运移参数对GCL中污染物运移的影响研究

分析了运移参数的变化对GCL中污染物运移的影响。从衬垫底部浓度比、对流和扩散通量、污染物累积运移量等方面,对污染物在GCL中的运移进行了计算。结果表明,减小渗透系数和扩散系数可以有效减缓衬垫底部浓度比的增加速度。渗透系数对对流通量的大小、扩散通量的变化速度的影响较大;扩散系数主要影响最大扩散通量。当渗透系数较大时,可以忽略扩散累积运移量,用对流累积运移量代替总累积运移量引起的误差很小。当渗透系数较小时,忽略扩散运移量可能产生较大的误差,尤其是在扩散系数也较大的情况下误差更加明显。      

考虑非等温环境下污染物在黏土中的运移解析模型

利用广义积分变换法推导了非等温条件下污染物在压实黏土衬垫中的运移解析解。所提出的解析解考虑了分子扩散、对流、吸附和热扩散的耦合效应,并考虑了压实黏土的渗透系数、分布系数和有效扩散系数3个参数随温度的变化。通过与热扩散试验结果、已有的解析解和基于COMSOL软件的数值模型的对比,验证了所提出的解析解。利用经过验证的解析解,研究了非等温环境以及压实黏土的渗透系数、有效扩散系数和分布系数3个参数随温度的变化对甲苯在压实黏土衬垫系统中迁移的影响。结果表明,非等温环境以及压实黏土的渗透系数、有效扩散系数和分布系数随温度的变化均对甲苯在压实黏土衬垫中迁移有着显著的影响。不考虑非等温环境的影响将极大低估污染物的溢出量和污染物的击穿时间。既有解析解忽略压实黏土的渗透系数和有效扩散系数随温度的变化会极大低估甲苯的流出速率,而忽略压实黏土分布系数随温度的变化会极大高估甲苯击穿衬垫系统的时间和达到稳态的时间。所提出的解析解能够考虑热扩散作用,同时考虑了压实黏土的渗透系数、分布系数和有效扩散系数3个参数随温度的变化,较既有解析解更贴近工程实际,能够为压实黏土衬垫系统的设计和服役性能评价提供指导和借鉴。     

衬垫中污染物运移的一维概率分析

衬垫中污染物的运移分析一般采用确定性方法。为了研究渗透系数变异性对污染物运移的影响,基于土层剖面随机场理论,将渗透系数模拟成服从对数正态分布的空间随机场,利用Monte-Carlo和数值积分两种方法进行分析。两种方法得到的结果有很好的一致性。衬垫渗透系数的空间变异性对污染物运移有重要影响。变异系数较大时,衬垫失效概率在前期较大而后期较小,但衬垫底部出现高浓度(相对浓度0.9～1.0)的几率也较高。衬垫的可靠性要综合考虑渗透系数的变异性和渗透系数数值范围的影响。      

非等温分布条件下三层复合衬垫中有机污染物一维瞬态运移规律研究

针对非等温分布条件下由土工膜(geomembrane,简称GMB)+土工复合膨润土衬垫(geosynthetic clay liner,简称GCL)+压实黏土衬垫(compacted clay liner,简称CCL)组成的3层复合衬垫中有机污染物一维瞬态运移问题,考虑了对流、扩散、机械弥散、吸附、降解和热扩散等因素,建立了相应的数学模型。该模型可考虑扩散系数和渗透系数等参数随温度变化。利用有限差分法,获得了该模型的数值解。通过将所建模型计算结果分别与试验结果、已有解析模型计算结果和COMSOL软件计算结果进行对比,验证了所建模型的正确性。基于所定义的击穿时间t_b,以甲苯作为代表性有机污染物分析和讨论了不同因素对运移行为的影响。结果表明：(1)非等温分布条件会使渗透系数、扩散系数和线性吸附系数等参数发生变化,其中渗透系数和扩散系数的变化会加快运移过程,尤其是扩散系数,而线性吸附系数的变化会减慢运移速率;(2)复合衬垫上部和底部温度差ΔT的增大会使击穿时间t_b减小,底部运移通量J_b增大;当ΔT为0、10、20、30、40 ...     

渗透系数的变异性对压实黏土衬垫性能的影响

压实黏土衬垫是填埋场等环境岩土工程中常用的屏障材料,其厚度和渗透系数是主要的设计参数。考虑渗透系数的变异性,用衬垫底部污染物相对浓度和通量等指标分析了设计参数对衬垫有效性的影响。研究表明,渗透系数的变异性对衬垫性能有很大的影响：当衬垫厚度较小或渗透系数均值较大时,衬垫底部出现高浓度（接近于1）的概率很大,这个浓度区间可能比相对浓度的均值高很多,对周围环境污染有较大的威胁。从非反应性溶质的运移来看,我国规范中对衬垫厚度和渗透系数的规定是合理的。相对于污染物的通量,厚度和渗透系数对衬垫底部相对浓度的影响更为显著,相对浓度更适合作为评价衬垫性能的指标。     

考虑表面裂隙层的衬垫防渗性能概率分析

压实粘土衬垫是填埋场等环境岩土工程中常用的屏障材料,其表面的干燥裂隙可能对衬垫的有效性有一定的影响。将整个衬垫分为受裂隙影响的表面土层和不受裂隙影响的下部土层两部分,把饱和渗透系数和裂隙扩展深度看作随机变量,采用蒙特卡洛法分析衬垫底部污染物相对浓度和通量的概率特征。研究表明,由于衬垫底部出现高浓度（接近于1）的概率较大,这个浓度区间可能比相对浓度的均值高很多,对周围环境污染有较大的威胁,因此确定性方法得到的结果存在较大的风险;考虑表面裂隙导致渗透系数的增大,得到的结果更为合理;保证衬垫足够的厚度可以降低表面裂隙土层饱和渗透系数的变化对衬垫防渗效果的影响;将两层土的渗透系数看作独立随机变量,得到的结果偏于安全。     

膨润土中离子扩散特征试验研究

膨润土在填埋场中有较为广泛的应用。膨润土材料作为衬垫时,扩散是污染物运移的重要方式。为深入了解不同应力状态下膨润土阻滞污染物运移的能力,对Ca2＋,Cl－和Zn2＋在不同孔隙率膨润土中的扩散进行了试验研究,得到的结果与已有文献有较好的一致性。随着孔隙率的增加,离子扩散系数增加,验证了二者之间的指数关系。讨论了在一定孔隙率范围内离子有效扩散系数的估算方法,估算结果与实测值接近     

基于有机污染物扩散的复合衬垫厚度的概率设计

有机污染物在复合衬垫中的运移以扩散方式为主。目前关于运移参数不确定性及其对衬垫性能影响的研究还不多,复合衬垫厚度的设计也没有考虑不确定性的影响。总结了运移参数已有的成果,采用蒙特卡罗法研究了半无限条件下运移参数的变异性对衬垫底部污染物质量浓度和通量的影响,并对衬垫厚度进行了设计。研究表明:土工膜中有机污染物的分配系数和扩散系数的变异性对质量浓度和通量的影响可以忽略,而土中有机污染物的扩散系数和阻滞系数的变异性对其影响则非常显著。确定性方法计算的结果偏于危险,有必要加强对土中有机污染物的扩散系数和阻滞系数概率特性的研究。以甲苯为例进行黏土衬垫厚度设计,结果表明:概率计算方法得到的黏土衬垫厚度约为确定性方法的1.71~1.81倍,采用概率方法进行衬垫设计更合理。     

压实黄土非饱和渗透系数试验研究

压实黄土非饱和渗透特性具有重要的工程意义。对不同干密度的压实黄土试样,采用非饱和导水率测定系统进行非饱和渗透系数量测,得到不同干密度压实黄土的渗透系数与吸力的关系。试验结果表明：渗透系数随吸力的增大而成非线性减小,随干密度的减小而增大;在低吸力时,干密度对渗透系数的影响较大;在较高吸力时,干密度对渗透系数的影响较小。进一步给出了压实黄土的渗透系数模型并进行回归分析,得到各Wind幂函数模型参数与干密度的关系,建立了基于干密度的压实黄土渗透系数的确定方法。     

煤矸石淋滤液中污染物在GCL中的扩散性能

为验证土工合成黏土衬垫（Geosynthetic Clay Liners,GCL）作为煤矸石处置场衬垫层建设材料的可行性,采用垂直式双筒扩散装置进行室内扩散试验,研究了煤矸石淋滤液中典型污染物Zn2+、Mn2+和SO₄2-在人工钠化膨润土GCL中的扩散性能,使用有限层法模拟软件POLLUTE V7对污染物随时间变化的曲线进行拟合,确定3种污染物在人工钠化膨润土GCL中的扩散系数。研究结果表明,污染物在GCL中的扩散系数低于它们在传统压实黏土衬垫层中的扩散系数,从而能更有效地控制煤矸石淋滤液中污染物在GCL中的扩散迁移行为。      

Stochastic analysis of the effect of spatial variability of diffusion parameters on radionuclide transport in a low permeability clay layer

Most studies that incorporate subsurface heterogeneity in groundwater flow and transport models only analyze and simulate the spatial variability of hydraulic conductivity. Heterogeneity of the other flow and transport parameters are usually neglected. This approach is often justified, but there are, however, cases in which disregarding the heterogeneity of the other flow and transport parameters can be questionable. In low permeability media, for instance, diffusion is often the dominant transport mechanism. It therefore seems logical to incorporate the spatial variability of the diffusion parameters in the transport model. This study therefore analyses and simulates the spatial variability of the effective diffusion coefficient and the diffusion accessible porosity with geostatistical techniques and incorporates their heterogeneity in the transport model of a low permeability formation. The formation studied was Boom clay (Belgium), a candidate host rock for the deep geological disposal of high-level radioactive waste. The calculated output radionuclide fluxes of this model are compared with the fluxes calculated with a homogeneous model and a model with a heterogeneous hydraulic conductivity distribution. This analysis shows that the heterogeneity of the diffusion parameters has a much larger effect on the calculated output radionuclide fluxes than the heterogeneity of hydraulic conductivity in the low permeability medium under study.     

高塌落度防渗墙填料扩散系数快速测定的透析试验

扩散是低渗透系数情况下溶质迁移的主要方式,目前尚没有测定高塌落度防渗墙填料扩散系数的试验方法。根据沥出试验原理,将处于流动状态的填料用半透膜包裹进行透析试验,通过有限圆柱中溶质迁移解析解对溶质迁移过程进行拟合求其扩散系数,探讨了试验和数据处理的相关问题,研究了膨润土含量和盐浴浓度对扩散系数的影响规律。结果表明,随拟合天数增加,填料中NaCl有效扩散系数减小,而误差增大;高塌落度填料中溶质迁移明显比压实土样中快,按拟合误差小于0.5%作为试验数据取舍依据,这一误差要求实际上是对溶质迁移以扩散为主导这一条件的量化,保证了采用纯扩散解析解进行数据拟合的合理性;扩散系数随填料中膨润土含量增加而减小,随盐浴浓度增加而减小,但在试验范围内数值变化不大,透析试验是快速测定防渗墙填料中溶质有效扩散系数的可行方法。     

额济纳旗胡杨根区水分运动参数的确定--利用Richard方程和气象资料推算

利用Richard方程和气象资料相结合的办法,确定了中国典型的干旱内陆河流──黑河下游额济纳旗地区主要成林的干旱荒漠天然乔木树种──胡杨林地的水分运动参数,主要有导水系数K、比水容量C和水分扩散率D。     

多个相关随机参数的空间变异性对溶质运移的影响

根据给定渗透系数、孔隙度以及吸附系数的概率分布,采用顺序高斯模拟生成相关的多参数随机场的实现,作为地下水流和溶质运移模型的输入参数,对污染物浓度进行随机分析。研究结果表明,与仅考虑渗透系数空间变异性相比,考虑相关的多参数空间变异性导致污染羽的扩散程度有显著不同。当孔隙度与渗透系数呈正相关关系时,会减少污染羽的扩散程度,反之,当孔隙度与渗透系数为负相关关系时,会加剧污染羽的扩散程度。吸附系数也是如此。在考虑吸附系数的空间变异性之后,污染羽的分布表现出拖尾现象。同时考虑渗透系数、孔隙度以及吸附系数空间变异性时,孔隙度非均质性对溶质运移的影响较吸附系数非均质性的影响更大。     

基于正交设计的麻柳林滑坡稳定性敏感分析

以麻柳林滑坡为例,选取了内摩擦角、粘聚力、渗透系数、浸没率、库水位下降速率及降雨量等6个因素进行了正交试验,采用极差分析法进行了稳定性敏感分析.结果表明,滑坡稳定性及其变化率主要由内因决定,库水和降雨对其影响较小.滑坡稳定性对内摩擦角最敏感,其次依次为渗透系数、粘聚力和浸没率.滑坡初始稳定性主要由内摩擦角和粘聚力决定.滑坡稳定性随浸没率的降低而逐步增加,但增幅较小;渗透系数对滑坡稳定系数变化率的影响最大,并存在临界值K_0,渗透系数大于K_0时,滑坡稳定性随渗透系数的增加而增加,渗透系数小于K_0时,滑坡稳定性随渗透系数的降低而降低.     

混合型缓冲回填材料非饱和水分扩散试验研究

设计了专门的浸水试验装置,测定了膨润土-石英砂混合物在非膨胀条件下吸水引起的水分分布及膨胀应力变化,研究了混合型缓冲回填材料非饱和水力学性质。试验结果表明,干密度约1.70 g/cmP3、掺砂率为30%的GMZ001膨润土-砂混合物的水分扩散系数与含水率的关系呈U型变化,即随着含水率增加,汽态水分扩散系数减小,液态水分扩散系数增大。根据理论推导建立非饱和导水率估算方程。计算发现,混合物的非饱和导水率随含水率的增大而增大。其中,汽态水分非饱和导水率先增大后略有减小,液态水非饱和导水率始终增大。试验发现,试样吸水后干密度趋于均匀化,试样内部不同位置的应力发展与水分迁移过程密切相关：渗入端的应力在入渗初期增长很快,随后减慢;渗出端的应力持续稳定增长;入渗96 h后,两端应力趋于一致。估算出的水分扩散系数及非饱和导水率,可用于评价混合型缓冲回填材料阻隔核素迁移安全性。     

An experimental study on diffusion characteristics of hardened liner materials to inorganic chemicals

For materials of very low hydraulic conductivity used in the landfill liner systems, e.g., natural clay liners, soil-cement liners, etc., diffusion characteristics should be evaluated, as the transport mechanism of contaminant through them is diffusion controlled. Studies on the diffusion characteristics of the hardened liner materials, such as the soil cement, are relatively few compared with those of clayey soils. In this paper, diffusive characteristics of hardened liner materials (HLMs) applied to the liner system of Sudokwon Metropolitan Landfill in Korea, were studied. Laboratory pure diffusion column tests in the pure- and the advection-diffusion status were performed for the chemicals, NaCl, KCl, and CaCl₂. To evaluate the diffusion coefficient of a HLMs system, a one-dimensional numerical transport program was developed for use in a multi-layered HLMs system. The range of dispersion coefficients of advection diffusion column tests was a little narrower than that of diffusion coefficients of pure diffusion tests, although the two coefficients were quite close. The effective diffusion coefficients of chloride ions of a HLMs were about a half of those in clayey soil due to the high density by compaction and curing. Diffusion coefficients of chloride ions in this study were correlated closely with hydraulic conductivities of the materials tested and were consistent with work in the literature.     

高水压力作用下裂隙岩体渗透性的变化研究

渗透系数是表征裂隙岩体透水性能的一个重要参数,当水压力较小时,岩体的渗透系数变化不明显,但在高水压力条件下,岩体的渗透系数会发生明显变化,这给我们在进行渗流分析时带来了一定的困难,因为多数情况下是将渗透系数当作定值来计算的。在高压水条件下,基于非达西流方程,推导了裂隙岩体的渗透系数与水压力之间的表达式,并给出了常规压水或低水压力、高压压水时水力劈裂前后渗透系数的计算公式。现场压水试验结果表明,当岩体发生水力劈裂后,渗透系数增加明显,此时可以通过压水量和水压力的变化量来计算裂隙岩体的渗透系数。通过几个抽水蓄能电站的高压压水试验结果验证了裂隙岩体水力劈裂前后渗透系数的变化规律,并与实际裂隙岩体的渗透系数进行了比较,其误差在10%左右,表明本文给出的渗透系数表达式的合理性和准确性,为水利水电工程的渗流分析及渗漏量的计算提供了渗透系数选择的依据。     

Nonaqueous liquid pool dissolution in three-dimensional heterogeneous subsurface formations

A three-dimensional numerical flow and contaminant transport model is developed to investigate the effect of variable hydraulic conductivity on average mass transfer coefficients associated with the dissolution of dense nonaqueous phase liquid (DNAPL) pools in heterogeneous, water-saturated subsurface formations. Randomly generated, three-dimensional hydraulic conductivity fields are used to represent a heterogeneous confined aquifer. Model simulations indicate that the average mass transfer coefficient is inversely proportional to the variance of the log-transformed hydraulic conductivity. A power law correlation relating the Sherwood number to the variance of the log-transformed hydraulic conductivity and appropriate Peclet numbers is developed. A reasonable fit between predicted and numerically determined mass transfer coefficients is observed.