多组分离子交换吸附反应-运移的土柱试验及模拟

利用室内一维饱和垂直土柱对保守性溶质运移和反应性溶质运移分别进行了试验,并用水文地球化学模拟软件PHREEQC模拟了保守性溶质Cl-的运移以及K+、Ca2+、Na+、Mg2+4种主要阳离子的反应运移过程,分析了土壤中发生的离子交换吸附和盐分运移过程,进一步模拟分析了不同入流溶液种类、次序以及有无置换反应情况下出流溶液的差别。结果表明:这些条件的不同均会对出流溶液的种类和浓度产生明显影响,表明水文地球化学反应对地下水中污染物的迁移会产生很大影响,在相关领域的研究中不宜忽略。     

地下水溶质运移数值模拟中减少误差的新方法

地下水中污染物运移的数值模拟方法一直是学界的研究热点问题.而如何减少与消除对流-弥散方程数值解中浓度陡锋面附近的数值振荡与数值弥散,更是研究的前沿与难点.提出了一种地下水溶质运移数值模拟中减少数值弥散的新方法.该方法的核心思想是在水动力弥散系数上加上一个数值弥散估算值,得到一个修正弥散系数,用其替代方程中有明确物理意义的水动力弥散系数进行计算.并提出了一个参数——数值弥散因子(μ_NDF),可以根据研究需要进行参数分区并适当调节该因子的大小,从而达到控制数值振荡,减小数值弥散的目的.从一维到二维的多个数值算例的模拟计算结果表明,该方法能在消除数值振荡的基础上,较好地减少数值弥散,达到满意的精度.     

地表地下耦合的水量及溶质运移模拟研究进展

地表水与地下水之间存在强烈的相互作用,构建地表水和地下水耦合的水量和溶质运移模型可以揭示地表水和地下水之间的相互作用机制,并提高地表地下水量水质预测的精度。介绍了现有的地表地下耦合的水量及溶质运移模型,对比了各模型的求解方法和适用领域,总结了这些模型的应用现状。其中水量模型中全耦合模型精度较高,是未来模型发展的主流方向,溶质运移模型中溶质反应过程模拟较为欠缺。未来应在优化求解算法、提高溶质反应模拟和加强裂隙介质模拟等方面深入开展相关研究。     

反应性溶质在不同质地饱和土柱中运移的数值模拟

盐渍土壤中的物理化学作用对溶质运移具有重要影响.吸附和离子交换作用是土壤中常见的反应.利用室内土柱出流实验对这两种作用下的单组分和多组分溶质运移进行了探讨,用CXTFIT软件模拟了只考虑对流-弥散的常规溶质运移;用水文地球化学模拟软件PHREEQC进行了耦合吸附和离子交换反应的模拟.结果表明,土壤质地对单组分溶质的运移具有重要影响,而在多组分溶质运移中,组分之间的相互作用对溶质运移具有更为重要的影响,并且耦合物理化学作用的模拟精度更高.     

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。     

地下水溶质运移数值模拟模型参数的局部灵敏度研究

采用局部灵敏度分析方法计算天津市滨海新区南港工业区内某研究区含水层渗透系数、降水入渗补给系数、纵向弥散度、孔隙度对地下水溶质运移数值模拟模型模拟结果的影响。结果表明,含水层渗透系数、纵向弥散度及孔隙度灵敏度较高,对模拟结果影响较大,降水入渗补给系数对模拟结果影响很小。三个灵敏参数的灵敏度排序为孔隙度>纵向弥散度>渗透系数。     

昆明地热田岩溶地下热水系统中溶质运移的模拟

通过对昆明地热田深层基岩地下热水系统的地质、水文地质条件和开采现状的分析,建立了考虑温压变化和越流条件的岩溶热储层中地下热水的水流和溶质(污染物)运移的准三维非稳定流数学模型.对开采条件下地热田Ⅱ块段地下热水系统中水位及F-、Cl-、NH+4、SO2-4浓度的模拟结果表明,所建立的模型合理、可靠,具有较高的仿真性.模型可预测不同条件下地热田地下热水的流场和溶质浓度的动态变化趋势,为防治地下热水环境的进一步恶化提供参考.     

基于溶质运移模拟的某化工场地污染物对拟建水库污染风险预测

溶质运移模拟是污染风险预测的一种有效手段。本研究为查明研究区内某有机污染场地作为污染源对拟建水库的影响,基于对区内流场的精确测量,建立了准确的地下水流模型和化工厂泄露有机污染物的溶质运移模型,预测分析了研究区拟建水库修建前、后地下水流场及污染物迁移情形的变化。模拟结果表明：水库和周边两种设计水头的截渗沟建成后,改变了自然条件下的流场,形成水库向截渗沟排泄、截渗沟向周边排泄以及水库和周边区域均向截渗沟排泄两种地下水流场。某些污染羽扩散范围虽比自然条件下有所增大,但向水库方向的扩散均未超出300 m,不会对水库水质构成污染风险。     

水及溶质在有大孔隙的土壤中运移的研究(Ⅱ):数值模拟

本文根据CT扫描得到的土壤大孔隙分布、离心机法测得的土壤水分特征曲线以及计算得到的土壤大孔隙和基质的饱和水力传导度和弥散度,采用新的数值方法模拟了水及溴离子在原状土中的运移,分析比较了模拟结果,得到了原状土溴离子在各时刻的运移图,定量分析了大孔隙的存在对水及溶质运移的影响和对地下水造成的污染.     

基于图像法的多孔介质双分子反应溶质运移模拟

采用图像分析法确定溶质浓度,以硫酸铜和EDTA二钠作为双分子反应物,在多孔介质模型中开展了不同粒径(1.52.0,2.53.0,3.54.0 mm)和流量(1.0,1.5,2.0 mL/s)下反应性溶质运移实验,探讨了应用不完全混合的对流弥散模型(IM-ADRE)对双分子反应溶质运移的模拟和预测,并进行了参数敏感性分析。结果表明:图像分析法可准确获取多孔介质中显色反应性溶质的浓度,灰度值与浓度的决定系数R²大于0.96;用IM-ADRE模型能够准确预测双分子反应性溶质硫酸铜和EDTA二钠在3种不同多孔介质中的运移过程,误差低于3.71%;实验条件的改变对IM-ADRE模型参数D、m和β₀的影响显著,说明模型参数依赖于环境条件,其变化规律需要根据实际环境条件进一步率定,便于IM-ADRE模型的进一步推广应用。     

再生水灌溉条件下氮磷运移转化实验与数值模拟

利用二维饱和-非饱和土壤氮磷运移转化模型nitrogen-2D对污水灌溉试验的实测数据进行了分析, 结果证明所提出的模型可以较好的描述土壤中的水分运动和氮的转化运移过程, 土壤含水量及铵态氮剖面模拟值与实测数据吻合程度较好.用检验过的数学模型模拟了不同污水灌溉方案下土壤及地下水中不同形态氮及磷的变化情况, 分析了不同灌溉方案下土壤的氮磷平衡和农田养分平衡状况, 结果表明: 适度的污水灌溉, 硝态氮和无机磷不会淋溶出1.5m土层, 不会对地下水造成氮磷污染; 施入土壤的铵态氮, 由于有较强的吸附性, 不易被作物直接吸收, 49%转化成硝态氮, 作物根系吸收以硝态氮为主, 氮肥当季利用率为23.3%;反硝化是进行污水灌溉时旱地土壤氮素的主要损失形式, 约占施入氮量的12.6%.      

积雪融雪过程中水、热、溶质耦合运移规律的研究进展

大气污染的加剧,形成大量的酸性雨,在冬季则以酸性雪的形式出现.酸性雪对土壤环境、水环境及生态环境的影响已经引起世界性的关注,而对于积雪、融雪过程中水、热、溶质耦合运移规律的研究是评价和预测这些影响的理论基础.在查阅大量中外相关文献的基础上,对该领域的研究历史、发展现状和尚待解决的问题进行了综述.     

基于TOUGHREACT的成矿过程化学反应数值模拟——以虎头崖铅锌多金属矿床为例

虎头崖铅锌多金属矿床是青海省祁漫塔格成矿带中典型的矽卡岩型矿床。本文基于前人对该矿区地质特征、矿物学和地球化学特征等方面的研究成果，利用TOUGHREACT数值模拟软件，针对石英-晚期硫化物成矿阶段进行成矿过程化学反应数值模拟研究。通过建立地质概念模型和网格化物化参数的设置，在设置的时间步长内对多相流体流动和热对流传导、溶质运移以及地球化学反应过程进行模拟计算，研究了矿区内不同温压条件下成矿元素化学平衡浓度变化的总体趋势以及对方铅矿和闪锌矿矿物溶解沉淀情况的影响。结果表明：当温度从250℃降至155℃时，Pb²⁺的化学平衡浓度出现骤减；当温度从300℃降至100℃时，Zn²⁺的化学平衡浓度出现骤减；由于矿物的沉淀需要消耗大量相关的成矿元素，方铅矿和闪锌矿最佳成矿温度范围分别为155℃~250℃和100℃~300℃；不同温度和压力对成矿元素化学平衡浓度影响不同，温度是控制方铅矿和闪锌矿沉淀化学反应的核心因素，压力的影响较小。模拟结果与传统地质解译结果相对符合，证明了模拟的有效性。     

模拟多孔介质中生物化学输运的有限颗粒法的一个修正算法

给出了有限颗粒法(FCM) 的一个修正算法, 用来模拟二维多孔介质中复杂的物理、生物化学输运现象.该算法不仅具有与早先的FCM一样的优点, 而且可以在更微观的水平上保证质量守恒, 获得更为准确的颗粒位置, 从而有利于质量交换的高精度计算.计算结果与精确解和早先的FCM的结果做了比较.      

松辽盆地增强型地热系统(EGS)地热能开发热-水动力耦合过程

增强型地热系统地热能开发涉及到热和水动力的耦合,对应的温度和压力场时空变化特征是评价地热开发效果的关键问题。基于松辽盆地徐家围子深部地质条件,采用TOUGH2进行了地热能开发过程中裂隙-孔隙介质系统中温度和压力变化的数值模拟,分析了不同埋深水平情况下地热能开发的差别,研究了孔隙基质和裂隙介质的渗透率和孔隙度、岩石导热系数、井径、注入压力、注入温度及裂隙周围基质因素对地热能开发的影响。结果表明：采用定压力开发时生产井抽出控制整个区域的压力分布,压力梯度在注入井区域较大,并随着开发的进行,注入井的注入对压力的影响逐渐增大;温度由注入井到生产井逐渐增大,并随着开发的进行温度降低范围逐渐向生产井扩大;质量和热提取速率随时间逐渐减小。不同埋深位置的模拟结果显示,埋深大的温度相对较高,水的流动性较强,质量和热提取速率较高,压力和温度变化幅度均较大。裂隙系统的渗透率、注入井/生产井压力和注入温度、井径对深部地热开采过程中的压力和温度影响较大,从而影响热的提取效率;而孔隙基质的渗透率和孔隙度、裂隙介质的裂隙度和岩石的热传导系数的影响并不明显。     

Quantitative Integration of High-Resolution Hydrogeophysical Data: A Novel Approach to Monte-Carlo-Type Conditional Stochastic Simulations and Implications for Hydrological Predictions

Geophysical techniques can help to bridge the inherent gap that exists with regard to spatial resolution and coverage for classical hydrological methods. This has led to the emergence of a new and rapidly growing research domain generally referred to as hydrogeophysics. Given the differing sensitivities of various geophysical techniques to hydrologically relevant parameters, their inherent trade-off between resolution and range, as well as the notoriously site-specific nature of petrophysical parameter relations, the fundamental usefulness of multi-method surveys for reducing uncertainties in data analysis and interpretation is widely accepted. A major challenge arising from such endeavors is the quantitative Integration of the resulting vast and diverse database into a unified model of the probed subsurface region that is consistent with all available measurements. To this end, we present a novel approach toward hydrogeophysical data integration based on a Monte-Carlo-type conditional stochastic simulation method that we consider to be particularly suitable for high-resolution local-scale studies. Monte Carlo techniques are flexible and versatile, allowing for accounting for a wide variety of data and constraints of differing resolution and hardness, and thus have the potential of providing, in a geostatistical sense, realistic models of the pertinent target parameter distributions. Compared to more conventional approaches, such as co-kriging or cluster analysis, our approach provides significant advancements in the way that larger-scale structural information contained in the hydrogeophysical data can be accounted for. After outlining the methodological background of our algorithm, we present the results of its application to the integration of porosity log and tomographic crosshole georadar data to generate stochastic realizations of the detailed local-scale porosity structure. Our procedure is first tested on pertinent synthetic data and then applied to a field dataset collected at the Boise Hydrogeophysical Research Site. Finally, we compare the performance of our data integration approach to that of more conventional methods with regard to the prediction of flow and transport phenomena in highly heterogeneous media and discuss the Implications arising.     

应用水热运移数值模拟优化地下水源热泵系统抽灌井布局

合理布局抽水井和回灌井是地下水源热泵系统长期有效运行的关键因素。以郑州市郑东新区为例,利用HST3D软件建立水热运移数值模型,优化设计地下水源热泵系统抽灌水井布局,预测地下水源热泵系统长期运行后对含水层的水热影响。结果表明:介质比热容及渗透率分别对含水层温度及水位影响显著,是较敏感的参数。方案3(3个回灌井垂直天然流向分布且位于抽水井下游)为最佳布井方式。抽灌量900,1 200,1 500及2 000m3/d所对应的合理布井间距分别为50,65,70及75m。相应布井方案的水源热泵系统运行20a,对含水层温度场的影响仅限于200m×200m的范围,抽水井温度变化小于1℃。     

鄂尔多斯盆地深部咸水层二氧化碳地质储存热-水动力-力学(THM)耦合过程数值模拟

注入CO₂到深部咸水层(CO₂地质储存)被认为是一种直接有效地减少CO₂向大气排放的途径。CO₂地质储存涉及到热、水动力和力学耦合过程,该耦合过程是预测CO₂在储层中的迁移转化、评价储层储存能力和分析潜在风险的关键。基于Terzaghi固结理论,在热-水动力(TH)耦合软件TOUGH2框架中加入了力学模块,形成了新的热-水动力-力学(THM)模拟器。结合鄂尔多斯盆地CO₂捕获和储存(CCS)示范工程场地的地质、水文地质条件,采用新的THM模拟器数值分析了CO₂注入后地层中的温度、压力、CO₂饱和度、位移和有效应力的时空变化特征。结果显示:在井口保持8 MPa和35℃情况下,能够实现10万 t/a的CO₂注入量;压力上升的范围远远大于CO₂运移和温度降低的范围,注入20 a后,其最大距离分别达到接近边界10 km、620 m和100 m;位移和应力变化主要与压力变化相关,注入引起最大抬升为0.14 m,在注入井附近位置储层中有效应力变化水平方向要大于垂直方向,而在远井位置相反;注入引起井附近有效应力明显减小,从而导致了孔隙度和渗透率的增大,增强了CO₂注入能力。