论含水层非均质性对地下水污染特征的控制——以某山谷型垃圾填埋场为例

以某山谷型垃圾填埋场垃圾渗漏液泄漏的地下水污染调查与污染风险管控过程为例,探讨山谷型水文地质条件小尺度场地下含水层非均质性对地下水污染特征的控制作用。通过对研究区水文地质勘查、地下水污染的精准消源控羽和含水层强径流带的高效刻画等实践结果表明:山谷区非均质含水层中“非菲克弥散”现象明显;场地含水层非均质的掌控是地下水污染管控与修复工程成败与优化的关键所在;含水层非均质的把控可明显提高地下水污染精准管控效果,同时还可大大降低管控成本。本案例可为山谷型地下水污染风险管控工作提供可供借鉴的实践经验和技术参考。

基于PHF-LSM法非均质岩石水力裂缝等效几何特征计算方法

基于渗透率修正和水平集法的水力压裂数值计算模型(permeability-based hydraulic fracture-level set method,PHF-LSM)是以Biot固结理论为基础建立一种弥散裂缝模型.模型是通过弱化开裂及损伤区域岩石材料性质来模拟裂缝的发展过程,因此求解过程中无法给出水力裂缝的几何特征.依据水力裂缝传播过程中的平均有效应力场分布建立PHF-LSM方法的水力裂缝的等效路径和等效高度;依据等效传播路径周围位移场计算水力裂缝的等效开度,并通过与KGD理论模型对比进行验证所提方法的有效性.计算了均质和非均质岩石材料中裂缝等效几何特征的动态发展特性.结果表明,所提出的等效计算方法弥补了PHF-LSM无法得到水力裂缝几何特征的不足.

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。

纵向弥散作用与渗透介质非均质性定量关系的模拟研究

在地下水污染模拟预报中,弥散参数是很难确定的一个模型参数。因实验室小尺度弥散规律一般不能用于大尺度弥散过程,而野外示踪试验却耗资大、周期长,限制了其实用性。文中利用随机数值模拟手段、基于随机理论的蒙特卡罗方法及序贯高斯模拟技术来生成渗透系数随机场,并研究渗透系数对数场的方差、相关长度以及变异函数类型在不同尺度上对纵向弥散度的影响,进而建立纵向弥散度与随机分布渗透系数场的方差和相关长度的统计定量关系,并与Gelhar理论计算结果进行比较。数值模拟结果表明,经过一定迁移距离后纵向弥散度与随机分布渗透系数对数场的方差和相关长度具有良好的线性统计关系,与Gelhar理论公式表达的关系类型类似。但对于较大的方差,纵向弥散度模拟结果明显大于Gelhar理论计算值,而对于较大相关长度在迁移距离不很大时,纵向弥散度模拟结果明显小于Gelhar理论计算值。本研究可为野外大尺度地下水污染预报模型中水动力弥散参数的确定提供方法借鉴。

非均质渗透介质纵向弥散度数值模拟估算法适宜性探析

介绍了地下水溶质迁移转化模拟软件MT3DMS中的数值解法MOC、MMOC、HMOC和高阶TVD等的基本原理,分析比较了不同解法所获得的地下水污染时空分布模拟结果的质量误差以及纵向弥散度模拟计算结果异同,并进一步探讨了网格大小与污染源质量浓度对模拟结果的影响等.展现了通过数值模拟估算纵向弥散度的基本过程及其适宜性,重点探析了不同数值解法模拟估算弥散度的适用性.

数值模拟中非均质介质纵向弥散度两种计算方法的适宜性探析

介绍了地下水溶质迁移数值模拟中两种常用的纵向弥散度模拟计算方法——弥散面积法和线性图解法,重点通过建立代表性非均质模型并模拟运行,分析了两种方法计算纵向弥散度的准确性,比较了在不同的水力梯度、点源浓度、网格抛分以及非均质性等情况下两种方法的适用性。研究结果表明两种方法均可以较准确地获得非均质介质因流速空间分布差异所产生的一定量级的纵向弥散度;两种方法对不同点源浓度和非均质性等情况都比较适宜,而在给定的非均质渗流场中,对于不同水力梯度与网格抛分等情况,线性法比较适宜。网格抛分使模拟计算的纵向弥散度变化的主要原因是数值弥散。

弥散系数在非均质多相岩层中的尺度效应

根据渗透系数在多相岩层中的协方差函数,文中首先推导了用以描述溶质在三维模型中运移特征的宏观弥散系数方程,然后导出了纵向弥散系数用来表达该参数的尺度效应。利用一个例子,讨论了宏观弥散随时间的变化趋势,以及同一岩相内转移项和越相转移项对弥散的相对贡献。灵敏度分析指出纵向弥散系数是与岩相平均长度正相关,也与不同岩相的渗透系数的差值正相关,其取值随渗透系数的总方差的增加而增大。

非均匀孔隙介质中的弥散作用——(1)局部体积平均和大范围平均

这里研究不考虑吸附或化学反应时,孔隙介质中的扩散和弥散作用问题。对这种问题,用局部体积平均可得到对流-弥散方程和闭合法,用该方法可获得直接理论弥散张量。这种方法涉及三个长度尺度:l_(?)、孔隙直径;r_0,平均体积半径;L宏观长度尺度,并用表征单元体确定弥散张量。最早是用综合单元体来捕捉观测的弥散现象,并自然引入另一长度尺度,即与局部非均质有关的长度尺度。为解决这一问题,我们建议用大范围平均来说明局部非均质的影响。这就产生一大范围的对流-弥散方程,该方程包含有时间导数的附加项,时间导数是由于出现非均质产生的,在传统的局部体积平均对流-弥散方程中并不存在。第一新项是关于时间的二阶导数,它可能对地下水运移过程中时间尺度并不重要,然而对小范围的实验室试验可能是重要的;第二新项包括一个混合空间时间导数,它对有实际意义的许多情况可能是重要的。这里提出的闭合法方案考虑了理论上确定在大范围对流-弥散方程中出现的所有参数。

垂向非均质含水层中的宏观弥散

为了解释室内与野外实验中弥散参数依赖于规模的现象,本文分析了垂向非均质含水层中污染质的运移,介绍了宏观弥散及其参数的概念,以实例说明宏观弥散度的物理意义和组成。这些研究将有助于正确恰当地应用水动力弥散方程解决野外问题。

非均质条件下锶迁移的反向随机模拟

通过重新分析用于模拟降雨入渗和示踪剂释放迁移的室内土柱(填装砂土和黏土)实验,基于对流弥散方程(ADE)和连续时间随机游走(CTRW)理论的模型,对实验穿透曲线进行了反向模拟,定量分析了锶(模拟^(90)Sr)的non-Fickian弥散迁移规律。结果表明,由于粒子扩散进入不流动区和吸附到矿物表面等因素的影响,从土柱中淋滤出来的溴和锶的最大质量份额分别约为60%和50%,此外,流出曲线不同程度的早到和拖尾特征也表明,土柱实验中存在优先流现象。CTRW模型考虑了水力-化学耦合效应过程,较好地描述了锶的non-Fickian迁移(0<β<2)和Fickian迁移(β>2)行为,non-Fickian弥散迁移可归结于土柱结构非均匀性导致的流场变化(如优先流)和复杂的吸附过程,特别是,锶在黏土矿物中吸附导致了其峰值浓度的降低和延迟,进一步增加了non-Fickian迁移。

基于水平集法的三维非均质岩石建模及水力压裂特性

采用水平集法(LSM)描述非均质岩石的静态材料边界特性,探讨分层特性、含有随机分布包裹体特性和具有Weibull分布特性的三种非均质岩石材料有限元建模方法,并与基于完全流-固耦合弹塑性理论的弥散裂缝模型相结合进行水力压裂过程的模拟.在水力压裂模型中通过Corey关系和相对渗透率计算压裂液与原有液体混合的特性.最后进行符合Weibull分布的非均质岩石材料的水力压裂传播特性的计算,给出了等效开裂区域的发展过程、注水点处水压力与注水时间变化曲线和有效应力路径.模拟结果表明,采用水平集法能够有效地描述岩石材料的非均质特性,同时该法能够与弥散裂缝模型很好地结合,实现三维非均质岩石的建模与水力压裂过程的模拟.

均质与非均质饱和土壤溶质穿透曲线(BTC)的比较分析

在室内恒温条件下,分别对均质土柱和非均质土柱采用饱和-稳流一维垂直土柱易混置换法,就2种土柱对Ca2+,Cl-在土壤中运移的规律进行了初步研究。研究结果表明:Ca2+,Cl-在非均质土柱中的水动力弥散系数大于在均质土柱中的水动力弥散系数,而阻滞因子则小于均质土柱。对于非均质土柱,其孔隙水平均流速也比较大,代换液浓度对穿透曲线(BTC)的影响不太显著;而均质土柱中代换液浓度对BTC影响较为显著,这可能是由于非均质土壤的孔隙度和土壤结构具有较为显著的空间非均一性所致。

渗透系数升尺度对非均质含水层溶质迁移影响研究

区域非均质含水层地下水污染物迁移模拟中尺度选择十分关键。以下辽河平原浑河洪积扇为例,依据钻孔资料用T-PROGS软件生成非均质渗透系数场,以此模拟污染物在三维非均质含水层中不同离散网格尺寸以及不同迁移模型条件下的迁移情况,结果表明不同迁移模型条件下网格尺寸大小对污染物迁移的影响较大,双域模型条件下污染物浓度穿透曲线出现明显的"拖尾"现象,穿透曲线"拖尾"转折点浓度与模型参数有关。在近源处网格尺寸的变化对双域模型的影响大于对对流—弥散模型的影响。

非均质饱和土壤盐分优先运移的随机模拟(英文)

在室内使用特殊形状的土柱隔板成功地填装了在水平横截面上呈"川"字型分布、由质地相差较大的两种土壤相间构成的非均质土柱.当土柱出流达到稳态后,灌入CaC l2溶液,监测土柱出流液的浓度动态,通过计算表征氯离子迁移时间随机特征的概率密度函数,对出流盐分的优先运移采用传递函数模型进行仿真,并对构成非均质土柱的两种均质土壤分别进行了条件类似的水盐入渗实验和模拟.在此基础上获得了参与氯离子输运的土壤水运移体积和可动体积以及土壤溶液中氯离子的体积平均驻留浓度.

弥散核燃料燃烧演化过程中的关键力学问题

为了实现核能的可持续发展,需要研发第四代先进核能系统,其同时具有高安全性、高经济性、核废料最小化和防核扩散的特点.加速器驱动的次临界系统(Accelerator-Driven Subcritical System,简称ADS)是具有上述特点的一种先进核能系统,弥散核燃料在其中具有良好的应用前景.弥散核燃料是一种非均质核燃料,在结构上类似于颗粒复合材料,也称为惰性基体燃料.本文主要针对ADS用弥散核燃料,给出其在反应堆高温、高压和辐照环境中的关键力学问题,阐述其所具有的多尺度和多场耦合特征,介绍其在理论建模和数值求解等方面的相关研究进展,并提出研究展望.

豫西丘陵地带黄土介质水动力弥散特性试验研究

黄土介质特有的垂向发育的微节理、微裂隙等大孔隙使其具有高度的非均质性,为了研究这种空间非均质性对黄土介质弥散能力的影响,结合室内和野外弥散试验的特点和优势,在豫西丘陵地带某试验场地开展了基于两种尺度的黄土介质弥散特性试验研究。研究结果表明:①基于径向收敛流瞬时注入法野外弥散试验获取的黄土介质弥散度数值稳定性较好,获取的代表场地水平方向的纵向弥散系数与平均孔隙流速呈良好的线性关系;②室内土柱淋滤试验表明,非均质土柱的弥散参数显著大于均质土柱,差值达到一个数量级,分析认为黄土介质垂向上发育的微节理、微裂隙等大孔隙是造成黄土介质垂向弥散能力较大的重要原因;③对比室内和野外弥散试验结果表明,黄土介质的空间非均质性在水平和垂直方向的显著差异影响其不同方向的水动力弥散能力,即黄土介质的垂向弥散能力显著大于水平方向。在研究非均匀介质的弥散系数时,应根据试验目的有针对性地选择室内或是野外弥散试验。

指数型弥散过程的解析解

对具有指数型弥散系数的弥散过程建立了数学模型 ,应用积分变换把变系数的偏微分方程变为变系数的常微分方程 ,应用超几何函数方法和反演技术得到了两类边界条件下的解析解· 利用解析解的表达式和计算结果 。

对流-弥散方程的解析解(英文)

非均匀介质中的弥散过程是依赖距离的 ,这起源于非均质结构的多尺度性质 .文章对于具有指数弥散函数的弥散过程建立了对流 弥散微分方程模型 ,应用积分变换将问题转化为具有变系数的常微分方程问题 ;对于两种类型的边界条件 ,应用超几何函数和反演技术得到了问题的解析解 ,并分析了指数弥散过程和常数弥散过程的不同性质 .

考虑弥散的混溶驱替模拟

弥散是混溶驱替过程中一种重要的传质方式,在一定程度上决定着体积波及效率,然而很多混溶驱替模拟过程均未考虑弥散的影响。为此,根据随机建模方法来构建体中心网络模型,利用Kirchoff定律和有限差分方法对模型压力场和浓度场进行耦合求解,开展混溶驱的动态网络模拟,分析孔隙结构特征参数与流体流动参数对混溶驱的影响。结果表明:与不考虑弥散的混溶驱相比,考虑弥散的混溶驱体积波及效率更高,驱替流体突破时间更晚,前缘突破时的采出程度更高;对于考虑弥散的混溶驱,孔隙非均质性越强(或孔隙连通性越低或黏度比越大或驱替流量越大),黏性指进现象越明显,体积波及效率越低,前缘突破时间越早,采出程度越低;前缘突破时的采出程度与孔隙非均质性(或孔隙连通性)呈线性关系,与黏度比(或驱替流量)呈乘幂关系。该研究成果对于弄清溶质运移规律和提高驱替流体的体积波及效率具有重要意义。

井内混合效应对弥散尺度依赖性影响的实验研究

弥散度是刻画孔隙介质中溶质运移和扩散的重要参数,对于污染物的预测和修复至关重要,但野外示踪试验往往会选择忽略真实存在的井内混合效应。通过室内砂槽实验方法,模拟具有水平分层结构的含水层,该含水层主要由3种介质充填而成。采用埋藏传感器和井中布设传感器2种监测方式,对比在有/无混合效应情况下,穿透曲线的形态差异,进而探究井内混合效应对弥散尺度依赖性的影响情况。实验结果表明,井内混合效应会使穿透曲线呈现阶梯式增长,并伴有显著的拖尾现象;当使用对流弥散方程进行计算时,混合效应会导致弥散度被高估;观测到的弥散度与真实弥散度的差异会随着注入井和观测井间距离的增加而增大;此外,2种观测方式(埋藏/井内)均能发现弥散的尺度依赖性,且井内混合效应显著增强了弥散尺度效应,该实验结果可为污染物运移的评价和预测提供参考。