基于GMS软件对某污染厂区地下水污染规律研究

以某污染厂区为研究对象,通过野外调查并结合已有资料,利用GMS软件建立研究区域地下水流场模型和溶质运移模型,并且详细分析了地下水污染规律.研究结果表明:降雨入渗扩散方式下,污染物在地下水中的迁移速率与污染物的浓度及地下水介质密切相关.在潜水含水层中,污染物主要以垂向运移为主,并且受污染源强影响较大,污染物浓度越高,其垂...     

空心圆柱饱和多孔介质热固结问题的解析解

基于考虑热渗效应和等温热流效应的热-水-力耦合的线性热弹性固结控制方程,建立无限长空心圆柱饱和多孔介质热固结问题的一种理论求解方法。该方法先给出Laplace变换域上的解,然后,利用Stehfest法求其数值逆变换。该理论解考虑了空心圆柱体内、外透水界面随时间变化的外力和温度荷载耦合作用过程。最后,通过一算例分析了饱和多孔介质的热固结特征,给出其温度、孔压、位移和应力的演化规律     

有效压力对低渗透多孔介质孔隙度、渗透率的影响

以低渗透多孔介质为研究对象,通过实验得出孔隙度、渗透率随有效压力变化曲线。研究表明,流体在低渗透多孔介质中渗流时,流固耦合效应十分显著。这是因为低渗透多孔介质的孔隙很小,而孔隙度的微小变化,都会对渗透率产生大的影响,因此低渗透介质随有效应力的变化十分明显。由于流固耦合效应的存在,在低渗透油气藏的开发中,不宜采用降压开采,进行油藏数值模拟时,也应进行油藏流固耦合数值模拟。      

应用CT扫描研究非饱和砂土中污染物的迁移规律

应用CT扫描技术对两种稳定非饱和状态的砂土试样分层进行扫描,得到不同深度CT扫描层图像,采用Image J图像处理软件将CT图像转化为CT数均值,然后在稳定非饱和试样中分别间断性连续注入污染物KI溶液,测定不同时间间隔CT扫描图像,计算注入污染物先后扫描图像结果的差值,建立CT数均值和污染物迁移之间的关系,研究污染物在非饱和砂土中的运移特征,得出非饱和砂土中污染物浓度随时间和深度的变化规律,对研究其他介质中污染物的迁移具有重要的指导作用。     

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。     

多孔介质粒径变异系数对污染物运移的影响

多孔介质污染物运移对于明晰地下水污染很重要,但在多孔介质中粒径变异系数(coefficientofvariation,COV)对内部微观孔隙结构中污染物运移过程影响的研究还存在不足.为此,基于随机算法,提出了一种不同COV且孔隙度一致的多孔介质几何模型构建方法,通过对Navier-Stokes(N-S)方程和对流-扩散方程(advection-diffusion equation,简称ADE)进行耦合求解得到多孔介质地下水流场及污染物浓度场,引入克里斯琴森均匀系数,定量评价流场流速分布的均匀性,基于MIM(mobile and immobile)模型和ADE模型分析耦合求解得到的穿透曲线特征.结果表明：随着粒径COV的增大,流场流速分布的不均性增强,MIM模型中的溶质流动区域占比β、无量纲传质率α^*均增大;MIM模型拟合优度高于ADE模型,且随COV增大,ADE模型的拟合全局误差Ei逐步增大.总体上,粒径COV控制了溶质流动区域和非流动区域的大小及其之间的溶质交换强度,造成了多孔介质内部溶质运移的“非费克”行为,使得ADE模型的误差逐步增大,对于较大COV的多孔介...     

黏土微观孔隙结构对可溶性污染物运移的影响

多孔介质的微观结构对可溶性污染物的运移具有重要影响。文章利用随机生长四参数生成法(Quartet Structure Generation Set, QSGS),构造具有各向异性孔隙结构的黏土多孔介质,且其固相颗粒具有随机性的粗糙表面。通过Stokes方程与对流扩散方程（ADE）耦合计算得到微观孔隙结构的非均匀水流场与浓度场。对黏土微观结构的非均匀水流场和浓度场进行分析,研究不同截面位置上水流分布情况,在脉冲注入的条件下讨论黏土微观结构对于可溶性污染物运移的影响。结果表明:具有随机性的黏土微观孔隙结构是导致水流场水流速度分布不均匀的主要因素;黏土中微小空隙或死端孔隙往往容易残留高浓度污染物,造成污染穿透曲线的“托尾”现象,也是污染后期的主要污染残留位置。     

非饱和介质中热能传输及水分迁移的数值积分解

在给出非饱和介质热能-水分传输的耦合质量控制方程和基于Fourier热传导定律的热能平衡方程的基础上,对热能传输及水分迁移的基本特征和机理进行了分析。其中,考虑了温度势、吸力势和重力势的耦合作用影响。给出有热源时控制方程的简化形式,并对半无限体自由表面作用平面热源条件下介质内非稳态温度场、体积含水率分布场进行数值积分求解。利用这些解答给出常热源强度和变热源强度两种情况下,温度场随时间的变化特征以及水分迁移的演化过程,并分析了重力项对计算结果的影响。     

一种用于突发性场地污染模拟的解析模型

为了及时有效地应对各种突发性环境污染事故,有必要开发一种简单实用、适于各类型污染物的场地污染数学模型。通过污染事故发生后污染物在包气带、饱和带迁移转化的概化,建立了污染物运移的自由入渗模型以及降雨入渗模型并给出各自相应的解析解。无降雨时,考虑污染物在重力作用下随包气带向下渗透的作用,建立一维垂直入渗模型。有降雨时,考虑污染场地（包气带）中污染物迁移和转化的对流作用、扩散作用及挥发、生物降解、吸附、根系吸收等作用,建立包气带剖面二维溶质运移模型和饱和带平面二维溶质运移数学模型。建模过程中,假定降雨量的平均分布及土壤质地、水力参数以及有机物成分、种类均相同,同时假定污染物与多孔介质间的作用为线性吸附,植物根系对污染物的吸附遵循一级动力学。基于模型的解析解,实现案例的模拟计算。模拟结果表明：该模型具有适用范围广、模拟高效快捷等优点,能够较准确预测污染发生后污染物在土壤中的动向、到达饱和带的时间以及饱和带中污染物的迁移情况。     

有限二维饱和多孔介质因载荷诱发Biot固结的解析解

推导了有限矩形区域饱和多孔介质因表面载荷诱发的Biot固结的一个解析解。假设多孔介质为均匀各向同性和线弹性,并被单相流体所饱和;控制方程组采用不可压缩多孔介质模型;孔隙压力场采用狄利克雷边界条件,上下表面位移场符合物理边界,而左右侧面位移场边界条件则由人为特别给定。利用有限正余弦变换和拉普拉斯变换及数值反演获得了物理空间孔隙压力场和位移场的半解析解,其体现为双重级数和的封闭形式。最后以某软黏土层平面应变固结为例,利用有限元分析软件ABAQUS对所给出的解析解进行了验证,同时基于该解析解考察了孔隙压力场和位移场的时空演化规律。所给出的解析解可用于深入分析有限二维饱和多孔介质的流-固耦合力学行为。     

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。     

考虑土体固结变形的污染物运移模型

土体的固结压缩变形对污染物的运移具有重要的影响,而目前国内关于污染物在变形多孔介质中运移规律的研究尚处于空白,在国外也是近几年才有人开始这方面的研究工作。在Biot固结理论和污染物运移理论相结合的基础上,提出了污染物在黏土防渗层中迁移转化的一维数学模型,该模型的最大特点是考虑了土体受力变形对污染物运移的影响,在合理简化的基础上给出了模型的解析解,并将计算结果与太湖疏浚污染底泥堆场的实测结果进行了比较分析,模拟计算的结果在一定程度上能够反映实际土层中污染物的运移情况。     

One‐dimensional contaminant transport through a deforming porous medium: theory and a solution for a quasi‐steady‐state problem

Contaminant migration through soil is usually modelled mathematically using the dispersion–advection equation. This type of model finds application when planning the remediation of contaminated land, predicting the movement of polluted groundwater and designing engineered landfills. Usually the analysis assumes that the porous media through which the contaminant migrates is stationary. However, the construction of landfills on clay soils means that the soil beneath the landfill will undergo time‐dependent deformation as the soil consolidates. To date, there are no published data on the effect a deforming porous media may have on contaminant transport beneath a landfill; indeed, there appears to be no theory of contaminant migration through a deforming soil. In this paper, a one‐dimensional theory of contaminant migration through a saturated deforming porous media is developed based on a small and large strain analysis of a consolidating soil and conservation of contaminant mass. By selection of suitable parameters, the new transport equation reduces to the familiar one‐dimensional dispersion–advection equation for a saturated soil with linear, reversible, equilibrium controlled sorption of the contaminant onto the soil skeleton. Analytic solutions to a quasi‐steady‐state contaminant transport problem for a deforming media are presented, and a preliminary assessment made of the potential importance of soil deformation on the results of a contaminant migration analysis. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.     

裂隙岩体中污染物运移过程的数值模拟

基于双重介质理论模型建立了污染物在地下环境中运移的耦合数学模型,给出了有限元离散的数值格式。并以核废料储存过程中核素90Sr为例,采用所建立的数值模型模拟其在裂隙岩体中运移过程,预测了污染物的浓度分布范围和发展趋势。模拟结果表明:核素90Sr在处置库中运行40年后,下游地区的抽水井的浓度可达到3 100 Bq/m3,超出了国家规定的标准,为固体废物场址的选择以及污染的控制提供了决策依据。     

Analytic solutions to the advective contaminant transport equation with non-linear sorption

This paper considers advective transport of a soluble contaminant through saturated soil with non-linear sorption of the contaminant onto a stationary porous media. The non-linear sorption isotherms considered in the transport analysis are the Langmuir and Freundlich sorption isotherms. A special case of the Freundlich sorption isotherm is the linear sorption isotherm, and it is shown that in this case transport through a homogeneous soil results in the initial concentration profile simply being translated in the direction of the groundwater flow. However, when the sorption isotherm is non-linear the initial concentration profile distorts as it is translated with the groundwater flow, leading to the development of concentration shock fronts and rarefactions. Analytic solutions to the non-linear first-order hyperbolic equations are developed for a number of contaminant transport problems of practical significance. It is shown that in the case of the Langmuir sorption isotherms, shock fronts develop at the leading edge of the concentration profile while for the Freundlich sorption isotherm shock fronts may develop at either the leading or trailing edge of the concentration profile. Copyright © 1999 John Wiley & Sons Ltd.     

Numerical solution for the dilation of a fluid-saturated porous elastic sphere due to a point source of fluid at the centre of the sphere

Mathematical modelling of the ascent of free fluid through relatively strong rock, deep in the Earth's mantle, presents a challenge in geomechanics. Here the medium is considered as fluid-saturated, porous, elastic and bounded, and the fluid enters at a point source. An explicit finite difference method is developed for the numerical solution to the problem of the dilatation of a fluid-saturated porous elastic sphere due to a point fluid source of constant strength at the centre of the sphere. A cubic spline interpolant is used to evaluate a definite integral which occurs in the boundary condition for the pore fluid pressure at the surface of the sphere. The numerical solutions for the dilatation and pore fluid pressure are compared with analytical solutions and the absolute and relative errors of the numerical solutions are calculated. When the fluid source is switched on, the pore fluid pressure starts to decrease, reaches a minimum value and then steadily increases. The initial time rate of decrease of the pore fluid pressure is independent of the radial distance from the source. It decreases as the radius of the sphere increases and vanishes for a point fluid source in an infinite porous elastic medium.     

Seasonal cycling of estuarine sediment and contaminant transport

The seasonal cycling of fine sediment in the upper reaches of a hypothetical macrotidal estuary and its possible consequences for the behaviour of a contaminant which partitions between dissolved and particulate forms are investigated theoretically. The simplest one-dimensional models are used as a starting point for future studies: (a) a within-tide hydrodynamic (tidal) model, (b) an associated sediment transport model and (c) a tidally-averaged contaminant dispersal model. The calculations are made for a four-year period and show that a cyclic migration of mobile sediment occurs in the upper reaches of the estuary. Sediment accumulates during spring to late summer, and is redistributed in the lower estuary during high runoff periods (autumn and winter). For a fluvial input of contaminant, the dissolved contaminant levels during summer are greatly depressed below conservative mixing values in the upper (turbidity maximum) region, whereas they are slightly enhanced in the lower reaches. During winter, the levels are substantially greater than conservative values except for a slight depression at very low salinities. Thus, sediment here acts as a source of contaminant for most of the salinity range. For a marine input of contaminant, levels are enhanced above the conservative mixing line at low salinities throughout the year, the effect being much larger during summer.     

地下水污染源反演的Hooke Jeeves吸引扩散粒子群混合算法

根据污染物质量浓度监测数据进行地下水污染源反演是一类典型的地下水逆问题,该问题可转化为决策变量为污染源位置和强度的最优化问题进行求解。基于Hooke-Jeeves粒子群混合算法,引入吸引扩散粒子群(ARPSO)算法的粒子群发散算子,保证混合算法的种群多样性,并提出HJ-ARPSO混合算法,再结合地下水污染物迁移模型MT3DMS反演地下水污染源的位置和强度信息。在已知污染源位置和未知污染源位置两种情形下,分别利用HJ-ARPSO算法、HJ-PSO算法和GA算法进行地下水污染源反演。在两种情形下,HJ-ARPSO算法均具有较高的寻优成功率(分别对应为100%和90%);与之相比,未引入粒子群发散算子的HJ-PSO算法在未知污染源位置情形下其寻优成功率迅速降为60%;GA算法寻优效率则最低。算例结果表明,HJ-ARPSO算法是一种有效的地下水污染源反演优化算法。     

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.     

基于伴随状态方法的地下水污染源识别研究

地下水污染源的识别不仅可为地下水治理方案的制定提供依据,还可用于追究相关排污对象的责任。传统的污 染源识别方法面临计算负荷的困难,而伴随状态方法只需运行少量的污染物运移模型。通过灵敏度矩阵建立污染源特 征与污染物分布的数学关系,根据溶质运移模型推导出伴随状态下的污染源识别模型。分别考虑二维均质、非均质含 水层中的单点与多点污染源污染问题,将伴随状态方法应用于污染源特征识别的四个案例中,根据监测数据识别污染 源的位置及源强。结果表明,伴随状态方法在地下水污染源识别中有较好的适用性,可用于识别地下水污染源的位置 及源强特征,并具有很高的计算效率。