西宁市贵德县河滨公园林场第四系含水层弥散试验研究

地下水污染问题日益严重,研究溶质运移的弥散理论开始应用于实际问题。建立地下水溶质运移模型,对地下水中污染物的运移及发展趋势进行准确预测,是对地下水进行保护、对地下水污染进行控制的基础。而弥散参数的确定则是地下水溶质运移模型建立的关键环节之一,直接影响着模型预测结果的精度和准确性。 对西宁市贵德县地下水污染的水质运移规律进行分析,在贵德县河滨公园林场采用径向收敛流水动力弥散理论方法进行了第四系含水层现场弥散试验,计算了试验场地潜水含水层的弥散度,获得纵向弥散度(a_L)为0.843~0.998 cm,横向弥散度(a_T)经验推断值为0.17~0.20 cm,为进一步建立该地区的地下水溶质运移模型、预测地下水污染的发展趋势和评价该地区地下水环境质量提供了数据参考。     

地下水水质的教学模擬(二)——水动力弥散方程与水动力弥散系数

地下水水质的数学模型可分为纯对流型与对流弥散型两种。纯对流模型忽略弥散的作用,不考虑过渡带,即认为溶质的运移完全由流速场的分布所确定。这类模型比较简单,也比较容易处理,在研究大范围内的水质变化时经常采用。但是,要想得到溶质浓度的精确分布,限于纯对流模型则不能满足要求,     

注入时间和静水压力对孔隙热储层中Cl-运移影响

迄今为止,注入时间和静水压力对溶质在深层承压地热水中的运移规律影响研究少有报道。通过模拟35℃的低温地热环境,开展了注入时间1,2,3,4,5 h以及静水压力0,6,9 MPa条件下Cl^-的运移柱模拟试验。采用CXTFIT 2.1软件进行数值模拟,探讨了孔隙型热储砂土中Cl^-的运移规律和影响因素。结果表明：在模拟的低温孔隙型热储层中,不同注入时间和静水压力下,Cl^-的运移曲线均呈正态对称分布,一维对流弥散(CDE)模型也可较好地表征其穿透曲线,因此溶质扩散过程符合菲克定律。注入时间的不同,会引起Cl^-的穿透曲线、运移参数发生变化,这与不同注入时间条件下溶质注入总量、柱内溶质浓度差以及分子扩散能力不同有关。在不同静水压力条件下,弥散系数从0 MPa的25.22 cm²/h增加到9MPa的36.13 cm²/h,分子扩散系数、机械弥散系数以及弥散度也随之增大,因此溶质的弥散作用随静水压力的增大而增强。研究结果对于丰富地下水的溶质运移理论具有重要意义。     

白于山以北潜水含水层野外弥散试验研究

建立地下水溶质运移模型,对地下水中污染因子的运移扩散情况进行预测,是对地下水进行保护和对地下水污染进行控制的关键。地下水溶质运移模型中弥散参数对模型预测结果的精度和准确性有着至关重要的作用。对陕北白于山以北地区潜水含水层污染水体的运移规律进行分析,采用径向收敛流水动力弥散理论方法进行潜水含水层的弥散试验,计算场地潜水含水层的弥散参数。研究结果表明:计算得到的纵向弥散度(a_L)为0.58 cm,横向弥散度(aT)经验推断值为0.116 cm。研究结果可为该地区进一步建立地下水溶质运移模型和制订有效的地下水污染防治措施提供数据参考。     

区域地下水溶质运移随机理论的研究与进展

在总结近年来国内外区域地下水溶质运动研究的基本理论、方法和部分成果的基础上,论述了溶质在大区域运动的主要影响因素为区域介质的空间变异性。首先总结了野外条件下饱和介质和非饱和介质土壤渗透性能的空间变异性结果,由于野外渗透介质严重的空间变异性,研究溶质在野外条件下的运动采用了随机理论方法。基于Lagrange方法和Euler方法,研究结果表明,在渗透系数为对数正态二阶平稳及一阶扰动近似条件下,平均浓度满足对流－弥散方程,方程中宏观弥散度决定于介质渗透性能的统计特征,总结了一系列宏观弥散系数的表达形式,在此基础上,指出了需要进一步研究的问题。     

《地下水污染与地下水水质模拟》即将出版发行

由王秉忱研究员等编著的《地下水污染与地下水水质模拟》一书即将公开出版发行。全书共分十六章达九多万字。该书系统论述了环境地质工作中有关地下水污染与地下水水质模拟的基本理论和工作方法。诸如:进行地下水污染研究及其水质预测的基本理论;地下水中溶质运移的基本规律;弥散理论的建立;地下水污染调查及其水质预测的工作方法;弥散参数的实验室和野外测定;地下水运动和地下水污染的基本方程、水动力弥散方程几种典型定解问题的解析解及其应用;水动力弥散方程的有限差分法;水动力弥散方程的有限单元法;解地下水溶质运移方程的边界积分方程法;水动力弥散方     

宏观水力传导度及弥散度的确定方法

根据非饱和水力传导率野外试验的统计数据,利用由随机理论推求的宏观水力传导率、宏观水分特征曲线、宏观弥散度的计算公式,计算了介质的宏观参数,为区域非饱和水分运动和溶质运移问题的分析和预测奠定了基础.     

当代地下水科学面临的一些新问题(中)

三、裂隙网络中溶质机械弥散的模型研究在研究裂隙水运动时,裂隙网络可以用一个等价的多孔介质系统来模拟。     

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.      

一维均质与非均质土柱中溶质迁移的分数微分对流-弥散模拟

分数微分对流-弥散方程(FADE)是模拟溶质迁移问题的新理论,但应用FADE来模拟溶质迁移时能否克服弥散的尺度效应尚待验证。利用长土柱实验资料结合FADE的解析解拟合推求FADE的弥散系数,并分析其与尺度之间的相关关系。研究结果表明,FADE的弥散系数具有随尺度增大而增大的现象,且均质土柱中FADE的弥散系数尺度效应小于非均质土柱中弥散系数尺度效应。在均质土柱中,弥散系数与尺度之间成指数相关关系,在非均质土柱中,弥散系数与尺度之间成幂相关关系。考虑了弥散系数分别与迁移时间和迁移距离呈线性递增两种相关关系,进而分别构建了3种考虑弥散尺度效应的FADE模型,并提出了求解的差分方法。利用上述3种考虑弥散尺度效应的FADE来模拟和预测不同空间位置处的溶质迁移过程。结果表明,对均质土柱中的溶质迁移可得到较好的模拟结果;对于非均质土柱,其模拟结果与实测结果仍然存在一定的差异。     

地下水多组分反应溶质迁移模型的研究进展

描述多孔介质中地下水中溶质迁移行为的模型有两类:一为溶质的多组分水化学平衡模式;二为溶质的水动力迁移模式(对流-弥散模式)。对这两类模型进行了回顾,着重介绍了近年来两者耦合模型的发展,提出了尚需解决的问题。     

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。     

求溶质在潜水中水平弥散系数的野外试验及其计算

随着环境水文地质工作的不断深入,研究溶质运移的弥散理论开始应用于实际问题。弥散理论主要研究在地下水运动的基础上水中化学成分的浓度变化。它应用于污染调查研究,可对某种污染物质在地下水中的运移作出定量评价,从而提高污染调查的研     

求解对流占优地下水水质模型的有限元高精度广义迎风单元均衡格式及应用

根据水质模型的具体特点，对不同的方程采用不同方法，水流问题用有限元法；对流弥散方程先用算子分裂的方法分解为两个方程，即对流方程和弥散方程，前者用高精度广义迎风格式求解，对弥散方程则采用多单元均衡格式法求解，最后合成为高精度广义迎风均衡格式求出溶质浓度。通过对数值实验例子的计算和实验溶质迁移的模拟，可以看出在求解对流弥散定解问题时，广义迎风均衡格式克服了有限元数值波动和浓度出现负值的问题，与有限元相比有较大改进。     

孔隙尺度多孔介质流体流动与溶质运移高性能模拟

深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体(分辨率3.7μm)为研究对象,在空间节点数多达64 000 000的情况下,基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数,并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现,结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD(即10^-13m^2)量级,远低于规则堆叠的圆球结构(>20 000 mD);土壤的迂曲度为1.40~1.60,明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明,渗透率大的样品具有较小的迂曲度,这与结构的空间异质性有较强的关系;土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性;在水力梯度一定的前提下,渗透率较大的样品,纵向弥散系数也较大;同时,结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟,可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。     

土壤水分与溶质运移机制的分形理论研究进展

土壤中水分和溶质运移一直是土壤-水环境系统中的研究热点,也是目前仍未得到很好解决的问题.将分形理论应用于土壤水分溶质运移机制的研究,探讨其领域中的众多复杂问题,是一种全新的思路和方法.在对土壤结构定量化的分形表征进行简要阐述的基础上,重点介绍了分形理论在水分特征曲线和水力传导度等土壤水分运动基本参数的分形模型、土壤水分运移过程模拟、土壤溶质运移的非费克现象、弥散度的尺度效应以及溶质运移机制研究方面所取得的一系列成果,并就分形理论今后在土壤水分、溶质运移研究中的应用作了展望.     

求解对流占优地下水水质模型的有限元高精度广义迎风单元…

根据水质模型的具体特点，对不同的方程采用不同方法，水流问题用有限元法；对流弥散方程先用算子分裂的方法分解为两上方程，即对流方程和弥散方程，前者用高精度广义迎风格式求解，对弥散方程则采用多单元均衡格式法求解，最后合成为高精度广义迎风均衡格式求出溶质浓度。     

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。     

长春西部串湖含水介质弥散试验及污染质运移研究

水动力弥散系数是建立地下水水质模型,进行地下水溶质运移研究的重要参数。在野外调查的基础上,设计并开展了室内二维水动力弥散试验,应用直线图解法确定了研究区含水介质的纵向、横向弥散系数。建立了该区地下水溶质运移模型,并对其进行了预测分析。     

避免异参同效的抽水井表皮层溶质运移方程推导

抽水井表皮层溶质运移控制方程受到异参同效的影响,存在参数估计的多解性问题。提出一个新的抽水井表皮层溶质运移方程(新瞬态Robin边界条件),并以径向收敛示踪试验为例构建其溶质运移模型。当抽水井为完整井时,通过拉普拉斯变换和有限傅立叶余弦变换得到模型的解析解;当抽水井为非完整井时,应用有限元法构建数值解。结果表明,表皮层溶质运移控制方程导致所估计的表皮层宽度(w)和形成层垂向弥散度(α_z)是在0.5 m≤w≤1.0 m和0.08 m≤α_z≤0.10 m范围内的任意组合,偏离实际值。反之,当表皮层佩克莱数(w和表皮层径向弥散度的比值)小于1时,新瞬态Robin边界条件能够准确反映表皮层的影响,消除w与α_z的多解性。参数估计值(w=0.31 m、α_z=0.17 m)唯一,接近实际值。新模型已成功用于野外试验。