污染物在二层非饱和土中运移过程综合分析

假设填埋场下部为具有压实黏土衬里（CCL）、下卧土层及含水层的三层结构体系,基于Richards方程,在稳态渗流下,得到了CCL与下卧土层体积含水率的解析解.依据污染物在多孔介质中运移机制,建立了污染物在包含两层非饱和土层的三层结构体系中运移的一维计算模型.在计算模型中分别考虑了CCL的非线性吸附特性、污染物运移过程中的生物降解特性、垃圾的生物降解特性等.采用所建立的数学模型,对某一假想填埋场进行了具体计算,通过变动参数计算与分析,探讨了各种因素对污染物运移的影响.计算结果表明,非饱和土层的吸附与生物降解可显著影响污染物运移,特别是CCL的吸附与生物降解特性影响更为显著,为污染物运移的控制因素.非饱和土的体积含水率较大时,含水率变化对污染物运移影响较小.     

基于Visual Modflow地下水污染物溶质运移的模拟

垃圾填埋场渗滤液向地下含水层的渗漏是地下水受到污染的一个重要因素,而地下水溶质运移模型是找出污染迁移规律、确定污染范围及污染物浓度分布的重要手段。为研究垃圾填埋场渗滤液对周边地下水的污染状况,本文基于地下水流动模型Visual Modflow和多组分溶质运移模型MT3DMS软件平台之上,通过建立的三维数学模型预测了研究区域未来30年内特征污染物Cl-的污染羽迁移范围。模拟分析结果表明:距污染源越近污染物浓度越高,主要危害沿地下水流动方向的远场地地表水和浅层地下水,深层地下水和污染源上游不受影响;污染物不易污染深层地下水,但是在深层地下水中的迁移速度最大;湖泊对溶质有持续捕获作用;在污染源周围开采地下水会影响溶质迁移速度和方向。上述结果为垃圾场防渗措施的选择和地下水的治理、修复提供了定量依据。     

软土垫层中固结-扩散-吸附耦合的污染物运移模型

目的定量研究土体固结作用对污染物通过软黏土衬垫运移的影响规律,解决固结过程伴随孔隙水压力的消散会引起污染物的对流运移问题.方法建立不同边界条件下考虑土体固结、扩散和吸附耦合作用的污染物一维运移模型,并获得解析解;在此基础上,通过算例分析某在建填埋场黏土垫层在四种工况下的污染物运移规律.结果在不考虑固相影响和工况1条件(上边界质量浓度连续和下边界污染物质量浓度为零)下,考虑孔隙率变化与不考虑孔隙率变化相比,黏土垫层中多出33%的污染物通量进入到含水层;工况3条件(上边界通量连续和下边界污染物质量浓度为零)下,考虑孔隙率变化的上边界污染物质量浓度是未考虑孔隙率变化情况下的1.46倍,而通量则是其2倍.通过参数分析,在工况1下,较大的渗透系数提高了在不同土层深度上的污染物质量浓度,在z=1 m处渗透系数取1.59×10-9m/s比渗透系数取3.17×10-12m/s时污染物质量浓度多出33%.结论该解析模型相对简单,可用于复杂数值方法的验证和试验数据的拟合以及黏土衬垫的初步设计等.     

CCL非线性吸附特性及孔隙率变化对污染物运移影响分析

假设压实黏土衬里(compacted clay liner.CCL)中的孔隙在空间均匀分布,土颗粒表面可均匀吸附重金属离子或有机污染物.且可用Langmuir方程表示其非线性吸附特性,依据体积与质量关系.提出了土体园吸附污染物而引起的孔隙率降低的估算公式,在饱和稳态和考虑土体孔隙率变化的条件下.建立了污染物一维运移的控制方程.在控制方程中,分别考虑垃圾降解效应、CCL、下卧有限厚度含水层等情况.应用所建立的控制方程对某一假想填埋场进行了数值计算与分析.变动参数计算与对比分析表明,因土颗粒对污染物的非线性平衡吸附所引起的孔隙率降低对污染物的运秽具有显著的影响.污染物穿过CCL的能力显著下降.与不考虑孔隙率变化的情况相比,穿透曲线的蜂值浓度降低近10%.考虑吸附引起的孔隙率变化情况下.线性吸附与非线性吸附对污染物运移影响规律相似.吸附强度参数K1和弥散系数对污染物运移影响较为显著.     

深部含水层二氧化碳运移的热流固耦合模型研究

应用混合物连续介质理论,考虑二氧化碳溶解建立了深部含水层二氧化碳运移的热流固耦合数学模型,利用该模型计算了深部含水层二氧化碳运移过程中二氧化碳饱和度、溶解质量分数和孔隙压力随时间的演化和扩散规律,对比了热流固耦合模型与传统渗流模型的计算精度。计算结果表明：二氧化碳在深部含水层运移过程中耦合效应十分明显且考虑二氧化碳溶解的热流固耦合数学模型具有较高的计算精度,可以满足实际工程需求。     

基于溶质运移模拟的某磷矿污染物迁移预测

矿山开采过程中所产生的矿坑排水含有一定的有害物质,给周围地区的地下水环境质量造成了一定的影响。以四川省某磷矿为研究对象,运用地下水溶质运移分析法和Visual Modflow软件溶质运移模拟模块对磷矿区污染物在地下水中的迁移范围和迁移趋势进行了模拟预测分析,结果表明在不考虑污染物在迁移过程中受到土壤和微生物影响的情况下,污染物总体迁移范围不大,污染物随着地下水迁移,总体向金沙江方向扩散,并且浅层地下水与深层地下水具有稳定隔水层,水力联系较弱,污染物不会通过上覆含水层进入深层地下水含水层。     

水分及非保守性污染物在土壤中运移数值模拟

运用数值计算模型模拟计算水分及非保守性污染物在各种饱和度条件下的土壤中运移规律．采用有限差分离散水分方程和浓度方程，得到了适合于非保守性污染物运移的数值模型．利用试验资料验证了数值计算成果．验证结果表明，两者吻合良好，为研究和数值预报非保守性污染物运移问题提供了有效的手段．     

回灌条件下生物反应器填埋场液气耦合运移规律

为研究生物反应器填埋场渗滤液回灌对填埋气运移以及抽气压力对渗滤液回灌效果的影响,基于非饱和两相渗流理论和垃圾体一阶动力学生化降解模型,借助Open FOAM开源软件平台,采用改进的Picard迭代方法,建立了填埋场液气耦合运移数值计算模型,并与前人计算结果对比,验证了计算模型的正确性.采用建立的模型对生物反应器填埋场液气运移规律进行研究,发现:渗滤液回灌改变了填埋气的运移路径,加速了填埋气的运移,提高了填埋场的抽气效率;渗滤液的回灌效果受是否有抽气井及抽气压力的影响,抽气条件下渗滤液回灌效果远优于不抽气条件下的渗滤液回灌效果,而抽气压力大小对渗滤液回灌效果影响甚微,但总体上仍是抽气压力越小,渗滤液回灌效果越好.     

非等温条件下土体固结变形及溶质运移规律分析

为探究非等温条件下黏土垫层固结变形及溶质运移规律,将综合考虑力学固结、化学-渗透固结及热固结影响的热-水-力-化(THMC)全耦合模型与水-力-化(HMC)耦合模型进行对比分析,研究了温度差对孔隙水压力、土体变形及溶质运移进程的影响.结果 表明,垫层上下边界温度差可加快负孔隙水压力消散,增大土体沉降峰值及回弹量,提高溶质运移速率.随着黏土垫层上下边界温度差的增加,温度差对孔隙水压力、土体变形及溶质运移进程的影响程度进一步加大.当模拟时间为50 a,温度差为40℃时,与HMC模型相比,THMC模型所对应的负孔隙水压力峰值减小42％,土体沉降回弹量扩大5.4倍,溶质击穿时间缩短11.4 a.该研究可为填埋场防渗垫层设计及服役性能评估提供参考.     

地下水源热泵采能的水-热耦合数值模拟

应用数值模拟方法对北京某地下水源热泵采能条件下地温场的演化进行了研究，并应用校正后的模型对未来5年的温度场演化进行了预测．模拟和预测结果表明：含水层中温度变化较为显著，含水层渗透性越好，温度锋面的运移速度越快，温度影响半径越大；相对而言，黏土层中温度变幅较小，温度变化存在明显的滞后现象；抽水井距离回灌井（群）越近，温度变化越灵敏，变幅越大；按现状强度进行地下含水层采能，抽水井温度在未来5年略呈上升趋势，总上升幅度约0．3～0．7℃．     

中国西部矿区厚松散层的溃沙临界流速与水沙流动特征

以陕北榆横矿区为例,研制全程可视化水沙两相高速流动试验装置,开展颗粒起动试验、溃沙试验和水沙两相流动试验.试验结果表明:细颗粒的流失是溃沙的先决条件,为粗颗粒的运移创造膨胀空间.0.3~0.6mm风积沙颗粒之间主要以碰撞的形式传递能量,而0.15~0.3mm的风积沙颗粒之间的相互摩擦和挤压作用占优,相比于碰撞作用能量损失较少,相同时间内出沙量随着颗粒粒径的增大呈递减趋势.随着轴向应力的不断增大,风积沙所需要的溃沙临界流速也越来越大.当风积沙粒径d<0.6mm时,溃沙时渗流状态为线性层流,临界流速为0.03~0.4cm/s.单位时间内溃沙量与水力梯度成正比,表明含水层水压力是决定溃沙灾害程度的关键因素.     

室内实验规模的出砂数学模拟

为了研究疏松砂岩的出砂特征,根据连续性孔隙介质渗流、微粒释放和微粒运移理论,建立了室内实验规模的出砂数学模型,并采用有限差分法对该模型进行了求解。结果表明,实验条件下数学模拟与物理实验模拟的结果吻合较好。用理论出砂模型模拟了胶体力、水动力导致的出砂和砂粒运移过程中滞留引起的渗透率变化。模拟结果表明,渗流速度高于临界流速才引起冲刷出砂;胶体力和冲刷力是出砂的诱发因素,砂微粒在运移过程中在孔隙表面再沉积和孔喉处被捕集将降低出砂程度;渗透率比值与注水孔隙体积倍数或渗流速度的关系曲线均呈"S"形;在运移过程中,砂微粒滞留导致渗透率比值随岩心长度的变化呈线性降低趋势。     

含水层重力-温度-介质压缩驱动水流分析

含水层水流在重力势－介质压缩作用下,水头随介质压密而增高,渗流速度随介质压密而减小。含水层水流在重力势－温度差－介质压缩作用下,当温度不足以改变流体的物理性质时,水头与温度分布有关,线性温度分布对水头无影响,而非线性温度分布使水头随温度升高而增高;当温度足以改变本的物理性质时,水头随温度升高而增高。     

基于GMS应用的化工区地下水污染模拟与分析

 GMS是目前地下水数值计算的重要应用软件之一,运用GMS可以模拟地下水流分布和地下水污染物的迁移规律等。以化工厂区为例,经过地质模型概化、参数确定、调参等过程,预测污染物的浓度及污染范围。研究了该厂区渗滤液的扩散对下游抽水井的影响,建立了该厂区地下水流模型及溶质运移模型。结果表明,该区域地下水流向为自北向南,沿水流方向水位逐渐下降,水降幅度较为缓和,在下游抽水井附近形成地下水降落漏斗;污染物的浓度在持续增加,局部污染物浓度高达4.1mg/L,污染的范围也逐渐扩大,污染面积约为8.23×10⁵ m²,污染物向下游扩散长度约1084.64 m,在垂向上,厂区位置污染物已经扩散到第二层深水含水层。若不加以控制抽水量,会加剧污染物的扩散速度。     

地下水渗流对单U形地埋管埋深的影响

为解决因埋深过大而引起的竖直地埋管换热器换热效果不佳的问题,根据黄土高原地区的地质条件,建立轴向岩土分层的单U形地埋管换热器数值模型.通过数值模拟,分别研究了改变含水层厚度、地下水渗流速度和地下水位线高度对地埋管换热性能的影响,并提出了以典型含水层厚度来确定地埋管最佳埋深的方法.结果 表明:当实际含水层的厚度不超过典型含水层厚度时,地埋管最佳埋深的位置为实际含水层底部;反之,地埋管最佳埋深的位置为典型含水层底部;随着渗流速度的减小,典型含水层厚度先增大后趋于不变,在渗流速度为1×10-6 m/s时达到最大值30 m;地下水位线的提高对典型含水层厚度没有影响,但提高了典型含水层的位置,使得最佳埋深变小.     

渗流管涌作用下松散堆积层结构演化规律

为揭示渗流管涌作用下松散堆积层结构演化规律,基于颗粒-孔隙尺度流固耦合方法,分别对密实、中密和疏松结构的松散堆积层开展渗流管涌仿真试验,从细观层面分析渗流管涌作用下松散堆积层颗粒迁移特征、颗粒流失量、颗粒间接触力链演化和骨架变形的结构演化特征。结果表明：渗流管涌主要以细颗粒迁移为主,存在局部“堵塞”现象,块石颗粒仅会在细颗粒迁移脱空后自由堆积。细颗粒迁移具有明显的“颗粒堆积”现象,主要集中在出口处,呈“上多下少”的特点。同时,渗流管涌发展过程中相同部位的孔隙率变化具有高度相似性,且结构越疏松愈加显著。管涌发展过程中,块石颗粒间接触承担主要的应力传递,力链演化的本质是堆积填料内部应力传递结构的改变。此外,下沉量和体应变均随时步增加,呈先急剧增加,后趋于平稳的态势,且随初始渗流速度越大,平稳时刻逐步提前。该研究成果可为从细观角度认识松散堆积层渗流管涌结构演化规律提供一定借鉴。     

生态脆弱区钢铁行业对浅层地下水环境影响及保护措施

以新疆阿拉尔市某钢铁厂建设和生产过程对地下水环境的影响评价为研究目标,根据钢铁行业污染源及污染因子特征进行潜在地下水污染源分析,并结合区域水文地质条件特点,分析了钢铁行业可能对地下水环境产生的影响,以COD为特征污染物,利用数值模拟计算方法模拟预测了在污水处理厂泄露情况下对地下水环境的影响,并分析了分区防渗措施等保护措施的效果,结果表明,污水处理厂发生泄漏,30a模拟期内污染物迁移距离和超标范围不断扩大,最大迁移距离和超标范围分别为270m和7 800m2.采取分区防渗措施后,地下水中污染物浓度降低约3个数量级,能够满足对地下水环境的保护要求,这对钢铁行业的地下水污染防治有一定的指导和借鉴意义.     

地下储气库天然气运移的等效渗流模型

考虑含水层型地下储气库水平尺寸远大于垂向尺寸的特点,建立含水层型地下储气库天然气运移的等效渗流模型.所建模型通过垂向积分并沿储层垂向高度平均将复杂的含水层型地下储气库三维渗流问题简化为二维平面问题.利用所建模型计算中国某拟建封闭含水层型地下储气库注气后储层含气饱和度和储层压力的变化,对比所建模型与传统三维渗流数学模型的...     

固体推进剂/衬层粘接界面脱粘失效的数值模拟

基于SEM(scanning electron microscope)得到的细观形貌和颗粒分布建立了复合固体推进剂/衬层细观有限元模型。使用Cohesive单元来模拟复合固体推进剂基体/颗粒界面和复合固体推进剂/衬层界面的脱粘。计算分析了单轴准静态拉伸作用下复合固体推进剂/衬层界面处不同颗粒含量和不同强化/老化程度对脱粘过程的影响。计算结果表明,衬层界面的老化和颗粒数量的增加都会导致衬层界面更容易脱粘失效,失效应变随推进剂/衬层界面处颗粒含量的增加而增大,而峰值应力先减小而后增大。峰值应力和失效应变随衬层老化而减小,但对衬层界面强化不敏感。