phenomena can provide valuable information to find the best remediation approaches. Numerical models are increasingly being used for predicting or analyzing solute transport processes in soils and groundwater. This article presents the development of a stochastic finite element model for the simulation of contaminant transport through soils with the main focus being on the incorporation of the effects of soil heterogeneity in the model. The governing equations of contaminant transport are presented. The mathematical framework and the numerical implementation of the model are described. The comparison of the results obtained from the developed stochastic model with those obtained from a deterministic method and some experimental results shows that the stochastic model is capable of predicting the transport of solutes in unsaturated soil with higher accuracy than deterministic one. The importance of the consideration of the effects of soil heterogeneity on contaminant fate is highlighted through a sensitivity analysis regarding the variance of saturated hydraulic conductivity as an index of soil heterogeneity. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于溶质运移模拟的某化工场地污染物对拟建水库污染风险预测

溶质运移模拟是污染风险预测的一种有效手段。本研究为查明研究区内某有机污染场地作为污染源对拟建水库的影响,基于对区内流场的精确测量,建立了准确的地下水流模型和化工厂泄露有机污染物的溶质运移模型,预测分析了研究区拟建水库修建前、后地下水流场及污染物迁移情形的变化。模拟结果表明：水库和周边两种设计水头的截渗沟建成后,改变了自然条件下的流场,形成水库向截渗沟排泄、截渗沟向周边排泄以及水库和周边区域均向截渗沟排泄两种地下水流场。某些污染羽扩散范围虽比自然条件下有所增大,但向水库方向的扩散均未超出300 m,不会对水库水质构成污染风险。     

土坡失稳的有效降雨量研究

降雨易引起花岗岩残积土边坡失稳。在分析降雨对边坡土体含水率影响的基础上,通过饱和度和含水率的关系推求出土体从非饱和过渡到饱和的有效降雨量。结果表明：对土质边坡,并非所有的降雨都会引起边坡的失稳,降雨入渗使边坡土体从非饱和向饱和状态发展,当边坡土体饱和度达到一定程度的时候易产生边坡失稳;土坡存在饱和区和非饱和区的临界深度,降雨对边坡的影响即为使得该深度以上的土体从非饱和过渡到饱和的过程,须采取不同的抗剪强度来计算处于临界深度上下两部分土体的稳定状态。研究结果对确定土坡失稳的降雨量阀值、进一步认识滑坡失稳机制,对滑坡的预测预报具有理论及实际意义。     

Application of electrical imaging to leachate plume evolution studies under in-situ and model conditions

Electrical imaging (resistivity tomography) is increasingly used as a geophysical exploration technique in contaminated land research. The present work demonstrates the efficiency of electrical imaging in monitoring pollution plume evolution under both in-situ and model conditions. The in-situ campaign was done at an unlined landfill site situated in the city of Patras, Hellas. A partially saturated zone of alluvial fan deposits underlies the site, which retards leachate percolation to the underlying water table. Electrical imaging provided details of the internal structure of the waste tip, and confirmed the presence of a leachate plume beneath the base of the landfill. This field data component provided the constraints for the design of a generic model of contaminant infiltration into partially saturated sand. The aim was to study leachate plume evolution in a laboratory environment. For this purpose, a miniaturised resistivity tomography technique, developed at Cardiff University, was used to image the resistivity distribution before during and after contaminant infiltration. Comparison of resulting two-dimensional tomography with observed plume geometry at the end of the test showed the miniaturised electrical imaging technique to be highly effective. Experiment showed that contaminant evolution taking place in the model was gravity-driven, with capillary water in the vadose zone being displaced by the denser contaminant solution.