基于高密度电法监测双重介质溶质运移实验与 模拟研究

为了对孔隙裂隙双重介质中溶质运移现象进行量化研究,文章设计了孔隙裂隙双重介质物理模型,运用高密度电法仪器监测示踪剂(氯化钠)溶液的电阻,开展了一定流速条件下双重介质运移实验研究,利用对流弥散方程(advection-dispersion equation,ADE)以及连续时间随机游走(continuous time random walk,CTRW)中截断幂函数(truncation power-law function,TPL)对溶质运移穿透曲线进行了拟合分析。研究结果表明:实验条件下,孔隙的溶质运移速度明显慢于裂隙内溶质运移速度;孔隙裂隙内溶质运移呈现出明显的非费克现象,表现出拖尾现象;在模拟溶质穿透曲线时,CTRW-TPL模型拟合结果优于ADE模型。     

单个粗糙裂隙中水流及溶质运移研究进展

文章回顾了有关单个粗糙裂隙中水流和溶质运移的理论、实验研究和数值模拟的成果,重点评述了对裂隙结构面粗糙度的分形特征、粗糙裂隙中描述水流的模型和溶质运移的弥散系数和穿透曲线,并对反映单个粗糙裂隙中水流特征的“局部立方定理“适用条件和溶质运移所呈现的“非费克”运移机理作了初步分析,在此基础上探讨了今后的研究趋势。     

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。     

单裂隙承压无压条件下达西-非达西流演变试验研究

基岩裂隙水运移机理研究对基岩裂隙水水害防治以及污染修复具有重要意义。本文设计了由水泥和粗砂（粒径介于1 mm～2 mm之间）制成的单裂隙模型,开展了承压无压条件下基岩裂隙水流试验和拟合研究,讨论了水力梯度和流速之间的关系以及Forchheimer公式中线性项和非线性项的比例变化。得出主要结论如下：（1）实验条件下的水流呈非达西流,用Forchheimer公式可以较好地拟合水力梯度和流速的关系,且拟合精度较高。（2）随着离出水口距离的增加,水流从非达西流向达西流演变,当距离足够远时可以将水流视为达西流。（3）在水流从非达西流向达西流演变过程中,临界雷诺数随着隙宽的增加逐渐减小。     

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。     

不同隙宽条件下L形裂隙水头损失试验

根据室内模拟试验,研究了水流流经L形裂隙时水头损失随裂隙宽度、裂隙中水流流速变化的规律。研究结果表明：水流流经L形裂隙的水头损失随隙宽的增大而增大,与水流流速之间呈二次函数关系;综合分析不同隙宽条件下L形裂隙水头损失与流速之间的二次函数关系,显示此函数关系的二次项系数与隙宽之间呈线性关系,一次项系数与隙宽之间呈二次方关系,最终得到L形裂隙水头损失与隙宽及流速之间的经验公式。     

地下河不同流量状态下溶质运移的参数及模拟

在官村地下河流域一段长为750m的管道进行了十一次弥散试验,以考察岩溶管道流的溶质运移行为.采用NaCl作为示踪剂,利用电导仪记录浓度的变化和流速仪测量管道流的流量.试验表明溶质的平均运移速度为1.3~5.8cm·s-1,通过弥散试验求的管道平均截面面积在不同流量时差别不大,表明岩溶管道处于有压管流状态,并且雷诺数大于20000,据此判断管道流为紊流.弥散系数与溶质平均运移速度之间为近似线性关系.利用经典对流弥散方程以及由试验结果取得的参数模拟溶质的穿透曲线,发现模拟结果的溶质运移总比实际滞后,这种现象与模拟时管道形状的平均化处理无关,是用管道截面平均流速代替管道截面实际流速产生的.改用代表暂存区机理的溶质运移模型模拟试验结果,将管道水流截面分为主流区和不流动区,模拟结果与实际吻合,这解释了溶质平均运移时间提前和穿透曲线出现拖尾的原因.     

采用图像法实时监测二维多孔介质溶质运移实验与模拟研究

为了对非干扰条件下二维多孔介质中溶质运移现象进行量化研究,进而探索介质条件、水动力条件对二维溶质运移的影响。文章设计了二维承压含水层物理模型,运用图像分析法监测示踪剂质量浓度,开展了不同流速、不同粒径条件下多孔介质溶质运移实验研究,使用交互式地下水(Interactive Groundwater,IGW)模型对溶质运移穿透曲线进行了模拟,研究结果表明:相同流速不同粒径条件下,介质粒径小,亮蓝溶液先穿透,对应的峰值质量浓度小,且弥散系数随着介质粒径的减小而增大;相同粒径不同流速条件下,流速越大,到达峰值质量浓度的时间越短且峰值质量浓度越大,弥散系数随着流速的增大而增大;IGW模型总体拟合精度较高,存在拖尾现象,且这种现象随着流速减小及粒径减小而更明显。     

多孔介质双分子反应溶质运移实验与模拟研究

多孔介质中化学作用对溶质运移具有重要影响.为了揭示反应性溶质运移机理,保持多孔介质不变,以胺和1,2-萘醌-4-磺酸钠双分子化学反应为例,分别开展了非反应及反应条件下不同流速溶质运移实验和数值模拟研究.主要结论如下:①改进的反应性对流弥散模型能模拟双分子反应中溶质运移行为;模型可行,具有较高的精度;0.4mL/s和0.8mL/s流速下生成物峰值浓度相对误差分别为1.2%及0.8%.②利用对流弥散模型可以评估非反应物运移弥散系数,可为反应性溶质运移弥散系数识别提供技术参考.③随流量增大,模型参数m减小,而β0则增大;此外,同一物质在保持相同流量下,作为反应物出现时,其弥散系数略高于非反应物质的弥散系数,其作用机理有待进一步研究.     

低渗透非达西流场中溶质运移实验及数值模拟

为了更好的研究低渗介质中污染物的运移规律,运用低渗岩芯中溶质运移实验,比较了不同启动压力梯度下溶质运移规律及其特征,并应用所建立的数学模型模拟了饱和的低渗岩芯中溶质运移过程。结果表明:不同质地的低渗岩芯,其启动压力梯度不一样,启动压力梯度越大,流速越小,水动力弥散作用对溶质运移的影响更加明显,应用对流扩散方程可以很好的模拟溶质在低渗岩芯中运移的过程。     

时变边界一维对流弥散方程解析解及其在土柱试验中的应用

运用格林函数法,推导了一维有界时变边界对流弥散-线性耗散方程的解析解,然后将其与数值模拟结果对比,并分别应用于土柱热传导和溶质运移试验。结果表明:初始条件及上、下边界条件的贡献量相互独立,并且初始条件的影响随时间衰减,最终消失;解析解能很好地匹配数值模拟结果、土柱试验实测土温变化和溶质穿透曲线。     

裂隙介质溶质运移模型的数值模拟

考虑裂隙介质中溶质运移问题的数学模型,建立离散的广义差分格式,给出不同的裂隙介质阻滞系数下的数值算例,并将数值解与解析解进行比较;比较结果表明:利用所建广义差分格式求解裂隙介质中的溶质运移问题是可靠的,且该格式具有稳定性和可实用性,可以用来数值模拟更加复杂的裂隙介质中溶质运移的物理过程.     

基于多点地质统计的二维裂隙网络溶质运移模拟

应用多点地质统计模拟方法对某理想二维裂隙研究区进行还原,并将生成的二维裂隙网络模型与MODFLOW和MT3DMS结合,进行水流及溶质运移模拟.模拟结果表明,随着时间的推移,溶质较为严格地按照裂隙发育的方向运移,优势流现象明显;改变裂隙渗透系数与基岩渗透系数的比值,则随着比值的不断增大,裂隙研究区水流的各向异性及优势流现象愈加明显.研究表明,多点地质统计方法可以有效模拟裂隙网络结构特征及裂隙地下水流及溶质运移特征,是一种较为有效的裂隙网络模拟方法.     

渗透系数空间变异性对低渗透地层中地下水溶质运移的影响

以天津市北大港水库为例,通过野外勘探、现场取样、室内试验、数值模拟等方法,研究水库库底地层渗透系数空间变异性对地下水溶质运移的影响。结果表明:北大港水库库底地层渗透系数较小,且呈现出较强的空间变异性;地下水流通量随地层渗透系数空间变异程度的增加而增大,渗透系数均值对水流通量的影响大于其标准差;渗透系数均值越大,在地下水流的抑制作用下,溶质运移程度越弱,而渗透系数空间变异性越强,地下水流的抑制作用相对越弱,溶质运移程度越强。     

多尺度裂隙介质中溶质运移研究进展

总结了单裂隙尺度和网络裂隙尺度中溶质运移的基本特点、试验研究成果、裂隙交叉处的混合模式、数学模型以及模拟方法等．分析了裂隙介质中溶质运移试验研究的局限性,评价了各种数学模拟方法在实际应用中的优缺点,指出了溶质运移的研究特别是裂隙几何特征和交叉处的混合模式的研究还有待进一步完善．     

基于MATLAB的土壤水分运移数值模拟

土壤水分运移曲线是模拟水分在土壤中运移的关键.基于水分运移RICHARDS方程的二维数值模型,采用MATLAB对膜下滴灌的点源和线源土壤水分运移过程进行数值模拟,以砂壤土的膜下滴灌为试验和仿真的对象,利用MATLAB中的PDE工具,对土壤水分运移过程进行数值模拟,得到滴灌条件下土壤水分的水平运移和垂直运移曲线,并将实测曲线和拟合曲线进行了比较,结果表明偏差较小.     

单一粗糙隙缝水流非线性运动实验

在隙宽2～8 mm壁面粗糙的人工隙缝中进行了水流模拟实验,实验证实隙壁性质和流态对水流运动方程有影响,当雷诺数大于200～700时,流速与水力坡度间的关系是非线性的,呈v=αI0.5的形式,布西捏斯基窄缝水流方程即水流的三次方定律不成立.     

TCE运移的计算机模拟

建立描述场址区碳酸盐岩含水层中ＴＣＥ污染运移的数学模型,并且假定水流呈稳定态而溶质运移则呈非稳定态,数值模拟结果基本满意,参数的敏感性分析表明,溶解相及吸附相溶质一阶反应率数值的变化对于溶质运移有着敏感的影响,由此可见,场址地质环境下含水层中ＴＣＥ污染物的生物降解作用是存在的。     

宽隙比及粗糙度对交叉裂隙高速非达西偏流效应的影响

目前针对交叉裂隙偏流现象的研究只局限于达西情况下,而实际工程中地下水渗流常常出现高速非达西现象。基于已有研究的基础,利用Fluent软件分别对不同隙宽比和不同粗糙度的交叉裂隙中的渗流进行数值模拟,以研究交叉裂隙在高流速下的非达西偏流效应特性。通过设置变量裂隙和参照裂隙,探讨两条支裂隙隙宽比以及节理粗糙度系数JRC对达西与非达西情况下偏流量的影响;同时对比了不同隙宽、不同粗糙度的单裂隙的渗流量与交叉裂隙分支裂隙的渗流量。结果表明相比于单裂隙,高流速下交叉裂隙各支裂隙的惯性项系数β减小;这种现象在宽裂隙及粗糙度较小的裂隙中尤为明显;并且在高速非达西条件下,交叉裂隙中的偏流现象更为显著。     

多孔介质中溶质non-Fickian运移模型与实验研究

为了量化多孔介质中的非费克(non-Fickian)运移,将弥散度处理为随运移距离呈线性变化的函数,提出了数学模型LAF(linear-asymptotic function),并开展了不同条件下一维玻璃柱多孔介质溶质运移实验,根据实验数据对比分析了LAF模型与传统ADE(advection-dispersion equation)模型的精度.结果表明:尽管在水流满足达西定律范畴,采用将弥散度在小尺度实验中设定为定值的ADE模型,其拟合值与实验值仍存在一定差异,最大误差为1.57g/L;将弥散度处理为线性函数的LAF模型模拟精度有了较大提高,最大误差为0.62g/L,从而能够更好地模拟均质有限柱溶质运移过程.上述结论是在均质介质中获得,对于非均质介质,情况更为复杂,其机理有待进一步研究.