非均质介质中重非水相污染物运移受泄漏速率影响数值分析

重非水相污染物(DNAPL)在地下介质中运移和分布受多种因素控制,包括DNAPL本身的物理化学性质,土的性质,泄漏条件等等。由于介质的非均质性,使得多相流运移行为更为复杂。基于地下水随机理论构建渗透率随机场,采用蒙特卡罗方法探讨泄漏速率对非均质饱和介质中DNAPL运移的影响。数值结果表明,在泄漏总量一定的情况下,泄漏速率越低,介质非均质性对DNAPL运移的影响程度越高。反之,DNAPL的渗漏速率越高,小尺度地层的非均质性影响越低。由于DNAPL运移过程中在垂直方向受重力的影响,污染羽在空间上的质心位置(一阶矩)以及展布范围(二阶矩)在垂直方向上的变异程度要高于水平方向。     

多孔介质界面对重非水相液体迁移过程影响的图像法研究

重非水相液体(dense nonaqueous phase liquid,DNAPL)污染土壤和地下水的问题已引起广泛关注,研究其在不同粒径多孔介质及其界面的运移特征形态是确定污染区域、修复治理土壤和地下水环境的前提。文章通过室内试验研究多孔介质界面对DNAPL运移与分布特性的影响。首先在二维砂槽上进行DNAPL污染物的入渗试验,试验过程中用数码相机拍照,将DNAPL扩散过程以图像的形式记录下来;然后用AutoCAD对图片进行处理,绘制出DNAPL迁移过程的锋面变化图。结果表明:DNAPL入渗过程中,迁移主要受到重力作用与毛细作用的控制,毛细作用力随着介质粒径的增大逐层减小,重力作用逐渐起主导作用使污染物入渗速度逐层增大;介质结构影响DNAPL的迁移形态,介质粒径逐层增大,DNAPL污染物的渗流面与指进扩散宽度逐层减小,扩散方式由面状变为指状;在不同粒径介质界面介质结构发生突变时,DNAPL迁移锋面线曲率也相应变大,此时DNAPL的迁移呈现“凸”型特征,另外,不同的界面横向扩散的滞留宽度不同,随着介质粒径的增大,界面的横向扩散宽度相对变短。     

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。     

基于集合卡尔曼滤波的多相流模型参数估计——以室内二维砂箱中重质非水相污染物入渗为例

重质非水相有机污染物(DNAPL)泄漏到地下后,其运移与分布特征受渗透率非均质性影响显著。为刻画DNAPL污染源区结构特征,需进行参数估计以描述水文地质参数的非均质性。本研究构建了基于集合卡尔曼滤波方法(EnKF)与多相流运移模型的同化方案,通过融合DNAPL饱和度观测数据推估非均质介质渗透率空间分布。通过二维砂箱实际与理想算例,验证了同化方法的推估效果,并探讨了不同因素对同化的影响。研究结果表明:基于EnKF方法同化饱和度观测资料可有效地推估非均质渗透率场;参数推估精度随观测时空密度的增大而提高;观测点位置分布对同化效果有所影响,布置在污染集中区域的观测数据对于参数估计具有较高的数据价值。     

盐度对多孔介质中DNAPL运移和分布的影响

选用四氯乙烯（PCE）作为典型DNAPL污染物,以NaCl作为地下水中溶解盐代表,研究盐度对DNAPL在饱和多孔介质中运移和分布的影响。通过批次实验测定NaCl水溶液/石英砂/PCE三相体系下的接触角和界面张力,结果表明,PCE在石英砂表面的接触角随着水中NaCl浓度的增大而减小,而PCE和NaCl水溶液的界面张力随着NaCl浓度的增大而增大,尤其当氯化钠浓度较高时（>0.1 mol/L）,影响程度更为显著。在此基础上,采用透射光法监测不同介质情景下DNAPL在二维砂箱中的运移和分布,定量测定DNAPL在介质中的饱和度。实验结果表明,地下水盐度的增加将促进DNAPL的垂向入渗,减少被截留在运移路径上的DNAPL量,使得DNAPL运移路径及累积形成的池状DNAPL（pool）向水流方向偏移。在均质多孔介质和含有透镜体的非均质多孔介质中,随着盐度的增加,DNAPL在横向和垂向上的展布均呈现出增加趋势,导致污染源区变大,且介质中以离散状存在的DNAPL量明显增加。     

结合蒸汽和空气注入修复多孔介质中DNAPL污染物的多目标多相流模拟优化

基于数值方法模拟对比分析仅注入蒸汽与同时注入蒸汽和空气两种情形下原位曝气方法修复多孔介质中DNAPL污染物(以TCE为例)的修复过程。结果显示蒸汽的注入速率和焓值对蒸汽锋面在含水层中的运移速率影响显著;同时注入蒸汽和空气能够有效抑制只注入蒸汽时出现的DNAPL再冷凝现象,从而提高修复效率。基于模拟-优化方法对同时注入蒸汽和空气修复的理想范例建立了多目标多相流优化模型,采用一种自适应通用多目标优化算法AMALGAM求解Pareto锋面。优化结果表明基于混合优化框架的AMALGAM优化算法能有效综合利用多种独立进化算法的优点,自适应地根据独立进化算法的优劣生成子代,保证子代种群最优,收敛速度较NSGA算法更快。     

重非水相液体与水相界面面积的二维实验研究

多孔介质中重非水相液体(Dense Non Aqueous Phase Liquid,DNAPL)与水相的界面面积是影响DNAPL在地下水中溶解速率的关键参数。本文通过二维均质砂箱实验,运用界面分配示踪法和体积分配示踪法分别测定DNAPL与水相的界面面积(单位介质体积内的面积,Anw)和DNAPL饱和度(Sn),并研究两者之间的相关关系。使用C18H29NaO3S(SDBS)作为界面分配示踪剂,Alcohol(2,4 Dimethyl 3 Pentanol)作为体积分配示踪剂,CaBr2作为保守示踪剂。利用Fe2+催化的Na2S2O8对DNAPL进行原位氧化修复,改变Anw和Sn。结果表明,通过定量(用孔隙体积数PV值衡量)加入Na2S2O8,Anw由206 cm2逐渐降为37 cm2,下降速率约为14 cm2/PV;Sn由1.34%逐渐降为0.33%,下降速率约为0.1%/PV;Anw和Sn之间具有良好的线性关系(Anw=146×Sn,R2=0.987)。此关系可用于估算多孔介质中DNAPL与水相之间的界面面积。对实验影响因素的分析表明,孔隙度的增大(变化率为20.7%)使示踪剂穿透曲线出现肩现象和拖尾现象,导致保守示踪剂的保留时间增加5.6%,界面面积减小6.8%。     

非均质孔隙介质中两相流的光透法应用研究

地下水中非水相液体(Non-aqueous Phase Liquid,NAPL)的流动及其曝气修复技术是典型的两相流问题。基于实际地下水含水介质的普遍非均质性,本文应用光透法对非均质孔隙介质中两相流进行了定量试验研究,设计了两组砂箱实验,研究气体和重非水相液体(DNAPL)在非均质孔隙介质中的迁移规律,应用了水/气两相和水/NAPL两相饱和度计算模型。实验结果表明:气体主要由不规则通道向上运动,遇到低渗透性透镜体时在其下方堆积,并开始横向运动,绕过透镜体后继续向上运动,最终在砂箱顶部形成连续气体分布,注气速度越大,气体运移范围越宽;DNAPL在自身重力作用下克服毛管压力向下迁移至低渗透性透镜体,DNAPL无法克服该介质的毛管压力,停止垂向入渗,并在其表面堆积,开始横向运移,绕过透镜体后继续向下运动,最终在砂箱底部形成连续DNAPL污染池。均质介质中建立的计算流体饱和度的水/气模型及水/NAPL模型与实验结果较吻合,可用于非均质多孔介质中水/气相和水/NAPL相饱和度的计算。     

多孔介质中DNAPL与水相界面面积的测定及影响因素研究

重非水相液体(Dense Non-Aqueous Phase Liquid,DNAPL)与水相的界面面积是影响DNAPL在地下水中溶解速率的关键参数。通过设计二维砂箱实验,运用界面分配示踪法测定DNAPL残余饱和态下的界面面积。为量化分析保守示踪剂Br~-的存在对实验结果的影响,共进行两组实验,Br~-和界面分配示踪剂的注入方式分别为依次注入和同时注入。结果表明:(1)两组实验测定的固液相分配系数K_d值分别为0.079 m L/g和0.142 m L/g,表明Br~-的存在增大了介质对界面分配示踪剂的吸附作用;(2)两组实验测定的单位体积多孔介质中界面面积值分别为215 cm~2和237 cm~2,表明Br~-的存在增大了DNAPL与水相交界面对界面分配示踪剂的吸附作用;(3)在本实验范围内(Br~-浓度C_(Br)≤200mg/L),K_d值与Br~-浓度呈良好的线性关系(K_d=0.00032C_(Br)+0.0798),可用于对砂介质的K_d值进行估算和验证。     

非饱和带水-气二相流数值模拟研究进展

通过对近年来水-气二相流数值模拟情况的分析,总结了在水-气二相流模拟过程中,各个主要参数或物理过程的数学概化方法,以及近年来求解水-气二相流方程和污染物运移方程的各种方法,论述了各种方法的优点和不足.并提出了需进一步研究解决的问题.     

基于转移概率随机模拟的DNAPL运移二维和三维数值模拟对比研究

非均质介质的空间维度变化对重非水相流体（DNAPL） 的运移具有重要的影响。在充分考虑地质体的空间连续 性、不对称性以及各向异性等特征的基础上,采用基于马尔可夫链的转移概率（transition probability） 模型来构建非均质 随机场。该文通过TMVOC-MP软件来模拟DNAPL在非均质介质中的运移规律,探讨非均质随机场的水平空间连续性、 空间维度变化以及侧向运移过程对DNAPL运移的影响。结果表明,介质的水平空间连续性越好,DNAPL在水平方向的 迁移范围越大,在垂向的迁移范围越小;相比于三维模型,二维模型中DNAPL在水平方向的展布更大、在透镜体上的蓄 积量更多,在实际应用中以二维模型代替三维模型会加大模拟结果与实际污染情况之间的误差;侧向运移过程削弱了单 个平面的非均质性对DNAPL运移的控制,当存在侧向运移时,DNAPL绕过透镜体所运移的距离以及在透镜体上的蓄积 量会相应减小。     

二维孔隙介质中重非水相液体饱和度测定与分析

在二维均质饱和孔隙介质中利用光透法与高密度电阻率法定量监测重非水相液体(DNAPL)的运移过程与饱和度。 将光透法与高密度电阻率法相结合,进行高密度电阻率法对 DNAPL 在饱和多孔介质中渗流过程的定量监测。在二维砂箱 中进行 DNAPL 的入渗试验,应用光透法与高密度电阻率法进行动态监测,分别利用 CCD 相机、LCR 数字电桥采集数据。 光透法的数据处理采用“水-DNAPL”两相中 DNAPL 饱和度的计算公式。而高密度电阻率法的数据处理是将获得的电阻值 数据转化为电阻率值,然后利用 Archie 公式获得重非水相液体的饱和度空间分布。Archie 公式中参数β值本文采用与光透法 相结合的新方法来获取,克服了传统方法获取β值时存在的困难。根据不同时刻的饱和度空间分布可以估算注入砂箱内的 DNAPL 总量,并将其与实测的入渗量进行对比。结果表明,与光透法结合后的高密度电阻率成像法能定量监测饱和孔隙介 质中 DNAPL 的入渗过程,且估算的 DNAPL 入渗量与实测值比较吻合,提出的基于光透法计算β值的新方法是有效且可行的。     

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.      

DNAPLs污染含水层多相流数值模拟模型的替代模型

针对表面活性剂强化的重非水相流体(DNAPLs)污染的含水层修复问题,在建立多相流数值模拟模型的基础上,应用拉丁超立方采样(LHS)方法,在多相流模拟模型可控输入变量的可行域内采样,有效提高了采样效率和覆盖程度。根据采集的样品数据集,运用多元回归分析方法建立多相流模拟模型的替代模型--双响应面模型,为DNAPLs污染含水层修复过程的优化设计的耦合技术探索新的理论和方法。经检验,替代模型计算结果的相对误差均小于10%,精度较高,说明其在功能上充分逼近模拟模型。运用替代模型实现模拟模型与优化模型的连接,可以大幅度减少优化模型计算过程中直接多次反复调用模拟模型所引起的庞大计算负荷。     

多孔介质中非水相流体运移的数值模拟

针对多孔介质中水、气和非水相流体(NAPLs)的多相流动特点,建立了非水相流体(NAPLs)污染物迁移模型,分析了非水相流体在土壤非饱和区和地下水系统中的运移规律。通过有限元数值解对轻非水相流体和重非水相流体在土壤系统中的迁移过程进行模拟,得到了污染物的时空分布特征和污染范围。计算结果表明,数值模拟方法能够合理地描述非水相流体的运移过程和污染特征。土体渗透性和污染物残余饱和度是其重要影响因素。     

多孔介质中毛细压力、饱和度和相对渗透率的确定方法

目前石油溢出或者地下储油罐泄漏等原因引起的土壤和地下水非水相流体（NAPLs）污染问题越来越引起人们的关注，由NAPLs、水和气所组成的两相或三相系统中的多相流问题亦是当前的研究热点。其中毛细压力（h），饱和度（S）和相对渗透率（k）是多孔介质多相流研究中的三个重要参数，在多相流室内试验研究中是主要的物理监测量，而且三者之间基本关系式的确定是多相流模拟时进行流动控制方程求解的前提条件。本文从室内试验和模型关系两个方面综述了土壤中NAPLs、水和气所组成的多相流系统中毛细压力、饱和度和相对渗透率以及它们之间相关关系的确定方法。     

多孔介质中含均相/非均相反应传质过程数值模拟

结合化学反应方程式,并应用多孔多相介质溶混污染物输运过程的数值模型,对多孔多相介质中含均相/非均相化学反应传质过程进行了数值模拟。化学反应主要包含均相快速/慢速和非均相快速/慢速等5种化学反应过程,溶质输运行为的控制机制主要考虑对流、扩散及降解、吸附等。基于原有的隐式特征线Galerkin离散化的有限元方法,求解模型控制方程的边值初值问题,求解过程中把均相化学反应物质中按照反应物和生成物分开,非均相反应物质按照固相和液相分开,对均相反应物及非均相液相物质浓度耦合求解,而均相生成物和非均相固相物质独立求解。使方程组按照其不同类型进行分类,同时可减少未知数的个数。对于含有非线性内状态变量的右端项进行迭代求解。数值例题结果验证了所提出的数值方法的有效性、计算精度和稳定性。     

井间分溶示踪估计重非水相污染物残留量的影响因素数值分析

对于重非水相污染场地,传统的钻孔取样方式因经费和取样个数的限制,往往无法准确估计含水层中重非水相污染物的残留量。井间分溶示踪法费用较低,且不会对污染源区造成破坏,可适用于推估重非水相污染物残留量,但目前该方法的准确性尚未得到验证。本文基于数值模拟方法探讨了示踪剂注入速率、示踪剂类型以及污染源区结构等多因素对井间分溶示踪估计重非水相污染物残留量准确性的影响。数值算例结果表明:井间分溶示踪实验估计重非水相污染物残留量的误差小于15%;降低示踪剂的注入速率使得分溶性示踪剂在非水相和水相流体间作用更充分,能够提高井间分溶示踪估计重非水相污染物残留量的精度,实验中示踪剂注入速率由500 m3/d降为250 m3/d后,多种情景的平均精度由91.68%提高至93%;选取低分溶系数的示踪剂有利于提高示踪剂的回收率,从而提高推估精度,实验中示踪剂由2,2-二甲基-3-戊醇改为己醇后,平均精度由87.83%提高至96.85%;复杂的重非水相液体污染源区结构易于出现示踪剂绕流等现象,导致井间分溶示踪估计重非水相污染物残留量的误差增大,实验中含水层由均质变为非均质后,平均精度由93.03%变为91.65%。重非水相污染场地调查时,建议结合数值模拟方法选择适宜的示踪剂和示踪剂注入速率,以提高污染场地的刻画精度。     

渗透率空间变异性对重非水相流体运移的影响

中针对多孔介质中水、气和非水相流体的多相流运移特点,建立了由包气带至饱和带的 NAPLs- 水 - 气三相流模 型。用 Karhunen-Loeve 展开方法构建 4 个空间变异性不同的渗透率随机场。在此基础上,分别模拟 4 种情景重非水相流体 (DNAPLs)的泄漏运移过程。通过分析 DNAPLs 饱和度的空间分布以及其空间矩随时间的变化来探讨渗透率空间变异性对 DNAPLs 运移的影响。结果显示,随着渗透率空间变异性的增强,DNAPLs 饱和度的空间变异性增大。渗透率场中的优势通 道对 DNAPLs 运移有着显著影响,直接决定 DNAPLs 的运移路径和饱和度分布。渗透率场的各向异性降低了 DNAPLs 在垂向 上的运移速度,影响污染羽的形态。     

水流交汇区污染物输移扩散特性

为分析水流交汇区污染物输移扩散规律,开展了交汇区污染物浓度分布规律的实验和数值模拟研究。建立了交汇区污染物扩散的水气两相流数学模型,并采用实验结果进行验证,对交汇区不同流量、动量和交汇角情况进行实验和数值模拟研究。结果表明:含高浓度污染物的支流汇入干流后,在交汇口下游支流侧形成较长的污染带,且支流与干流的交汇角和流量比(动量比)越小,污染带越狭长;在污染带范围内,污染物浓度梯度较大;污染物分布主要受随流输移和扩散的综合作用影响,其中在交汇区污染物的扩散作用明显。