土石混合介质中非反应性阴离子运移试验研究

为探讨化学物质在土石混合介质中的运移过程和机理,采用饱和稳态流下的Cl-1混合置换试验,测定水流和溶质运移过程,分析土石混合介质的溶质穿透曲线特征及碎石组成和含量对运移过程的影响。选用CXTFIT2.1的平衡和物理非平衡对流弥散模型,对参数弥散系数D和滞留因子R进行反求。结果显示:不同土石比的D变异较大:0.258~22.31 cm2/h。R的波动范围为0.6~1.54;碎石含量影响土石介质的溶质运移过程表现为平均孔隙流速、弥散系数、弥散度均与土石比成负指数的幂函数关系。对碎石粒径与溶质运移参数进行相关分析发现,小粒径的碎石含量增加,则孔隙流速和弥散系数有减少的趋势,而大于10 mm的碎石有利于溶质的运移。通过土石介质的非反应性阴离子的混合置换试验研究,可以为非均一介质中化学物质运移提供参考。     

岩溶管道与裂隙介质间溶质暂态存储机制

溶质暂态存储是岩溶地下水溶质运移过程中的普遍现象。为揭示岩溶管道与裂隙介质间溶质暂态存储机制,本文构建室内管道-裂隙物理模型,开展集中补给条件下的定量示踪试验,运用双区对流弥散模型实现溶质运移过程模拟。研究表明:随着集中补给水动力条件的增强,裂隙暂态存储水量呈线性增加趋势,溶质穿透曲线由单峰型向双峰型转变;管道和裂隙中的平均流速呈负相关关系,溶质在管道和裂隙中的滞留时间差决定了穿透曲线的形态;溶质暂态存储引发了穿透曲线的拖尾效应和双峰现象,对岩溶地下水溶质运移过程具有重要的控制作用。     

改进时间分数阶模型模拟非Fick溶质运移

通过将经典时间分数阶对流-弥散方程的等待时间分布函数的尾部修改为指数型,推导出了改进时间分数阶对流-弥散方程,并提出有效的时空算子分裂数值求解方法。对两个理想算例和一个实际算例进行计算,结果表明,改进的时间分数阶对流-弥散方程继承了时间分数阶对流-弥散方程能模拟穿透曲线幂率型拖尾分布的优点,还可模拟穿透曲线尾部由幂率型转换到指数型的过程;特征时间λ、分数阶指数γ和两相容量比例系数β共同决定了运移行为。改进的新模型可以区分非均质介质中流动相和非流动相中的溶质浓度, 更细微地模拟非Fick溶质运移行为。     

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。     

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...     

井内混合效应对弥散尺度依赖性影响的实验研究

弥散度是刻画孔隙介质中溶质运移和扩散的重要参数,对于污染物的预测和修复至关重要,但野外示踪试验往往会选择忽略真实存在的井内混合效应。通过室内砂槽实验方法,模拟具有水平分层结构的含水层,该含水层主要由3种介质充填而成。采用埋藏传感器和井中布设传感器2种监测方式,对比在有/无混合效应情况下,穿透曲线的形态差异,进而探究井内混合效应对弥散尺度依赖性的影响情况。实验结果表明,井内混合效应会使穿透曲线呈现阶梯式增长,并伴有显著的拖尾现象;当使用对流弥散方程进行计算时,混合效应会导致弥散度被高估;观测到的弥散度与真实弥散度的差异会随着注入井和观测井间距离的增加而增大;此外,2种观测方式（埋藏/井内）均能发现弥散的尺度依赖性,且井内混合效应显著增强了弥散尺度效应,该实验结果可为污染物运移的评价和预测提供参考。      

江汉平原过渡带黏性层状土弥散试验与模拟研究

为研究江汉平原—大别山区过渡带黏性层状土中溶质迁移的规律,以保守性阴离子Br-为示踪剂,通过等温吸附试验、一维弥散试验、HYDRUS-1D软件模拟反演手段,研究了Br-在黏性层状土中的吸附参数、迁移规律,模拟反演其弥散参数。结果表明：（1）Freundlich模型和Langmuir模型均能较好的拟合吸附试验结果,随着土壤中黏粒比例的增大,土壤对Br-的饱和吸附量有所增加;（2）层状土中土壤质地与结构均会影响穿透曲线的形状,但一维饱和土柱中的弥散过程主要取决于含水介质系统中黏性颗粒的占比,黏粒的增加会对溶质运移产生阻碍作用;（3）通过HYDRUS-1D软件构建模型反演弥散参数,R2均大于0.991,拟合效果较好,分析发现层状土中无论土壤组成类型还是层厚及排序的影响,其本质都是改变了土壤的平均孔隙流速从而影响弥散作用,平均孔隙流速越小其弥散系数越小;（4）试验中粉质黏土弥散系数约为0.005～0.048 cm2/d,远远小于下部砂土弥散系数0.524～7.477 cm2/d,差值达到了至少两个数量级,表明研究区内厚层黏土为控制地层,会较大程度阻碍地下水中溶质运移,上部含水层中的污染物或有机...     

死端孔隙对溶质运移影响的实验研究

拖尾分布是溶质运移规律研究的热点和难点。死端孔隙、透镜体等空间结构形成的非均质性以及密度变化产生的指状流会导致溶质运移拖尾分布。论文选择保守性溶质氯化钠作为示踪剂,采用砂柱实验系统地研究了以死端孔隙导致的非均质性以及由不同浓度和温度形成的变密度条件对溶质运移拖尾分布的影响。实验结果表明:死端孔隙的存在会延迟溶质运移穿透曲线出峰时间,降低峰值及出现拖尾分布,随着死端孔隙介质体积或数量的增加这一现象越明显;随着溶液浓度的增加拖尾现象越明显,且温度的升高会加剧这一现象。对比死端孔隙、温度和浓度三者对溶质运移拖尾分布的影响,其中影响最大的是死端孔隙,其次是浓度和温度。     

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。     

基于室内土柱穿透实验的优先流定量评价

土壤优先流对包气带水流和污染物运移的影响已引起广泛关注,但大多数研究还停留在定性描述上,缺乏对优先流定量评价的标准。基于室内土柱实验获取的穿透曲线,分析了饱和条件下土壤溶质优先运移的一般规律,采用解析法模拟软件CX-TFIT拟合了溶质优先运移的参数,同时结合时间矩方法计算了定量评价优先流的指标PFSP。研究结果表明:时间矩方法中的一阶标准矩μ′1、二阶中间矩μ2以及偏态系数S可以定量刻画穿透曲线的特征,从而指示优先流的程度;PFSP能很好地刻画优先流作用的大小。该研究对优先流的定量评价具有重要指导意义。     

氨氮在煤矿采空区充填矸石中的运移机制

我国西部多数煤矿区矿井水往往含有较多的生产污水,导致其氨氮含量较高,利用煤矿采空区充填矸石对矿井水进行预处理已成为矿井水及矸石资源化利用的重要措施。以神华神东煤炭集团公司保德矿矸石为充填介质、以矿井水中的氨氮为研究对象,通过模拟采空区的水文地质环境,开展柱模拟实验,结合CXTFIT 2.1软件,研究氨氮在充填矸石中的运移机制,这对于评价煤矿采空区充填矸石对矿井水的预处理效果具有重要意义。结果表明:达西流速3.12 cm/h、25℃时,Cl?在充填矸石中的运移可用CDE模型较好地表征(r2=0.999),较高的纵向弥散系数(D)、溶质分子扩散系数(D_f)、机械弥散系数(D_h)和弥散度(λ)值与充填矸石较大粒径、较长运移距离有关,淋出液中总溶解性固体(TDS)和Cl?的质量浓度呈显著线性关系;双点位吸附溶质运移模型能够较好地表征氨氮的运移过程,氨氮的阻滞系数R为23.79,其在矸石上的平衡吸附点位仅占总吸附点位的46%,一级动力学吸附速率常数α为3.5×10?4 h?1;氨氮的孔隙流速及水动力弥散系数远低于Cl?的数值,这主要与高含量的黏土矿物高岭石对氨氮的吸附有关;在649 h的氨氮运移过程中,亚硝酸盐和硝酸盐氮以及pH值均无明显变化,实验中后期TDS稳定,这进一步证实氨氮在模拟的矸石柱运移过程中以对流、弥散迁移及吸附为主,生物转化作用可以忽略。研究结果可为评价我国煤矿采空区地下水库的水质预处理技术提供重要理论依据。      

A general polynomial solution to convection–dispersion equation using boundary layer theory

A number of models have been established to simulate the behaviour of solute transport due to chemical pollution, both in croplands and groundwater systems. An approximate polynomial solution to convection–dispersion equation (CDE) based on boundary layer theory has been verified for the use to describe solute transport in semi-infinite systems such as soil column. However, previous studies have only proposed low order polynomial solutions such as parabolic and cubic polynomials. This paper presents a general polynomial boundary layer solution to CDE. Comparison with exact solution suggests the prediction accuracy of the boundary layer solution varies with the order of polynomial expression and soil transport parameters. The results show that prediction accuracy increases with increasing order up to parabolic or cubic polynomial function and with no distinct relationship between accuracy and order for higher order polynomials (\(n\geqslant 3\)). Comparison of two critical solute transport parameters (i.e., dispersion coefficient and retardation factor), estimated by the boundary layer solution and obtained by CXTFIT curve-fitting, shows a good agreement. The study shows that the general solution can determine the appropriate orders of polynomials for approximate CDE solutions that best describe solute concentration profiles and optimal solute transport parameters. Furthermore, the general polynomial solution to CDE provides a simple approach to solute transport problems, a criterion for choosing the right orders of polynomials for soils with different transport parameters. It is also a potential approach for estimating solute transport parameters of soils in the field.     

反应性溶质在不同质地饱和土柱中运移的数值模拟

盐渍土壤中的物理化学作用对溶质运移具有重要影响.吸附和离子交换作用是土壤中常见的反应.利用室内土柱出流实验对这两种作用下的单组分和多组分溶质运移进行了探讨,用CXTFIT软件模拟了只考虑对流-弥散的常规溶质运移;用水文地球化学模拟软件PHREEQC进行了耦合吸附和离子交换反应的模拟.结果表明,土壤质地对单组分溶质的运移具有重要影响,而在多组分溶质运移中,组分之间的相互作用对溶质运移具有更为重要的影响,并且耦合物理化学作用的模拟精度更高.     

Field characterization of vertical bromide transport in a fractured glacial till

A study of the fracture distribution, hydraulic properties, groundwater levels and the transport of bromide was conducted to characterize vertical transport in the oxidized and reduced zones of a fractured glacial till. Detailed vertical profiles of groundwater levels and solute concentrations were obtained over a 4.5-year period. Vertical migration occurred at several time scales, as a low concentration front was rapidly transported at rates of 100–500 m/year ahead of a slower moving main plume, which advanced at rates of 0.2–0.8 m/year. Concentrations in the leading edge of the plume displayed a high degree of spatial variability over short vertical distances through day 1,000. Late in the test, the influence of matrix diffusion became apparent as concentration patterns developed from being irregular to more uniform distributions. Calculations show that the mass within the low concentration plume front accounts for less than 1% of the total solute mass. Simulation of the breakthrough curves using a simple one-dimensional advection-dispersion model of transport in porous media indicates that vertical transport is dominated by advection. Furthermore, the results indicate that vertical transport of solutes in oxidized and reduced zones of the till can be adequately simulated using an equivalent porous media.     

波浪作用下考虑海床变形影响的溶质运移数值模拟

波浪会促进海水中溶质向海底沉积物运移,但已有研究大多未考虑海床（海底沉积物）变形效应的影响。为揭示波浪作用下海床土变形对溶质运移过程的影响机制,构建了考虑海床土变形影响的溶质运移计算模型,对波浪作用下溶质向砂质海底沉积物中的运移过程进行模拟。结果表明:海床土变形会增大孔隙水流速,进而增大溶质纵向水动力弥散系数,增强溶质运移的机械弥散作用,促进溶质向沉积物中运移;考虑海床变形时的溶质最大纵向水动力弥散系数可达不考虑海床变形时的8.5倍,约为分子扩散系数的545倍;海床土剪切模量越小,土体变形效应越明显,对溶质运移过程的影响越大;海床土饱和度的降低,会进一步加速波浪作用下溶质向海底沉积物的运移过程。     

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.      

Quantification of electrical resistance to estimate NaCl behavior in a column under controlled conditions

Accurate prediction of solute transport processes in surface water and its underlying bed is an important task not only for proper management of the surface water but also for pollution control in these water bodies. Key issue in this task is an estimation of parameters as diffusion coefficient and velocity for solute transport both in water body and in the underlying bed. This estimation would greatly help us to understand the deposition and release mechanism of solute across the water-bed interface. In this study, a column experiment was conducted in laboratory to estimate the velocity and diffusion coefficient of sodium chloride (NaCl) in water body and underlying sand layer (bed). The column used with a diameter of 30 cm and a height of 100 cm, was filled with sand at the lower half part and water at the upper half part. Total 64 stainless steel electrodes were installed on its surface around. The sodium chloride solution was injected from the top of the column, and electrical resistance between electrodes was monitored for 71 h. Then the dimensionless resistance breakthrough curve was fitted with one dimensional analytic solution for solute transport and the related diffusion coefficient and velocity parameters were estimated. The results show that the NaCl transport velocity was high in the water body but extremely low in the underlying sand layer (bed). The diffusion coefficient estimated in sand layer coincides with those reported well. This indicates that the electrical resistance based solute transport parameter estimation method is not only effective but also has an advantage of multipoints monitoring. This is useful both in mapping solute transport parameter for solute transport process analysis and in providing parameter input for solute transport numerical modeling.