我国北方型裂隙岩溶水流及污染物运移数值模拟研究进展

简要回顾了近几十年来我国北方型裂隙岩溶水流及污染物运移数值模拟方面的研究成果,评述了裂隙岩溶水资源评价和污染物运移模拟的计算方法和模拟技术,其中对一些与数值模拟相关的重要问题、近年来研究的热点问题,如模型参数识别及其尺度效应问题、数值弥散和数值振荡问题、Non Darcy流和Non Fickian运移问题以及随机方法研究等进行了重点评述,对已有的解决办法进行了比较和对照,并探讨了今后的研究趋势。

锦屏二级水电站隧洞群施工期地下水运移、影响及控制研究

富水区修建深埋长隧洞必然会破坏原有地下水系的平衡,进而对施工和周边水文地质环境产生不利影响。隧洞群开挖过程中,地下水的运移、影响及隧洞涌水量等研究是一个受多种因素影响的复杂的三维问题,依托锦屏二级水电站引水隧洞群工程,研究隧洞施工过程中山体内部地下水的运移情况,将目前进度下的分析结果和实际监测到的结果进行对比,验证了分析方法和结果的可靠性,在此基础上预测隧洞群贯通后地下水的分布状态,并分析其对工程区内的两大泉(磨房沟和老庄子泉)及当地居民生活用水的影响,进而研究并提出锦屏隧洞施工涌水的控制措施和控制标准,为设计、施工提供参考依据。

裂隙介质水流与溶质运移数值模拟研究综述

在介绍裂隙介质中的水流运动及裂隙介质溶质运移规律的基础上,总结了多种用于概化裂隙岩体的模型及数值方法,介绍了各模型相应的模拟软件如TOUGH2与FRSCMAN的发展及应用,指出裂隙介质中地下水运动及溶质运移数值模拟研究仍处于探索阶段,方法与技术均不成熟,机理研究、数值模拟方法等方面有待进一步发展。

基于地下水数值模拟的地球物理反演解释优化方法研究

地球物理的多解性无处不在,面对这种情况我们往往结合地质资料来对反演结果进行合理的地质解释。然而在偏远地区地质、深部钻探资料非常缺乏,野外已有的井孔也往往难以获取岩性编录资料。当这些资料比较少时,反演结果依然存在难以解释或者不确定等问题。是否可以借助于地下水位与水质信息包含的地质体水力特性,来辅助地球物理反演过程?基于此思路探索了基于地下水模型的地球物理反演解释优化方法:以大地电磁法为实现手段,通过研究已知理想地质模型和多个基于反演结果解释得到的地质模型,建立地下水数值模型,对比地下水水流和溶质运移数值模拟结果,最终确定相对最佳地质模型。并通过敏感性分析验证了运用地下水数值模拟搜索相对最佳地质模型的可行性。

SIMULATION OF THERMAL TRANSPORT IN AQUIFER:A GWHP SYSTEM IN CHENGDU,CHINA

With an established convection-dispersion model for the thermal transport in aquifer, the thermal transport processes in an unconfined aquifer of a Groundwater Heat Pump （GWHP） system in Chengdu, China, are simulated with double-well intervals and cooling-load design fluctuations in summer running period under special groundwater flow and heat source conditions, and the stage-characteristics of the thermal transport in the aquifer are investigated in the running cycle （1 year） numerically. The results show that the thermal transport in the aquifer is closely related to the distance between pumping and injecting wells and the cooling-load design fluctuations, especially, to the cycling water volume. The thermal transport in the aquifer sees different characteristics in the two states in the pumping-recharging stages in summer/winter and the storing stages in spring/autumn. With the hydro-geologic theory and the numerical model, the effect of the groundwater-flow on the thermal transport in the unconfined aquifer is discussed.

工质种类对液态金属磁流体发电系统两相流影响的数值模拟

为了更好地选择工质种类以提高液态金属磁流体发电系统中低沸点工质和液态金属两相流输运速度,进行了数值模拟研究.利用CFD仿真软件,分别以三氟三氯乙烷、三氯甲烷作为低沸点工质,液态金属锡和镓作为液态金属工质,模拟低沸点工质受热汽化推动液态金属流动的物理过程,进行两相流模拟仿真研究.通过模拟结果结合理论分析得出工质种类对气液两相流输运特性的影响.结果表明,在满足液态金属不发生倒灌的条件下选择具有较小摩尔质量,较小潜热,较小热容和较大密度的低沸点工质以及具有较大密度,较大热容和较大热导率的液态金属更有利于气液两相流的运输;低沸点工质的沸点和液态金属的熔点应根据应用对象合理选择.

典型污染场地含水层天然净化能力溶质模拟

根据典型石油类污染场地岩性、水文地质等特征,在长期观测、抽水试验及弥散试验等资料搜集与分析基础上,通过水流模型验证,构建了地下水水流运动及溶质迁移的数值模型。选取苯系物(BTEX)作为模拟因子,运用GMS软件中MT3DMS模块模拟地下水对流-弥散溶质迁移过程,运用RT3D模块模拟研究了地下水中移动、非移动的多种微生物共存的有机污染物生物降解过程。结果表明,生物降解化学反应具有明显的降低污染物峰值的作用,而研究区存在大量的好氧微生物作用和反硝化作用,据此提出可以采用原位生物修复技术来治理石油污染。

榆神府地区煤炭开采对地下水资源的影响

通过对覆岩含水性和地下水流场的研究,探讨了榆神府地区煤炭开采对地下水资源造成的影响。通过公式估算法、瞬变电磁法和GMS地下水数值模拟法,探讨了榆神府地区煤炭开采对地下水资源量、上覆岩层含水性和地下水流场的影响。研究发现煤炭开采会引起地下水水位下降,覆岩含水性降低,引起含水渗漏现象,最终改变原始地下水流畅,形成地下水降落漏斗。榆神府地区在产煤矿矿井水排水量(2014年)约为50×10~6m^3/a,其中有46. 6%的矿井水会作为生产用水回用,随着在建和规划煤矿逐步建成,地下水外排量会增加140×10~6m^3/a,其中生产回用水量占矿井总排水量的50%以上;上覆岩层含水性在煤炭开采的不同开采阶段表现出不一样的特征,开采前覆岩含水性良好,开采中覆岩含水性逐渐降低,开采结束后,覆岩含水性会逐渐恢复; GMS模拟结果显示,煤炭开采初期地下水水位会以20 m/a的速度快速下降,到2018年已经形成地下水降落漏斗,2028年漏斗范围持续发展,到2048年,降落漏斗范围基本稳定,并形成以井田北部为中心的新地下水流动场。

高放废物深地质处置地下水流数值模拟方法研究进展

地下水流数值模型不仅是认识深部水动力场形成演化机制的有效工具,也是建立核素迁移数值模型的基础,因而是高放废物处置场选址和安全评价中重要的技术手段。高放废物深地质处置地下水流数值模拟方法较多,如何选择适当的方法也是值得关注的问题。针对高放废物深地质处置地下水流数值模拟技术展开研究,通过阅读大量国内外文献,文章系统阐述了目前常用的4类地下水流数值模拟方法的研究进展、适用条件和实例应用;综述了深地质处置中常用的模型不确定性分析方法及研究成果,列表给出了适用于放射性废物地质处置的地下水流数值模拟软件及其在废物处置选择和安全评价中的应用。研究结果表明:等效连续介质模型适用于大区域、长序列、裂隙发育程度较高或较均匀的地区,该类模型方法成熟、所需的数据和参数易于获得,但是不能精确刻画裂隙介质中地下水的流动特征。离散裂隙网络模型适合解决处置场地、储罐尺度等需要精细刻画的地下水流问题,但由于需要大量裂隙及其连通性数据、相关参数等,该方法存在着工作量大、耗时多的缺点。双重介质模型主要用于解决区域尺度裂隙水流问题,但并不能表现出裂隙介质的各向异性、不连续性等特征,因而适用范围存在一定的限制。等效-离散耦合模型可以通过区域分解法对裂隙密度大的区域采用等效连续介质模型,对于裂隙密度较小的地区采用离散裂隙网络模型,从而更符合一般地质条件下裂隙渗流的特征,但也存在交换量难以确定、模型耦合技术问题。通过灵敏度分析,将不同敏感因子对模型敏感指标的影响程度进行排序,提高模型精度、减少参数不确定性分析的工作量。蒙特卡罗法是目前常用的一种模型不确定性方法,原理简单、易于实现。文章展望了数值模型在仿真性、不确定性分析、预测和多介质耦合等方面的研究前景。

不同特性介质对边壁流效应的影响

为系统地研究边壁流效应与实验介质特征之间的关系,从与边壁流效应有关系的实验介质出发,选用粗、中、细3种性质的砂粒。基于单组分均介质实验结果分析,设计不同粒径介质的空间组合结构类型,通过物理实验,结合地下水数值模拟技术和数学分析方法,得到渗流实验中不同介质对边壁流效应影响的程度为细砂>粗砂>中砂,明确了边壁流效应对地下水渗流和溶质运移的影响。通过实验,为如何预防或减小孔隙介质水文地质试验中的边壁流效应提供参考依据。

含透镜体多孔介质中溶质二维运移实验与模拟研究

为了研究透镜体对污染物运移的影响,文章设计了二维承压含水层物理模型,以惰性溶质亮蓝为例,开展了不同流速下多孔介质溶质运移实验和模拟研究。研究结果表明:透镜体加入模型后,污染物会优先从透镜体周围流过,出现绕流现象,透镜体对溶质运移具有明显的阻碍作用;采用解析解模型和IGW(Interactive Groundwater)模型对溶质运移穿透曲线进行拟合,都出现早到和拖尾等非费克现象,IGW模型拟合精度明显好于解析解模型,能较好地拟合溶质运移中的非费克现象;透镜体的存在相当于增加了介质的非均质性,因此含有透镜体时弥散系数D增大;当仅考虑流速变化时,D随着流速的增加而变大。

基于GMS的北京市朝阳区地下水环境数值模拟与预测分析

为研究北京市朝阳区地下水压采过程中硝酸盐污染发展趋势,基于近年来地下水观测资料及钻孔资料,利用地下水数值模拟软件GMS,建立地下水水流和溶质运移耦合模型,对研究区地下水硝酸盐的迁移扩散进行了数值模拟,并分别预测了5 a后在丰水年、平水年和枯水年三种情景下硝酸盐的分布状况和浓度变化趋势。研究表明:地下水压采过程中,研究区地下水位基本呈逐年上升的趋势,平水年地下水漏斗中心水位上升2.0~2.5 m,地下水呈西南向东北流向。硝酸盐污染羽的扩散方向与地下水流动方向较为一致,污染中心北侧污染羽向东北方向扩散,且丰水年扩散距离最远。整个区域内Ⅰ、Ⅱ类水质面积逐渐减小。污染较严重的西南地区硝酸盐浓度有所降低,且浓度梯度减小。研究区地下水流与溶质运移两者之间有着密切的联系,应加强对地下水资源的科学调度,防止地下水环境的进一步恶化。

GMS在莒县城区地下水水源地保护区划分中的应用

以山东省莒县城区的三个水源地为研究对象,利用GMS软件中的MODFLOW模块进行地下水水流模拟。为地下水水源地合理划分水源地保护区,有效保护地下水资源,防止地下水污染,在水流模型的基础上利用MT3DMS模块进行溶质运移模拟,依据《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ/T338—2018),将溶质运移100和1000 d的范围划分为一级保护区和二级保护区,净水厂、第一水厂和文心水厂的一级保护区和二级保护区的污染晕范围面积分别为34617和150800 m 2、54467和203000 m 2、32200和164000 m 2,实际操作时,可以将三个独立的二级保护区适当外扩,将三个水源地整体划入一个沿河谷的条带区域内进行保护管理,为莒县城区的水源地保护和开发利用提供依据。

基岩岛屿地下水流场数值模拟研究

岛屿是我国领土的重要组成部分,对国家安全和国防军事意义非凡。岛屿的地下水资源尤为珍贵,地下水流场模拟是研究地下水分布规律的重要手段。水文地质条件复杂、可利用的观测井较少等原因,造成了基岩岛屿水文地质模型概化精度不高、初始条件难以获取等问题。为克服基岩岛屿地下水流场模拟的诸多困难,将珠海外伶仃岛作为研究区,利用数字高程模型数据开展地质地貌建模;利用探地雷达法、直流电法与地质分析对岛屿进行探测,获取了地层数据;采用地下水遥感评估法,利用实测井位数据,确定了地下水的初始水位,进而对基岩岛屿地下水流场进行建模;最终,通过对外伶仃岛地下水流场的数值模拟得出地下水模拟流场图。岛上多个测点的探测水位值与模拟水位相关性较好,其拟合优度R 2为0.8722。由此可见,综合遥感、物探、水文地质手段等技术方法获取的数据,采用地下水模拟软件或程序实现基岩岛屿地下水流场的数值模拟,是基岩岛屿地下水资源研究的一个有效方法。

基于GMS的长春齐家地下水水源地二级保护区划分

长春市双阳齐家水源地临近油田,原有的水源地一级保护区不足以调和油田开采与水源地水质安全之间日益突出的矛盾.为了保护地下水饮用水水源地不受油田开发活动的影响,为饮用水水源地所在地区的油田开发布局提出规划建议,首先查明研究区内水文地质条件,然后在原有的一级水源地保护区基础上利用数值法软件GMS(groundwater model system)中的MODFLOW和MT3DMS模块对水源地建立地下水流模型和溶质运移模型,并以此对长春市双阳齐家水源地进行二级保护区划分研究,明确油田开发活动对地下水环境和水源地可能产生的污染程度和范围.模拟结果表明,污染物在地下水中运移1000d时距离污染源400~800m,以此为据共划定二级保护区33.5km^(2),并将原规划在划定的二级保护区内和边缘的油井给出取消建设或适当迁建的建议.

地下水人工回注污染物迁移转化饱和流模型

利用污水处理厂二级出水进行的人工地下回注伴随有污染物迁移转化的地质化学及生物化学过程,现存的商业化软件无法模拟。该文以饱和流模型为基础,结合对流-扩散过程、吸附过程及可能的生物降解过程,建立了一个针对地下水人工回注的数学模型。采用有限体积差分并对水浸深度不同的网格采取不同的离散措施,保证在地下水面处的连续性。应用算子分裂技术并设计了一种特殊的迎风差分格式,使得模型求解速度加快。该模型已应用于北京市高碑店污水处理厂人工地下水回注示范工程。

从过程到系统:论地层中水流与输运预测模拟

人们对地层中溶质流动与输运相关的水力学过程开展了许多研究工作,包括水动力弥散及其尺度效应、基质扩散、流动管道化以及密度驱动流。但对于诸如环境治理与核废料处置问题等有关的污染物或核素流动与输运的当代研究热点,不仅需要对这些单独过程有一个更好的理解,还需要具有对作为一个系统中给定场地的地质介质中溶质输运进行预测的能力。本文将借助于两个实例,阐述和讨论水力输运预测的有关问题。