Pu在膨润土层中的反应性迁移模拟研究(1)——地下水-膨润土体系演化的地球化学模拟

在某区含Pu高放废物处置系统的性能评价中,需要分析水-岩相互作用下蒙脱石、孔隙度、pH值等演化过程对膨润土材料性能及Pu反应性迁移的影响,为此,本文以工程屏障系统中厚度为1 m的柯尔碱膨润土回填材料为研究对象,基于地下水入渗景象,采用TOUGHREACT模拟了地下水-膨润土体系的地球化学演化。结果表明:膨润土完全饱和约需20年;膨润土中蒙脱石的伊利石化作用很弱,而去白云石化过程(白云石溶解、方解石形成)相对明显,这使得水中Ca^(2+)浓度减小、Mg^(2+)和HCO_(3)^(-)浓度增大、pH值呈弱碱性且维持在8.1~10.3范围内;膨润土的孔隙度和渗透率变化不明显(变化量不到2%)。这些演化过程将有利于维持膨润土的膨胀性,阻滞核素向外迁移。

Pu在膨润土层中的反应性迁移模拟研究(2)——Pu的种态分布及反应性迁移分析

为评估柯尔碱膨润土工程屏障材料的安全性能,采用考虑渗流扩散、溶解-沉淀、表面配位吸附、放射性衰变等多过程动态耦合的反应性迁移模拟方法,综合运用TOUGHREACT等程序开展了Pu在柯尔碱膨润土层中反应迁移的数值模拟,结合地下水-膨润土体系演化模拟分析了Pu的种态分布特征,叠加表面配位模型预测分析了Pu的长期迁移规律。结果表明:地下水中Pu主要以难迁移的Pu(OH)_(4)(aq)形式存在;由于膨润土的低渗透性和强吸附性,正常情景下Pu的扩散范围很小而将长期滞留于1 m厚膨润土中;在忽略强吸附阻滞作用的保守情景下,Pu在渗流作用下可扩散迁移出膨润土层;考虑到长时间尺度下不可避免存在的不确定性,建议重视渗流扩散为主导的其他过程和情景研究。

考虑生物降解的含水层苯酚自然衰减的数值模拟研究

监测自然衰减(MNA)是一种应用较广的经济有效的土壤和地下水污染修复技术,而非水相液体(NAPL)在非均质地层中的运移过程是自然衰减效果评估的重要内容。为了准确刻画多相流体在土壤及地下水中的生物降解过程,以我国北方某典型苯酚污染场地为例,基于连续三年的地下水质动态监测数据,利用多相流数值模拟软件TOUGH3/TMVOCBio构建了考虑Monod生物降解过程的苯酚运移的多相流数值模型。模型再现了现状条件下多相态苯酚的空间分布和时间变化过程,分析了吸附和Monod生物降解参数的敏感性。最后,讨论了吸附和微生物降解参数不确定条件下,溶解、挥发、吸附和生物降解作用去除苯酚贡献率,对污染源处置的2种情景进行了模拟预测。研究发现,苯酚呈现间歇性泄漏,在地下介质中以吸附相为主,其次为液相和气相,最少为自由相。在参数不确定性影响下,生物降解作用为17.91%~58.02%,并且降水条件会影响苯酚浓度的季节性变化。在未来20年内,在苯酚污染源完全去除和保持现状泄漏条件时,第20年末苯酚总质量去除率分别达到98%和80%以上。识别了多相流模型中敏感性较高的生物降解参数,为石化场地有机物生物降解过程数值模拟提供参考,同时可为我国MNA技术的应用提供理论依据。

陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献

陈崇希教授长期坚持在水文地质领域从事课程教学、人才培养和科学研究,取得了丰硕的学术研究成果。对陈崇希教授在水文地质领域的学术研究贡献进行了系统的总结评述,主要包括3个方面:①开展了地下水动力学的理论创新研究,纠正了历史上“影响半径稳定井流”模型的错误,提出了一系列特殊水文地质问题的解析模型,改进和拓展了经典井流模型;②持续探索水文地质模拟方法,研究形成了一系列提高地下水模拟仿真水平的技术方法,包括滨海区地下水的等效排泄边界、渗流-管流耦合模型、岩溶管道-裂隙-孔隙三重介质地下水线性-非线性流模型、地下水开采-地面沉降模型等,研发了独具优势的地下水流模拟软件PGMS;③提出地下水可持续开采量评价的补排增量理论,完成我国多个典型区域的地下水模拟,为科学评价地下水资源起到示范作用。陈崇希教授的创新研究对我国水文地质学的发展起到了重要的推动作用。

裂隙介质中Pu迁移的连续时间随机游走模拟

为更准确地模拟核素的非菲克迁移行为并寻求一种更合理的建模方法,根据一维裂隙岩柱中Pu(钚)迁移试验资料,利用基于不同联合概率密度的连续时间随机游走(CTRW)模型和传统对流-弥散方程(ADE)对Pu迁移的穿透曲线(BTC)进行了过程模拟,对比分析了ADE模型、CTRW-TPL模型、CTRW-TPLA模型和CTRW-ETA模型的拟合程度及适用性,进而选择出最优的模型对不同胶体浓度下Pu在裂隙介质中的迁移进行模拟研究.结果表明,相较于传统ADE模型,参数拟合后考虑吸附作用的CTRW-TPL模型能有效地描述非菲克迁移行为特征,CTRW-ETA拟合过程更易实现,但能为迁移行为的刻画提供的信息较少.研究还发现胶体的存在显著提高了Pu在裂隙介质中的迁移性,但胶体浓度超过某个临界值后,随着浓度升高Pu的迁移性反而减弱,在CTRW理论框架中,该过程表现为表征广义运移速度和弥散系数的参数值先增大后减小,而介质对溶质颗粒的平均吸附率先减小后增大.

南海神狐海域天然气水合物注热降压开采数值模拟研究

针对南海神狐海域天然气水合物成藏条件,利用pT+H软件和水平井技术对天然气水合物的注热和注热降压开采效果进行了模拟分析。重点讨论了注入热水温度为30、60、90℃时水合物饱和度以及CH4气体饱和度、CH4产气率、累积CH4产气量和产水量的变化规律,发现两种开采模式下水合物低饱和度分布范围随时间增长和温度升高而增大;CH4产气率在开采10 d内升高较快,之后逐渐减小。模拟结果表明:注热降压开采模式比单纯注热模式的效果有较大改善,而且温度对于提高CH4产气量效果不明显,但因为天然气水合物藏的低渗透性,神狐海域的天然气水合物的CH4产气量不大。研究结果可为南海神狐海域和类似地区天然气水合物开采提供参考。

永定河生态补水的地下水位动态响应

永定河流域生态修复是京津冀协同发展的重要议题,地下水位对生态补水动态响应的研究是关键的科学问题。以2020年春季永定河生态补水实践为研究基础,采用地下水均衡分析、相关分析和聚类分析等多种技术手段,详细讨论了不同河段河道渗漏损失、地下水动态变化与控制因素。研究发现,2020年春季大流量生态补水河道的渗漏损失率(20%~40%)比2016年(30%~60%)和2019年(41%~58%)的小流量生态补水低;生态补水条件下,77眼观测井地下水动态呈现显著回升、变化不显著和持续下降三种变化规律;根据影响因素划定了河道渗漏补给主控型、河道渗漏和降水主控型、河道渗漏-降水-地下水开采作用明显型、河道渗漏-降水-地下水开采作用不明显型4种类型。其中,河道渗漏主控型的监测井在补水期的地下水位迅速升高,升幅一般在1~19 m之间,最大达20 m,而且存在明显的滞后性。这些规律可为制定科学的生态补水方案提供技术参考。

GRACE卫星在区域地下水管理中的应用潜力综述

GRACE卫星能反演区域地下水储量的月动态变化,而且数据免费,它为区域地下水管理提供了新的方法。首先总结了区域地下水管理、GRACE卫星在地下水储量和区域地下水管理中的应用现状;接着通过多个案例分析展示了GRACE卫星能成功应用于区域地下水储量动态评价,而且GRACE反演的地下水动态数据能用于区域地下水模型的参数识别,证实了GRACE卫星在区域地下水管理的应用潜力;最后指出GRACE卫星反演的数据在应用中的两大问题:该数据无法直接用于区域地下水资源评价和空间分辨率低。GRACE卫星如何有效用于区域地下水资源评价和如何提高GRACE卫星反演数据的空间分辨率是当前研究的发展方向。

改进的WEAP模型在水资源管理中的应用

在水资源评价和规划模型(WEAP)的基础上耦合多边形网格地下水三维流有限差分模拟系统,建立了WEAP-Tsinghua模型。该模型既能反映各水文测站的径流情况和水资源供需关系与分配,也能反映地下水位动态变化。以石羊河流域为例,建立了该流域的水资源管理模型,并利用2000年用水结构、水文测站径流数据和地下水位观测数据进行参数率定和模型验证,模拟和实测地下水水头差值小于1.0m的观测孔达到总监测点数的50%,模拟和实测蔡旗同金川峡站流量年误差小于1%,模拟的用水结构符合实际,预测分析说明石羊河流域现状用水模式不合理。改进WEAP模型具有友好的用户界面和易于使用的功能,可用于区域水资源规划模拟分析。

地表水和地下水相互作用及集成模型研究

本文在总结国内外地表水和地下水相互作用研究的热点问题的基础上,归纳了定量计算的基本方法,评述了国内外主要的集成模型并对其进行了分类;认为集成模型应该解决时空尺度整合、参数的不确定性等关键问题,指出综合水循环各组成部分的复杂系统模型是模型发展的必然趋势。

地下水流线的数值算法研究

地下水流线的生成是数值模拟结果显示中的一个重点。根据地下水流线可方便分析地下水的运动态,而常见的工具不能满足要求。论文探讨并提出了流线的“质点追踪”生成算法,这为流线数据可视化显示及其地下水年龄计算提供了一定的依据。最后,进行了实例研究,结果显示了设计算法的正确性。

北京市平原区饱和-非饱和地下水三维流模型建模方法

地下水是北京市主要的供水水源,其安全性对于北京市社会经济发展起着至关重要的作用,而利用地下水数值模型研究合理的地下水供水方案是非常有效的方法.本文在总结分析北京市平原区地下水数值模拟现状和水文地质条件的基础上,阐述了利用国际流行的饱和-非饱和地下水流并行数值模拟软件TOUGH2-MP/EOS9建模的方法,包括离散网络建立、水文地质参数分区与赋值、初始条件、参数率定与模拟拟合等等.结果表明了模型的合理性,同时分析了饱和度和补给速度的垂向变化,其结果可为南水北调水入京后北京市地下水补给和压采方案提供有效的技术支持.

黑河中游盆地地下水流建模的若干问题

针对建立地下水流概念模型和数学模型时往往忽视井孔描述和井流特征分析等问题,以黑河中游盆地地下水流建模为例,重点剖析了目前国际上应用最广的MODFLOW软件在模拟混合抽水井时的不妥之处,并采用符合地下水流机理的“渗流-管流耦合模型”来解决混合抽水井和观测孔的模拟问题;采用分别对“点泉”、“面泉”进行描述的方法来解决泉流量的模拟问题;提出了“滞后入渗补给权系数”及各时段入渗补给量的确定方法来解决河流、渠系、降雨滞后补给潜水的描述问题。同时,建立了包含达西流-非达西流的地下水三维不稳定流数学模型。

数值模型在黑河干流中游水资源管理中的应用

以黑河干流中游水资源管理为例,利用地下水数值模型研究了天然和人工活动作用下泉水、地下水向地表水排泄量的变化规律;预测分析了不同情景下的水资源开发利用状况。研究表明,地下水向河-泉的排泄量呈衰减趋势,且地下水的增采量和渠系防渗节约的水量主要来源于地下水储存量的消耗;指出在目前有限的水资源条件下,为保护生态地质环境,必须限制地下水的持续超采。

地下水数值模拟中入渗补给滞后的处理方法

地面水入渗补给地下水具有滞后性。文章介绍了地下水数值模拟中入渗滞后补给的权系数方法,该方法仅有一个参数需要确定。基于均质介质和底面为自由液面的一维土柱的理想模型数值试验,利用不同滞后因子的饱和地下水流模型同饱和-非饱和地下水模型求解的入渗补给量进行对比分析,认为待定参数与地下水位埋深成反比,与介质的饱和渗透系数成正比,通过40组设定的模型试验得到地下水埋深和饱和渗透系数对应的待定系数取值的统计关系式。这些成果为饱和地下水流模型中入渗滞后性的描述提供了参考,将提高地下水流模拟的仿真性。

地下水流数值模拟中平面三角网格自动剖分的实现

针对地下水数值模拟中涉及平面三角网格自动生成问题,提出了一种适合地下水流三角剖分的特定要求的算法,并利用当前流行的面向对象设计语言VisualC++实现了算法,最后结合实例,做了剖分工作,结果能很好满足地下水流数值模拟的要求,为地下水流数值模拟提供了方便快捷的服务。

黑河干流中游地区地下水多层含水系统动态仿真

建立了符合水文地质条件的地下水多层含水层模型,基于多边形有限差分方法,利用观测孔水位和泉流量进行了模型参数率定、识别与验证,结果说明了模型的合理性。现状水资源利用模式下地下水位及水资源量的预报分析说明水资源的持续超采最终会加快地下水位的下降及泉水衰减速度,从而恶化生态环境地质和影响到向下游的输水量,而本仿真模型可作为强有力的辅助工具为水资源管理提供科学的技术支持。

基于多边形的TOUGH2模拟器网格生成方法

针对TOUGH2模拟器网格数据较难生成的特点,在总结分析已有的网格生成工具的优缺点基础上,介绍了基于多边形的网格生成方法。该方法先将研究区离散为多个三角形网格,再将其转化为多边形网格。基于水文地质参数分区和地理信息系统软件,可生成各结点的水文地质参数分区信息,再利用统计软件将已知点的高程和厚度信息扩展到模拟层的结点,最终可生成TOUGH2模拟器需要的网格输入文件。以北京市平原区网格生成说明了方法的合理性。这些成果为TOUGH2模拟器的推广应用提供了参考,并将提高TOUGH2的使用效率。

黑河干流中游地区地下水流系统的稳定性刍议

受气候和人类大规模开发利用地下水影响,干旱区地下水动态规律复杂。在地下水流数值模型的基础上,对黑河干流中游地区地下水、河流和泉水转化关系进行了近500年的模拟分析,得出当增加的人工开采量最终等于排泄量的减少量时地下水系统达到稳定,但需要近百年的时间,现行地下水开采方案最终结果没有引起地下水向黑河的排泄量的干涸。发现黑河干流中游地区地下水系统稳定受气候和人类活动影响很大,其动态非常复杂。模拟结果可为分析干旱区地下水动态提供依据和参考。

干旱内陆河地区地表水和地下水集成模型及应用

基于水动力学基础建立了地表水和地下水集成模型,分析了地表水和地下水模型集成中的尺度耦合、转化量计算和移动自由液面法等关键技术问题。并采用该模型对一维明渠地表水流、一维和二维饱和-非饱和地下水流典型算例进行了模拟,计算结果符合实际。最后将模型应用于黑河干流中游地区地表水和地下水的转化分析,结果表明,黑河干流在黑河大桥以上约有17%的渗漏,在黑河大桥以下地下水向黑河的排泄量占莺落峡来水的30%左右,而地下水向黑河干流的河泉流量逐年减少。