基于微观连续介质模型的反应溶质运移数值模拟方法

地下环境中流固间的反应溶质运移过程控制着地质介质演化规律,并受岩石固有非均质性的影响,衍生出非线性行为与多尺度效应。为了面向更为复杂化的应用需求,解析微观特征与表观行为间的响应-反馈机制成为了重要的科学与工程命题。本研究系统地介绍了微观连续介质概念与模型框架,以及该模型方法的实现方式,并归纳了其在不同研究体系中的应用实例,最后重点分析了该方法在实验-数值联合研究中的发展前景与预期挑战。数值模拟方法已被广泛应用于反应溶质运移过程的定量研究之中,但单一孔隙或达西尺度数值模型难以应对机理研究与实例应用间的时空尺度跨度。近年来多尺度数值模拟方法体系不断发展,其中将Darcy-Brinkman-Stokes方程作为多流态数学统一表达,以微观连续介质模型作为多尺度信息关联方式的数值模拟框架,在流固界面追踪、高效数值求解等方面展现出一定的方法优势与应用潜力。

单裂隙管道-基质系统中反应性溶质运移解析模型研究

【目的】裂隙介质精确地定量刻画及其溶质运移理论研究已经成为裂隙含水层地下水污染防治的关键。目前裂隙含水层通常被概化为水平裂隙,而忽视管道裂隙几何特征以及基质扩散对溶质运移的影响。【方法】基于此,建立单裂隙管道-基质系统的溶质运移模型,并利用Laplace变换以及数值逆变换获得模型的半解析解,同时通过COMSOL Multiphysics软件建立数值模型进行验证。定量分析水动力弥散系数、迟滞因子等参数对溶质运移规律的影响,并计算溶质扩散质量通量以及存储量来反映溶质运移的时空规律。【结果和结论】结果表明:(1)管道裂隙水动力弥散系数越大,穿透曲线早期浓度越高,而所达到的峰值越低,且裂隙中溶质浓度随着迟滞因子增大而降低。(2)扩散质量通量峰值随着裂隙弥散系数的增加而减小,并通过分析不同位置的穿透曲线以及扩散质量通量的空间分布曲线可得反向扩散是导致穿透曲线产生明显拖尾现象的主要原因。(3)脉冲注入条件下,裂隙作为主要的存储空间,其存储总量表现出快速增加后不断降低的趋势,而基质中存储量表现出不断增加的过程。总之,通过理论模型计算分析表明在管道裂隙-基质系统中,基质存储与反向扩散过程对裂隙系统中溶质运移规律的影响不容忽视。

基于分形理论的岩体粗糙裂隙中溶质运移预测模型研究

为研究裂隙面粗糙度对粗糙裂隙中溶质运移过程的影响,以及粗糙度对水动力弥散系数D_(L)和溶质运移速度V_(t)的控制作用,基于分形理论计算了不同裂隙的粗糙度和定水头下的水力开度,讨论了裂隙面粗糙度对粗糙裂隙中溶质运移过程的影响以及不同分形维数裂隙的渗流量和流速。通过耦合Navier-Stokes方程和对流−扩散方程(advection-diffusion equation,简称ADE)获得了裂隙中溶质运移穿透曲线,利用ADE经典解析解耦合直接模拟的穿透曲线,得到了水动力弥散系数D_(L)和溶质运移速度V_(t),讨论了D_(L)和V_(t)对溶质的控制作用及其与粗糙度的相关性,建立了基于分形理论的粗糙裂隙中溶质运移预测模型,并将该模型与直接模拟和基于几何特征的预测模型进行了对比验证。研究结果表明:分形维数D和幅度参数K_(v)表征裂隙面粗糙度的效果较好,D_(L)和V_(t)与分形参数DK_(v)的相关性较高,所建立模型对于岩体粗糙裂隙中的溶质运移模拟具有很好的适用性和准确性。

掺砂量对中度盐碱土壤水力特性及溶质运移过程的影响

[目的]为探究不同掺砂量对中度盐碱土壤水力特性和溶质运移过程的影响。[方法]采用室内土柱试验,设置4种掺砂比例CK(掺砂0)、B1(掺砂10%)、B2(掺砂15%)、B3(掺砂20%),研究中度盐碱土壤在不同掺砂量条件下的土壤水力特性和溶质运移过程变化规律并进行模型模拟。[结果](1)掺砂量在0~20%内,中度盐碱土掺砂明显影响土壤水分特征曲线变化,掺砂比例越大,曲线越靠近Y轴。在任一吸力条件下土壤含水率表现为CK>B1>B2>B3。且掺砂比例越大,土壤小孔隙数量越多,微小孔隙减少,土壤持水性能减弱。土壤的饱和导水率随掺砂量的增加而增大。(2)随掺砂量的增加,溶质穿透曲线明显左移,初始穿透时间、完全穿透时间及穿透总历时均减少,B1、B2、B3处理总穿透历时分别比CK减少34.48%,47.22%,69.71%。(3)CED方程和两区模型均能较好地模拟掺砂条件下土壤中溶质运移状况,但相较于CDE方程,两区模型的拟合精度更高。对两区模型拟合参数进行分析发现,随掺砂量的增加,土壤孔隙流速、可动区含水比率和质量交换系数逐渐增大,而水动力弥散系数和弥散度呈减小趋势。[结论]盐碱土掺砂能够有效改善土壤水力特性,促进溶质在土壤中运移,有助于缓解盐碱对作物生长的不利影响。研究结果可为盐碱土改良与治理工作提供参考,为未来的研究和实践提供理论支持和实践指导。

广西思的河流域重金属污染物溶质运移模拟

为评价广西阳朔县思的河流域矿区的重金属污染情况,将流域水文模型ArcSWAT与地下水模型(groundwater modeling system,GMS)中MT3DMS溶质运移模块相结合,定量分析污染物锌和镉的迁移过程,为进一步的治理措施提供参考依据。结果表明:采用ArcSWAT和GMS可以更准确地确定垂向入渗量,从而准确进行地下水数值模拟。在没有防治措施的情况下,矿井废水对地下水环境造成较大的污染威胁:尾砂矿矿洞出水口水样中锌和镉的含量分别为18.62 mg/L和0.096 mg/L,是流域重金属污染的源头。模拟期20 a内,锌和镉的污染晕分别在16 d和44 d之后到达河流,前端最远距离污染晕中心分别为2303.75 m和1887.04 m,两端最长处为3159.57 m和2478.57 m,最宽处分别为1533.54 m和1128.36 m。锌和镉进入流域的质量分别为3512.44 g和18.15 g,流出流域的质量为1640.49 g和8.47 g,残留在流域的比例分别为53.28%和53.33%。根据已有研究结果表明,龙葵对镉具有较强的富集能力,在植物体中的最高富集量为1084.4 mg/kg,并对锌具有较强的耐性,富集量也超过1000 mg/kg。因此,设置一个模拟情景对尾矿库生态修复工程进行评价。以尾矿积水塘中锌含量0.284 mg/L和镉含量0.002 mg/L为替代污染源强,模拟期内,锌沿河谷方向的迁移速度由94.38 m/a降低至80.78 m/a,最大污染晕面积由3.80×10^(6)m^(2)缩小至2.50×10^(6)m^(2);镉的迁移速度由86.09 m/a降低至69.13 m/a,最大污染晕面积由1.67×10^(6)m^(2)缩小至1.29×10^(6)m^(2),说明生态修复工程取得较好效果,建议继续投入建设。根据模拟预测结果,建议在矿洞出水口修建防渗帷幕等防治措施,划分污染防治区,并加强地下水水质监测,同时制定地下水风险事故应急预案,避免污染进一步加剧。

煤矸石基多孔基质对土壤溶质运移的影响

针对矿区存在的养分贫瘠、干旱缺水、表土缺乏等问题,提出了利用煤矸石制备多孔基质,并选择其作为矿区表土重构材料进行生态修复的思路,以及从溶质运移的角度评估其可行性。通过垂直土柱易混置换试验,研究了煤矸石基多孔基质对土壤中Cl^(−)和Na^(+)运移特征的影响,揭示了多孔基质对土壤孔隙分布、饱和土壤溶质运移的影响规律。结果表明,当多孔基质掺量为10%~30%(体积分数)时,会缩短Cl^(−)和Na^(+)的穿透时间,这是由于少量掺杂的多孔基质与土壤颗粒相互填充,小孔隙数量增加,形成了更为复杂的运移路径及多孔基质对Na^(+)具有较强的吸附性,会延长Cl^(−)和Na^(+)的穿透时间;随着多孔基质添加量的继续增加(>30%),由于多孔基质容重较小,导致饱和导水率增加,反而会逐渐缩短Cl^(−)和Na^(+)的穿透时间。添加30%多孔基质时,出流液中的Cl^(−)和Na^(+)浓度分别降低了1.65%~46.30%和10.12%~32.88%,Cl^(−)和Na^(+)运移方式以对流为主。土壤孔隙分布和土壤对溶质的吸附性是影响溶质运移的主要因素。煤矸石基多孔基质和黄土以体积比为3∶7混合的复配模式,可以有效减少溶质运移。

基于自然电位的裂隙-基质系统溶质运移试验研究

为了精细刻画岩石裂隙溶质运移过程及特征,构建了长×宽×高为0.20 m×0.03 m×0.50 m的砂箱模型,模型中间为裂隙,模型两侧为基质,两者共同构成了裂隙-基质系统。通过自然电位这一无损、快捷监测手段,针对不同粒径基质,在不同渗流速度下开展溶质运移试验,研究裂隙-基质系统溶质运移特征。结果表明:①在试验流速为0.0097~3.1959 mm/s时,裂隙-基质系统内裂隙渗透系数为5.5×10^(-2)m/s,与基质渗透系数2.4×10^(-3)、3.5×10^(-4)m/s相差不大,水流符合达西定律;随着基质粒径的不断减小,当裂隙渗透系数5.5×10^(-2)m/s与基质渗透系数3.6×10^(-5)m/s相差约3个数量级时,水流由达西流向非达西流转变。②在3种不同粒径的基质条件下,沿溶质运移方向,随着基质渗透系数的不断减小,裂隙域和基质域电极测点自然电位峰值不断减小,到达峰值的时间逐个增大。③随着流速的不断增大,裂隙域和基质域电极测点自然电位峰值出现时间提前,且同一系统流速下的裂隙域电极测点自然电位峰值的出现与基质域的相比历时较短。④通过自然电位峰值出现时间与溶质运移距离可以量化流速。计算所得流速值略小于系统测量流速值,其相关性拟合优度基本上均大于0.99,其中利用裂隙域电极测点自然电位计算所得的流速误差大多在10%以内,相对于基质域,计算精度更高,这与试验现象高度吻合,为探究裂隙-基质系统中的溶质运移过程提供了参考。

浅谈Python在地下水溶质运移解析法中的应用

为提高地下水连续注入示踪剂-平面连续点源模型求解精度,适应环境质量标准浓度限值较低的溶质运移计算,同时减少环境影响评价工作量,采用Python对该模型推导过程公式进行求解,并将计算结果与传统查表法计算结果进行比较,并提出自适应预测范围的解决方案。结果表明,Python程序计算结果相较传统查表法计算结果精度更高,能够满足地下水环境影响评价工作的要求,并且自适应预测范围解决方案可行,可以减少计算量及预测范围调整工作量。

不同连通性含水层溶质运移模拟尺度提升研究

含水层溶质运移数值模拟是预测地下水污染物演化特征的重要方法。考虑到模型计算时间和精度,如何将小尺度实测获得的水文地质参数换算到模型网格尺度,即尺度提升,是数值模拟过程中的关键问题。本文针对不同连通性含水层,考虑不同尺度提升方法和网格尺度的大小等因素,探究尺度提升对溶质运移模拟精度和效率的影响。结果表明:对具有不同连通性的含水层,能够获得相对误差小于5%的升尺度模型,然而网格大小或尺度提升方法选取不当会使误差增大;简单拉普拉斯方法是较优的尺度提升方法,尤其对于中连通性含水层;网格大小是影响升尺度模型精度的主要因素,对于高连通性含水层更加明显。

溶质运移解析法在石油化工行业地下水环评的应用

以某石油化工企业为例,采用地下水溶质运移解析法,假设装置区地面防渗层破损后,废水发生渗漏现象,经地面防渗破损处进入地下浅部含水层,根据工程分析,选取石油类、挥发酚及硫化物进行预测,预测在非正常工况下各污染因子在地下水中的运移情况,帮助企业避免非正常工况的发生,并为企业在今后的生产中提供可靠的理论依据。

研究生课程“土壤溶质运移理论”思政教学的探索与实践

文章首先分析了研究生课程思政教学存在的问题,然后阐述了研究生课程“土壤溶质运移理论”思政教学的必要性与重要性,最后提出了研究生课程“土壤溶质运移理论”思政教学的实现路径。

地下水溶质运移软件(GTS)设计与实现

随着全球工业的快速发展,生态环境遭到严重破坏,环境污染日益加剧。地下水污染对生态环境有着消极的影响,地下水污染研究已成为水文地质和环境保护的一个重要研究课题。地下水溶质运移软件(GTS)被设计用于精准预测地下水溶质物质的运移路径、时空分布及运移速率,从而指导地下水污染防治与制定环境保护策略。本文介绍了GTS软件的基本功能及其实现原理,包括地下水模型和运移系数模型、地下水溶质数据处理程序和模拟结果图形化显示程序。本文综述了GTS软件的设计与开发思路,介绍了GTS软件的系统架构及整体架构,探讨了GTS软件的系统设计方法。此外,本文还对GTS软件的实现进行了一些案例分析,以验证GTS软件的有效性和可靠性。

基于文献计量的土壤溶质运移可视化分析

【目的】系统分析国内外土壤溶质运移领域的研究现状,探究其研究热点与未来发展趋势。【方法】基于Web of Science核心数据库(WoS)和中国知网数据库(CNKI),借助CiteSpace和VOSviewer可视化软件,从发文数量、发文国家、发文机构、文献来源、学科分布和关键词着手,对2003-2022年国内外土壤溶质运移研究进行可视化分析。【结果】①国内外土壤溶质运移研究总体呈上升趋势,且英文的发文数量多于中文。其中,中国和美国在该领域占据主导地位。②在发文量前10的机构中,中国仅有中国科学院,美国则有4家。此外,国内机构间的合作较为松散,而全球相关机构间的国际合作较为紧密。③该领域刊出的主要英文期刊有《Journal of Hydrology》《Vadose Zone Journal》《Water Resources Research》,主要中文期刊则为《灌溉排水学报》《水土保持学报》《节水灌溉》。④土壤溶质运移研究主要聚焦环境科学、水资源学和农业学等学科领域,且各学科间的知识内容具有交互性。⑤国内在该领域研究的主要关键词为“重金属”、“水盐运移”和“重金属迁移”,国外则为“solute transport”、“transport”和“water”。【结论】土壤溶质运移仍然是未来的研究热点,今后可从以下几点入手:生态系统中重金属或污染物的迁移转化;土壤溶质运移的尺度效应;农田灌排和耕作模式下的生态环境效应;考虑多因素影响的土壤溶质运移和作物生长耦合模型建立;土壤改良剂的筛选和集成应用示范。

非平衡吸附条件下双分子反应性溶质运移规律研究

针对溶质非平衡吸附特征,建立了非平衡吸附条件下双分子反应性溶质一维运移模型,考虑了在对流、弥散、吸附(平衡和非平衡)、反应(氧化反应和自然需氧量反应)耦合作用下的溶质运移过程,选用COMSOL对模型进行数值求解。研究结果表明:①非平衡吸附条件下污染物去除的第一阶段为氧化反应主导的快速修复,第二阶段为非平衡吸附主导的慢速修复;②考虑非平衡吸附可以更加精准刻画污染物拖尾效应;③化学反应速率影响数k、平衡吸附比例影响数f以及非平衡吸附速率影响数a均对污染物的去除效率产生显著影响,且a的影响程度与平衡吸附占总吸附比例f相关,佩克莱数Pe影响较小;④在k,a,f较小且Pe较大的情况下,拖尾效应较为严重,必须考虑非平衡吸附。

基于全耦合的地表水土壤水运动与溶质运移数值模拟

为探究降水条件下水分与溶质在地表和土壤中的运动规律,分别采用二维扩散波方程和传统的三维Richards方程描述地面径流和土壤水分运动,选用双层结点法对两者进行耦合,根据达西定律和地表与土壤水中的溶质浓度,计算地面径流和土壤水分的溶质交换量,从而构建地表水土壤水运动与溶质运移全耦合数值模型。选取已发表文献中的物理模型实验进行数值模拟,算例1和算例2中地表径流数值模拟结果和模型实验结果的平均相对误差分别小于14.8%和21.5%,均方根误差分别小于0.147cm^(2)/s和0.833cm^(2)/s;算例2中径流硝态氮浓度的数值模拟结果和模型实验结果的平均相对误差小于24.7%,均方根误差小于1.334mg/L。物理实验和数值模拟所得地表径流量和溶质浓度数据的对比分析验证了模型的合理性和准确度。研究结果可为地表水土壤水水分运动与溶质运移耦合分析提供理论支持。

不同沉陷应力区土壤水分和溶质运移的模拟试验

中国山西-陕西-内蒙古交界地开采沉陷对地表土壤扰动强烈,引起地表生态损伤。为了揭示开采沉陷对土壤水盐运移的影响机制,通过建立土壤沉陷物理模型,利用沉陷剖面不同应力区土壤容重数据建立HYDRUS-2D水盐模型,研究土壤蒸发过程中,土壤水分、总盐分、不同溶质离子在不同沉陷应力区随土壤深度和运移时间的变化规律。结果表明:(1)0~40 cm深度,沉陷拉张作用显著增强土壤蒸发作用,造成挤压区土壤含水率显著大于拉张区,土壤含水率随时间变化曲线呈现典型的蒸发过程“三阶段”模式。(2)沉陷组各应力区土壤总含盐量不但随深度呈现强烈变异,具体表现为20~40 cm、60~80 cm土壤总含盐量相对积聚;而且右侧拉张区总含盐量积聚深度有向下迁移的趋势。(3)沉陷拉张区Ca^(2+)、SO_(4)^(2-)、Mg^(2+)、Cl^(-)离子积聚浓度大于挤压区。Ca^(2+)、SO_(4)^(2-)、CO_(3)^(2-)土壤离子浓度随深度呈单峰积聚,沉陷拉张区积聚深度均显著下移。(4)HYDRUS-2D水盐模型可以较好地模拟开采沉陷土壤剖面中的土壤水盐运移。土壤含盐量、含水率的实测值与模拟值率定结果为平均相对误差(ME)≤0.5,均方根误差(RMSE)≤0.5,决定系数(R^(2))>0.95,模拟精度满足试验要求。研究结果可为科学开展开采沉陷区生态修复工程、提高生态自修复能力提供重要理论依据。

边界层对粗糙单裂隙溶质运移影响试验

为探究非费克(non-Fickian)运移表现出的峰值提前到达和拖尾等现象,开展了粗糙单裂隙溶质运移试验,总结了粗糙单裂隙中溶质运移特征及运移机理,结合边界层理论对峰值提前到达和拖尾现象进行了分析和解释。结果表明:峰值时间和拖尾时间与边界层厚度之间存在较好的线性相关关系;边界层对裂隙介质溶质运移有较为显著影响,即水流速度越小,边界层厚度越大,滞留在边界层内部的溶质越多,溶质获取率越低;粗糙单裂隙中溶质穿透曲线的峰值提前和拖尾现象是由裂隙中心处以惯性力主导的主流区和裂隙壁面以黏性力主导的边界层区共同作用造成的,其中峰值时间主要由主流区的对流因素控制,而边界层区域的存在对拖尾时间影响较大。

常密度与变密度流体双组分溶质运移实验研究

为准确预测地下水系统中污染物的运移路径及浓度分布,需深入理解不同密度条件下多组分溶质的稀释及运移机理。本文通过室内实验,分别在常密度流体与变密度流体中,系统观测了荧光素钠与氯化钠两种化合物在不同混合比时的运移现象,量化了出口处的浓度分布、稀释指数及两种溶质的浓度标准差。研究发现:在常密度流体中,两种化合物的运移相互独立,其浓度分布取决于化合物各自的水动力扩散与弥散;而在变密度流体中,两种溶质的运移相互影响,其运移轨迹与浓度分布均相同,取决于占比较大化合物的运移结果;变密度对流导致溶质羽和周围流体的接触面积增大,相较于常密度条件,溶质的稀释程度得到大幅提升。

弯曲岩溶管道溶质运移的尺度效应研究

岩溶管道溶质运移的尺度效应研究对穿透曲线的正确解译非常重要,但目前针对单一弯曲管道中溶质运移尺度效应的研究仍比较缺乏。文章将岩溶管道和溶潭分别概化为透明软管和水箱,基于前期建立的水箱-管道系统(简称“管道系统”),在水箱下游设置不同长度的弯曲管道,通过示踪试验研究管道运移尺度对穿透曲线的影响,并采用暂时存储模型模拟试验曲线。结果表明:(1)随着水箱下游管道长度的增加,峰值质量浓度逐渐缓慢降低,穿透曲线上升段斜率无明显变化,穿透曲线拖尾逐渐缩短,表明运移管道长度增加对溶质运移的影响大于下游管道弯曲;(2)穿透曲线偏度系数、后段溶质羽穿透时间和溶质羽穿透时间与管道系统长度呈良好的负线性相关关系(R^(2)>0.96);(3)当对称和不对称水箱管道系统长度分别增加至154.5 m和164.3 m时,偏度系数接近0,穿透曲线分布接近对称;(4)弥散系数、存储区截面积和交换系数与管道系统长度呈良好的负线性相关关系,当对称和不对称水箱管道系统长度分别增加至159.9 m和178.1 m时,存储区截面积接近0,水箱导致的溶质运移滞后效应基本消失。研究结果对野外岩溶管道穿透曲线的解译具有一定指示作用。

Hydrus-1D软件模拟污染土壤重金属溶质运移

为了研究污染物在不同性质土层中的运移规律,以某化工厂污染土壤中的重金属为研究对象,选取土壤中的Cr^(6+)、Hg^(2+)、Cd^(2+)为污染物预测因子,应用Hydrus-1D软件建立重金属溶质运移模型,模拟重金属溶质在土壤中的运移变化过程,得到其在不同时间段的下渗最大距离和在不同土层的浓度平衡时间。结果表明:所建立的模型能够模拟重金属溶质在土壤中的分布和运移的时空变化规律;当下渗时间为200、1000 d时,Cr^(6+)、Hg^(2+)、Cd^(2+)的最大下渗距离分别为1.78、2.23、2.09 m和4.55、5.70、5.54 m;在杂填土和重壤土中,Cr^(6+)、Hg^(2+)、Cd^(2+)到达平衡所需的时间分别为1025、1430、1410 d和2280、3000、3019 d。