岩溶管道结晶堵塞水动力-化学反应耦合模拟对比研究

岩溶隧址区含水层内的高矿化度地下水渗入排水管道中,由于温压条件的改变,会导致渗流结晶从而堵塞排水管道。为定量化研究隧道排水系统结晶堵塞过程,本文首次构建了考虑管道水动力场、浓度场和化学反应场耦合的排水管岩溶水结晶堵塞模型,采用动网格和水平集方法定量刻画隧道排水系统结晶堵塞过程,开展模拟对比研究,分析温度、流速和溶液浓度等因素对结晶堵塞的影响程度。结果表明：(1)两种方法均能实现结晶堵塞过程的模拟预测,其中动网格方法建模简单,且求解精度高;水平集方法可追踪拓扑结构的变化,模拟管道完全堵塞的过程;(2)纵管内流速普遍大于横管,横管内CaCO₃晶体浓度高于纵管,因此结晶堵塞主要发生于横管中;(3)温度和溶液浓度与结晶速率呈正相关关系,管内流速与结晶速率呈负相关关系。本文构建的考虑水动力-化学反应耦合的结晶堵塞数值模型可为岩溶隧道堵塞早期识别与安全评价提供技术支撑。     

有机污染土壤-地下水系统中的微生物场及多场耦合研究

了解污染场地中微生物群落对有机污染物迁移转化的影响是高效修复治理有机污染场地的基础。自然界中的微生物以“场”的形式通过与水动力场、温度场、化学场等耦合作用,发挥其在维护生态稳定性及物质循环过程中的功能。微生物与有机物关联研究的文献计量分析结果显示,近年来关于微生物和有机物的研究主要集中在微生物群落结构、有机物的生物降解及有机物的迁移转化3个方面及一系列的关联研究中,而关于将微生物以“场”的形式定量刻画微生物在物质循环转化和维持生态稳定性方面作用的研究几乎没有。为此,本文通过研究给出了微生物场的定义,提出了有机污染场地中的微生物场概念模型和数学模型,分析了微生物场的主要影响因素及影响机制,构建了微生物场与水动力场、温度场、化学场之间耦合的本构模型。最后,对微生物场下一步的研究提出了展望。     

水动力和介质非均质性影响下DNAPLs运移数值模拟

选定氯苯为典型DNAPL建立理想的地表污染泄漏多相流运移模型,利用TOUGH系列软件TMVOC模块进行数值模拟,探讨地下水动力、介质非均质性及两种因素协同作用时对DNAPLs运移和分布的影响。研究结果表明:(1)水力梯度增大了DNAPL水平和垂向运移速率;当水平向水力梯度过大时,反而导致垂向速率减小。(2)透镜体主要发挥阻滞作用,绕过透镜体后,下游侧污染指入渗深度明显大于上游侧;水力梯度的存在进一步增强介质非均质性的影响,产生更多集聚和绕流,形成不规则的污染指和污染池交替组合形态。     

反渗透条件下粘土膜效率系数的试验研究

针对反渗透系统在给定流速和渗入端定浓度条件下的膜效率系数求解问题,提出利用粘土中盐运移模型的解析解计算膜效率系数的方法。通过设计反渗透试验,测定拟稳定状态下相关参数,利用盐运移模型的解析解,求得粘土膜效率系数,由此进一步讨论流速测定值的误差和拟稳定时长变化对膜效率系数影响。研究表明,重塑粘土膜效率系数为0.9010~0.9064,粘土的膜性能好,但120 d后计算的渗出浓度达到0.0998 mol·L~(-1),接近于渗入浓度0.1 mol·L~(-1),说明粘土膜拦截盐的能力随时间下降。此外,在拟稳定状态下的敏感性分析表明,流速在偏离试验设定条件的±10%范围内,对膜效应系数的影响不超过±1.25%,拟稳定时长变化对膜效应系数的影响不超过0.71%,说明计算方法可靠性高。     

大连周水子海水入侵区地下水多目标优化管理模型

将改进后的遗传算法GA（添加了小生境、Pareto解集过滤器等模块）与变密度地下水流及溶质运移模拟程序SEAWAT-2000相耦合,新开发了变密度地下水多目标模拟优化程序MOSWTGA。将MOSWTGA应用于求解大连周水子地区以控制抽水井所在含水层不发生海水入侵为约束的地下水开采多目标优化管理模型,得到地下水最大开采量与海水入侵面积之间一系列Pareto近似最优解。研究成果不仅为实行合理的地下水资源配置提供了科学的实用模型,同时也为解决多个优化目标下的变密度地下水优化管理问题提供高效可靠的模拟优化工具,具有重要的潜在环境经济效益。     

海水垂向入侵问题研究进展

随着全球气候变暖,风暴潮在沿海地区的频率和强度均可能增长,由此引发的海水垂向入侵可能会造成大面积的含水层淡水咸化。同时,由人类活动引起的沿海虾塘咸水养殖规模日益增长,由此引发的咸水垂向入侵可能会导致沿海地区地下水水质及生态环境的恶化。虽然已有一部分学者在海水(咸水)垂向入侵的研究中取得了成果,但由于海水(咸水)垂向入侵过程复杂,其对地下水咸化及恢复规律依然有待深入研究。文章阐述了海水垂向入侵的危害及前人的研究办法,总结了他们的研究成果并得出了海水垂向入侵的影响因子,指出了洪水和养殖活动对沿海地区含水层的威胁。得出的结果如下:研究海水垂向入侵常用的方法包括室内试验和数值模拟;海水垂向入侵主要与地形地貌、含水层性质和水文气象条件有关;虾塘养殖等人类活动可能会成为垂向咸水入侵的潜在来源。建议未来在海水垂向入侵研究中将多种现场观测实验方法结合起来。数值模拟应注重与现场观测实验数据相互验证,模型简化的方式有必要仔细考虑。虾塘养殖等人类活动可能造成的垂向咸水入侵问题应更多地受到关注。     

某拟建铁矿裂隙-岩溶矿区开采涌水量数值模拟研究

矿坑涌水是矿产安全开发的主要威胁,如何精确地预测开采涌水量直接关系到矿山开发远景和生产安全。以某拟建铁矿为例,建立地下水系统水文地质概念模型和数学模型,并对地下水流模型的参数进行识别校正和敏感性分析,采用有限差分数值模拟方法,评价矿体-400、-500、-600m共3个开采水平的矿坑开采涌水量。计算结果表明,数值模拟技术可以系统地描述矿区地下水系统,评价涌水量的主要来源,并对后期矿产开采和水量的优化配置具有指导意义。