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。     

非均质土柱中溶质迁移的连续时间随机游走模拟

非均质介质中溶质迁移往往出现非费克现象,传统的对流弥散方程(ADE)则难以较好地描述这种现象.采用连续时间的随机游走理论(CTRW)研究1250cm长一维非均质土柱中溶质运移问题,探讨CTRW模型中参数及非费克迁移的变化特征.研究结果表明,β值的大小与介质的非均质特征有关,非均质性越强,β值越小,但β值具有相对的稳定性,然而ADE的弥散系数则具有随尺度增大而增大的现象.对于介质非均质性较强和非费克现象较明显的溶质穿透曲线,尤其是在拖尾部分,与ADE相比,CTRW具有较高的模拟精度.     

运城盆地土壤中氟运移规律动态试验研究

针对运城盆地氟污染重点区域取土,借助土柱物理模型试验装置,进行了氟污染物在土壤中的迁移规律研究。得到了不同质地的土壤在连续输入不同污染物浓度条件下,土壤中氟离子浓度随时空变化的过程。结果表明,氟离子化学性质活泼,在土壤中迁移过程比较复杂,氟吸附过程中伴随羟基OH-的释放,故实验过程中土壤溶液pH值由中性过渡到碱性。由于受吸附和解吸作用的影响,表现在氟离子穿透曲线对称性不好,各测点浓度峰值沿程逐渐衰减,拖尾现象严重,垂向迁移距离非常有限,因此运城盆地土壤中的氟离子很难直接垂向淋滤到浅层地下水中,这与实测资料结果一致。     

裂隙含水层水文地质参数反演——以黑龙江七台河市应急水源地为例

为了获取裂隙含水层水文地质参数,以黑龙江省七台河市应急水源地为例,在抽水试验和示踪试验基础上,利用数值模拟软件GMS(Groundwater Modeling System)建立地下水流数值模型和溶质运移模型。通过研究溶质运移单域模型和两区模型,发现在裂隙含水层中两区模型能更好的描述穿透曲线的拖尾现象。实例研究表明利用数值模拟方法反演的含水层参数与解析法结果很接近,数值模拟的水均衡误差为0.024%,参数可靠性较高。研究发现该地区裂隙连通性较好,可作为应急水源地。     

基于CFP的岩溶管道流溶质运移数值模拟研究

多重岩溶含水介质的复杂性导致岩溶地下水流动及溶质运移的数学模拟成为地下水研究难点之一。为了探讨岩溶多重含水介质中地下水流溶质运移特征,文章构建了管道流CFP水流模型和MT3DMS溶质运移三维耦合数值模型。在阐述管道流CFP和MT3DMS基本原理的基础上,通过建立水文地质概念模型算例（1个落水洞、4个直管道）,探讨岩溶管道水流及溶质运移规律,分析讨论不同水文地质参数对浓度穿透曲线的影响。研究结果表明:管道流CFP模型能够刻画岩溶管道与基岩裂隙水流交换特征,MT3DMS模型能够模拟穿透曲线的拖尾现象,符合实际岩溶区特征。随着水力梯度、管道直径及管道渗透系数增大,孔隙度减小,浓度曲线峰值越大,峰值到达时间越快,浓度穿透曲线越对称。得出结论:耦合CFP水流模型和MT3DMS溶质运移模型能够刻画岩溶管道流溶质运移规律,为研究岩溶复杂介质污染物运移特征提供一种思路和途径。     

层状非均质性对CO_2在盖层中迁移泄漏规律的影响

盖层密封性能对CO_2地质封存工程的容量、经济性、安全性具有重要影响。盖层岩石具有明显的层状非均质特点,而这种层状非均质特点直接影响CO_2在盖层中的迁移与泄漏过程,从而影响盖层的密封性能。现有研究考虑了各向同性的非均质性对盖层密封性能的影响,但并未针对层状非均质性盖层展开相应的研究。建立了考虑孔隙度、渗透率和毛管压力参数变化关系的均质、非层状非均质和层状非均质3种盖层地质模型,并采用TOUGH2对统一边界条件的不同地质模型开展了数值模拟对比研究,分析了CO_2进入盖层、盖层内迁移和穿透盖层而形成缓慢泄漏的全过程。模拟结果表明:3种模型中,自由态CO_2饱和度分布与孔隙度、渗透率的分布基本一致;与均值模型相比,非层状非均质性会加速CO_2在盖层中的迁移,而层状非均质性将会阻碍CO_2在盖层中的迁移,增加穿透时间;与均质模型和非层状非均质模型相比,层状非均质模型将会大大降低CO_2的穿透盖层以后的泄漏速率和泄漏总量。针对建模和数值模拟过程中遇到的问题,提出了盖层地质建模过程中的一些局限性。其结果为更加客观和定量地评价CO_2在盖层内迁移规律及泄漏量奠定了一定的基础。     

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。     

含水层层状非均质对地下水流系统的影响

区域尺度上含水层非均质具有复杂的结构性和随机性,难以准确刻画,造成非均质对区域地下水流系统的影响机制研究不够深入。本文以鄂尔多斯盆地白垩系地下水流系统为研究实例,选择典型剖面,采用剖面二维随机数值模拟方法,通过对比不同非均质刻画方法下地下水流场的变化,探讨含水层层状非均质对地下水流系统的影响机制。结果显示,均质条件下模型各向异性（含水层水平和垂向渗透系数比值Kh/Kv）取值为1000时,地下水流场与实际条件较为接近;非均质条件下,渗透系数方差取值0.91,水平相关长度取值5000 m,Kh/Kv取值150时,接近实际条件。研究表明,在大尺度地下水流模拟研究中,采用水平相关长度、渗透系数方差和各向异性值三个变量生成的随机场能很好地刻画含水层的层状非均质特征及其对水流系统的影响控制作用。由于含水层不同尺度层状非均质的叠加效应,采用均质各向异性介质等效概化含水层层状非均质性会造成等效各向异性值偏大失真的效应。     

基于随机理论的地下水环境风险评价

针对确定性模型难以描述含水层非均质空间分布的问题,提出基于随机理论的地下水环境风险评价方法。以矩形场地地下水污染风险评价为例,采用蒙特卡罗法生成大量渗透系数随机场,模拟含水层参数各种可能的非均质空间分布,在此基础上建立场地地下水流模型与溶质运移模型,分别计算污染物在地下水中的迁移转化情况。统计大量随机模拟中污染事故发生的频率,当模拟次数足够多时,污染频率收敛于污染概率,污染风险即通过污染概率体现出来。该方法将模型参数设为满足一定分布特征的随机变量,避免了确定性方法得出的武断的评价结果,可为工厂的选址、水源地的选址等工作提供科学指导。     

基于砂槽电化学-水动力学循环系统氯代烃反应迁移实验与模拟研究

在室内砂槽实验尺度,建立了潜水-微承压含水层中电化学-水动力循环系统下混合氯代烃生物降解的反应迁移模型,求取了混合氯代烃体系中各组分的反应动力学参数,并基于模型探究了含水层性质及工艺参数对该修复过程的影响机制.研究结果表明:（1）增大抽水流量可加快反应速率常数大的污染物降解,同时也会抑制反应速率常数较小的污染物去除.（2）增大电流强度和井内电极对氯代烃的好氧降解和厌氧脱氯过程分别具有促进和抑制作用.（3）含水层非均质性越强,氯代烃降解速率越小,这尤其体现在低渗区,且含水层非均质性对易降解污染物修复效果的影响较小.      

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。     

非平衡-非线性吸附情况下填埋场污染物运移分析

采用Langmuir等温吸附线方程描述非线性吸附性能, 基于改进的混合元方法，通过数值计算与分析，探讨了非平衡吸附条件下污染物运移过程及其机理。计算结果表明: 当考虑非平衡、非线性吸附性能时, 污染物穿透曲线即浓度的时程变化曲线尖锐而狭窄、峰值点前移, “拖长尾”现象不明显, 由此说明，土颗粒对污染物的非平衡、非线性吸附使得污染物的穿透能力增强, 滞留能力下降。进一步的变动参数比较分析表明：Langmuir等温线方程中的参数B、压实粘土衬里的渗透性及地下水渗流速度对污染物运移过程具有显著的影响。     

表面活性剂强化的DNAPLs污染含水层修复过程的数值模拟

根据含水层中水、表面活性剂和DNAPLs的运移规律和相互作用机理, 建立三维多相流数值模拟模型, 用以模拟表面活性剂强化的DNAPLs污染含水层的修复过程.将所建立的模型应用于一个被PCE污染的非均质含水层中, 并分别对污染物的污染过程以及修复过程进行模拟.研究结果表明: 数值模拟模型给出了表面活性剂强化含水层修复过程中非水相流体迁移转化的数学描述, 能够在短时间内、参数有限的条件下真实地刻画DNAPLs在含水层中的运移规律, 并能有效地模拟表面活性剂的修复过程.此外, 模拟结果显示, 由于表面活性剂对PCE的增溶增流作用, 有效地提高了PCE在水中的溶解性和迁移性, 其修复40 d的去除率达到63.5%, 与抽出处理法(去除率为31.8%)相比修复效果明显增强.      

考虑土体非均质传热的河岸带水热耦合模型

为弥补当前河岸带水热交换模拟对土体非均质传热考虑不足的缺陷,在饱和-非饱和渗流及多孔介质传热理论基础上,引入土体有效导热系数模型,构建考虑土体非均质传热的河岸带水热耦合模型。结合COMSOL软件的特点,给出河岸带水热耦合模型的实现方法及求解流程,并通过河岸带温度和水位原型观测资料验证和对比分析不同有效导热系数模型下河岸带水热耦合模型的模拟效果。结果表明:与传统不考虑土体非均质传热方法相比,该模型能够较好地反映河岸带水热交换过程。此外,基于Johansen有效导热系数模型的河岸带水热耦合模型模拟效果表现最佳,模拟结果与前人试验结果一致。研究成果可为河岸带水热交换及污染物迁移过程的深入研究提供技术支撑。     

危废渣库高浓度氟化物在非均质含水层中的迁移模拟分析

近年来,随着水电铝技术的发展,国际先进水平的400ka系列铝电解槽工艺技术已成为水电铝项目的核心技术。水电铝项目中电解槽渣含有大量氟化物,是典型的危险废物,危废渣库防渗及泄漏问题成为了地下水污染防治及保护的重点。本文以某水电铝厂区危废渣库地下水环境影响评价为例,通过对研究区进行水文地质调查及分析基础上,建立研究区渗流模型及污染物迁移模型,在此基础上设定不同情景并模拟不同防渗条件下危废渣库泄漏的污染羽状物迁移情况。研究结果表明高浓度氟化物迁移方向及扩散面积主要受含水层非均质性、危废渣库泄漏持续时间及防渗效果等因素的影响。     

分形法估算分散性污染物的运移时间

污染物运移的分形模型导出一个新的适于任意浓度的污染物运移时间公式.对于一个高度非均质含水层中逐渐形成的污染羽,新公式预算出低浓度更早到达的测点.污染峰或羽的运移时间一般经常从达西定律中采用估算平均孔隙流速法得到,而此估算仅仅提供平均浓度(或污染脉冲的峰值浓度)的运移时间信息.近来,计算出任意浓度的运移时间是一个很直接的过程,并且对一个无反应污染物而言,其突破曲线部分的方程被发展.在文中,我们推导出这些方程去概括污染物运移的分形模型.     

非均质含水层中渗流与溶质运移研究进展

含水层的非均质性控制着地下水渗流和溶质迁移特性,准确定量化描述非均质含水层中的渗流和溶质迁移问题受到广泛关注,已成为地球科学领域中的研究热点。首先从非均质含水层地下水流和溶质迁移理论模型、矩分析、多尺度进行系统综述,指出尺度转换在目前水文地质研究中主要解决的问题以及存在的问题;其次从非均质含水层场地试验、不确定性以及速度连通性等方面分析了该方向的研究进展;最后指出地球物理反演含水层非均质性、随机理论与随机模拟软件开发、尺度转换及速度连通性的不确定性问题、非均质性与水文地质条件关系研究4个方面是该领域今后的主要研究方向。     

基于广义径向流模型的非均质孔隙含水层井流试验分析

Theis模型、Dupuit模型等经典井流模型分析非均质含水层井流试验数据有一定的局限性,获取的参数不适合表征非均质含水层特性。而GRF模型可以获取含水层流动特性的数据。相比于Theis模型、Dupuit模型,GRF模型更能表征非均质含水层特性。以黄石东湖新村棋盘洲长江大桥的抽水试验数据为例,采用Theis模型和GRF模型计算含水层渗透系数,结合实际水文地质条件,对比分析不同方法计算的水文地质参数,并计算含水层水流维数和表观压力传导系数（K_f /S_sf）。结果表明:研究区含水层为细砂夹条带状黏土透镜体的非均质含水层,采用GRF模型计算结果更符合实际情况,渗透系数为 4.09×10?3cm/s;含水层水流维数为1.61,地下水为双线性流动状态,含水层对抽水试验的响应主要受黏土条带控制;观测井和抽水主井的K_f /S_sf呈非线性相关,进一步验证了含水层的非均质性。在非均质孔隙含水层中,应用多孔联合非稳定GRF井流试验方法不仅能确定水文地质参数,并且能丰富对含水层特性的认知。     

硝基苯在含水层中的迁移规律及其转化机理研究

本文通过室内模拟实验，探讨在河流入渗补给地下水的条件下．硝基苯在含水层中的迁移规律及其转化机理。迁移规律实验结果表明，从进水口至出水口的各取样点依次出现硝基苯浓度峰值．并且随着硝基苯迁移路径的延长其浓度峰值相应变小。硝基苯的浓度峰值在含水介质中的持续时间并不很长，但由于硝基苯解吸附作用的存在。在此后相当长的一段时间里都存在较为明显的拖尾现象。转化机理实验结果表明，吸附与生物降解作用是影响硝基苯在含水层中迁移转化的主要因素。淤泥介质对硝基苯的吸附能力要明显大于砂砾介质，淤泥介质中的微生物对硝基苯的吸附影响较大．而砂砾介质中的微生物对硝基苯的吸附影响较小。     

穿透曲线反演管壁溶质通量的实验研究

泉口穿透曲线提供了一个便捷有效的方法来研究岩溶含水层中污染物的运移。在旱季,滞留在石灰岩中的污染物通 过岩壁释放入管道,与管道水相混合并运输到下游泉口,因此,泉口穿透曲线能够反演出污染物释放时的管壁溶质通量。 笔者利用一个基于运移稀释模型的解析解,由40条实验室测量的穿透曲线来反演出相应的管壁溶质通量。结果表明,其基 本形状与穿透曲线相似,管壁透水的非均匀性在穿透曲线上明显表现出来,而在管壁溶质通量上表现为强振荡。因此,管 壁溶质通量比泉口穿透曲线对管壁透水的非均匀性有更高的分辨率。该通量是一个连接泉口穿透曲线和污染物在岩石中早 期分布的中间量,本文提供了一种研究管壁污染物释放过程的新方法。