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。     

陡立单裂隙基质系统溶质运移研究

在前人模型实验结果分析的基础上,建立陡立单裂隙模型,将传统单裂隙模型溶质运移机理同泥沙运动原理结合起来,提出新的溶质扩散机理和扩散方程,并进行了实例分析,指出:比重较大的非中性悬浮物质在陡立裂隙中运移时受重力和紊动扩散的作用,容重较小的中性悬浮物质可近似认为不受重力影响;水流流态、流速的改变会影响溶质的运移。     

粗糙元对单裂隙中溶质运移影响模拟研究

裂隙的粗糙度对单裂隙中的溶质运移有着重要的影响,然而粗糙元的形状(粗糙裂隙壁面上的各种凸起/坑洼)对单裂隙中溶质运移的影响机理尚未完全清楚。该研究通过求解纳维—斯托克斯方程和溶质运移方程模拟了具有不同粗糙元形状(矩形、梯形、三角形)的单裂隙中的溶质运移,并利用稀释指数量化了裂隙内溶质的空间分布。模拟结果表明粗糙元起始处的切线方向与流线的夹角越大,则发育的涡流体积越大,引起的溶质非均匀流动越明显;对溶质运移突破曲线和停留时间分布的分析表明随着流速的增加,溶质运移逐渐由费克运移转变为非费克运移,其相应的突破曲线表现出越来越显著的"早到"和"拖尾"特征;粗糙元密度与停留时间分布的幂律拟合参数b之间存在明显的正相关关系;对于相同的雷诺数,矩形粗糙元引起的非费克行为比梯形和三角形粗糙元更显著。该研究有助于进一步完善粗糙裂隙溶质运移理论。     

裂隙中双分子反应性溶质运移实验与模拟

地下水环境中化学作用对溶质运移具有重要影响,然而对于双分子反应性溶质运移研究,以往大多是在多孔介质中展开的,且使用传统的对流弥散方程不能很好地解决对生成物\"过度预报\"及\"拖尾\"问题.为了揭示双分子反应性溶质在裂隙介质中的运移机理,该文以苯胺(AN)和1,2-萘醌-4-磺酸钠(NQS)为例,开展了单个裂隙中双分子反应性溶...     

基岩裂隙水三维渗流网络溶质运移试验研究

地下水根据赋存条件可分为孔隙水、裂隙水和岩溶水,其中裂隙水在我国北方分布广泛。设计了室内裂隙溶质物理试验,用有机立方体组成各种相互切割裂隙结构,按照裂隙几何参数的不同进行调整,在饱和状况下,注入溴化钠溶液观测其运移。研究表明,裂隙网络结构与几何参数对溶质在其中的运移具有控制作用,但不同几何参数对其影响方式与程度不同。裂隙空隙率增加,裂隙面数量、裂隙密度越大,则溶质前锋到达时间越晚,溶质浓度高峰到来需时越长,溶质穿透历时越久。     

双重结构多孔介质中溶质运移的动量分析初探

本文对双重多孔介质中溶质运移的团粒扩散模型(Ⅰ)、团粒扩散和膜交换模型(Ⅱ)、一阶动力模型(Ⅲ)和对流-弥散模型(Ⅳ),应用时间动量分析方法,研究了溶质运移的平均时间、有效弥散系数、诱发弥散系数和质量交换系数的结构及其影响因素。     

土壤溶质运移的微观机理模型研究

由于不合理灌溉形成的次生盐碱化，养分流失，以及化学肥料和杀虫剂随土壤水分入渗进入河流和地下水造成水体污染等各种环境问题。迫切地需要量化的溶质运动模型为指导进行研究。本文在分析现有数学模型的物理基础上，探讨了此类模型目前需要解决的问题及可能途径。     

山西柳林泉局部区域溶质运移二维数值模拟

本文建立了用于描述柳林泉域地下水中氯离子运移行为的局部区域二维可混溶溶质运移模型。模型考虑了地下水中溶解盐分浓度变化引起的地下水密度的改变,及其导致的地下水水头的变化。该模型计算值与观测资料基本一致,说明所建模型可以用于实际。据此用所建模型预报了柳林电厂水源地投入使用后对区域地下水位和水质的影响。     

SIMULATION OF SOLUTE TRANSPORT IN FRACTURED NETWORK WITH A PROBABILITY METHOD

The simulation of solute transport in fractured rock mass has been conducted with the Finite Difference Method(FDM), Finite Element Method(FEM) and Finite Analysis Method(FAM), etc.. However, groundwater flow and solute transport is very complex in fractured network compared to the rocks matrix because water flow and tracer particles have different selections of pathways when they travel to the fractured intersections. It is difficult for traditional method to simulate the law of solute transport in fractured network. Hence a new simulation method, the probability method, is developed. In the method, transfer probabilities for fractured network are calculated using the flux of input and output from fractured intersection points, and travel times of tracer particles are determined with random numbers, dispersion parameter and velocity. Furthermore, corresponding computing program is developed using the FORTRAN language. The comparison between simulated and experimental results shows that the probability method is of considerable reliability and is an effective method to simulate solute transport in fractured network, and the case study of the Jinping I-Hydropower Station displays its wide application prospect.     

地下水溶质迁移数值模型中的参数敏感性分析

为提高地下水溶质迁移模型的模拟精度,减小因水文地质参数不确定性产生的误差,需要对数值模型进行参数敏感性分析。以某冲洪积扇平原孔隙水为例,利用GMS7.0软件建立了地下水流模型和溶质迁移模型,并对模型进行了验证。通过引入敏感性指数作为量化指标,运用局部分析法中的因子变换法对模型中的渗透系数、孔隙度、弥散度三个参数进行了敏感性分析,参数变幅设置为20%。研究结果表明：（1）渗透系数和孔隙度的变化对污染物迁移距离影响最大,二者的敏感性指数相差20%;（2）弥散度的变化对污染物迁移距离的影响最小,与渗透系数和孔隙度相比,其敏感性指数相差一个数量级;（3）在20%的参数变幅内,污染物迁移距离与渗透系数和孔隙度呈良好的线性相关关系。     

SIMULATION OF SOLUTE TRANSPORT USING A COUPLING MODEL BASED ON FINITE VOLUME METHOD IN FRACTURED ROCKS

The discrete version of solute transport equation for porous matrix depicted with the continuum model and the discrete fractured-network model are derived for fractured rocks with the Finite Volume Method(FVM).The two models are coupled according to the continuity condition of hydraulic head and concentration and the conservation of flow flux and mass flux in the contact plane between porous matrix and fractures.Numerical results show that the simulated concentration of the coupling model based on the FVM a...     

滨海地区石化污染事故对区域水环境影响的模拟研究

为了解大连某半岛内石化事故对区域地下水环境的污染程度,选取对居民区饮用水源有影响的区域建立污染预测模型,分析了事故情景下石油类污染物的空间和时间变化及其对地下水环境和邻近海域造成的影响。结果表明,泄露事故对地下水的污染范围大、时间长,造成的污染严重;场地污染物在地下水含水层中迁移扩散35年后移出场地进入海域,对海洋生态环境产生危害。研究结果可为该地区水环境保护提供依据。     

HydroGeoSphere在锦屏水电站坝址区水流和溶质运移模拟中的应用

将裂隙岩体中的基质用等效连续介质模型描述,裂隙用离散网络模型描述,采用等效连续介质模型和连续-离散裂隙耦合模型模拟了裂隙岩体中的水流和溶质规律,并根据实测的裂隙倾向、倾角、隙宽等几何因素,应用随机的方法产生了裂隙网络.基于洪水期和枯水期的实测地下水位对耦合模型的参数进行了率定,模型的预测结果显示,采用耦合模型而不是等效连续介质模型预测的结果与实测数据拟合较好.在裂隙发育的区域,局部地下水位出现了异常,示踪剂的迁移速度较快,采用连续-离散裂隙耦合模型能够有效地模拟这一异常现象.     

区域饱和-非饱和多孔介质的溶质运移简化模型

在迭代求解区域饱和非饱和拟三维渗流模型的基础上,建立区域溶质运移简化模型。该模型将溶质运动在非饱和带简化为一维垂直运动,饱和带简化为二维剖面运动,在非饱和带与饱和带分别形成对流_弥散方程,并通过维持近饱和带溶质质量守恒组成统一的系统,采用有限单元法数值处理技巧,在同一个矩阵方程中求解饱和与非饱和含水层的浓度变化。该模型无需迭代计算,大大减少工作量,为求解区域溶质运移问题提供了新方法。算例验证表明,区域溶质运移简化模型技术可行,结果可信。     

基于GMS的云南德厚水库下游废弃砒霜厂地下水溶质运移模拟

地下水溶质运移模拟是找出污染物迁移规律、确定污染范围及污染物浓度分布的重要手段,可以为合理开发地下水资源、优化设计地下水开采方案及地下水污染修复提供定量依据。在分析德厚水库咪哩河流域裂隙岩溶含水层的水力性质和污染物运移特征的基础上,运用GMS软件建立地下水流场模型和溶质运移模型,对裂隙岩溶水的流场和污染物进行了数值研究,判断出了污染源分布及污染羽扩展范围,分析了砒霜厂污染物运移对水库建设的影响。     

分布式光纤温度示踪识别裂隙地下水流动研究进展

识别地下水渗流通道和流动状态,是预测裂隙介质中地下水流动行为的基本前提,也是目前裂隙地下水研究的热点问题之一。由于具备较强时空连续性、高分辨率、监测便捷、成本低廉等优点,基于分布式光纤测温(DTS)的温度示踪正逐渐成为裂隙地下水流动特征识别的重要手段,在识别地下水流动状态、钻孔间连通裂隙分布甚至裂隙水力性质等方面取得了许多新的进展。在阐述DTS原理的基础上,综述了基于DTS的温度示踪试验方法及其在裂隙地下水特征识别研究中的应用进展,重点归纳了该方法的各种试验手段、应用方式与适用范围,并指出了钻孔中的垂向流动是研究人员应用温度示踪试验时需重点关注的因素。将基于DTS温度示踪的多种试验手段结合运用及其与其他示踪方法协同运用,是未来需要进一步研究的重点方向。基于DTS的温度示踪方法有助于提升对裂隙介质中地下水渗流及热运移机理的认识,在涉及裂隙地下水的深部地质工程如高放核废物地质处置选址评价、增强型地热资源开发等研究中具有广阔的应用前景。     

典型污染场地含水层天然净化能力溶质模拟研究

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。     

溶质运移中多孔介质弥散度影响因素的SPH模拟研究

借助光滑粒子流体动力学(SPH)方法,本文从流体质点运动和溶质扩散的物理本质出发,设计并进行孔隙尺度下多孔介质中溶质运移的仿真实验,进而分析多孔介质弥散度影响因素,并讨论弥散度与多孔介质结构参数的关系。通过离散化N-S方程和Fick扩散方程,建立描述孔隙水流动的SPH水动力模型和描述溶质分子扩散的扩散模型,求解出在低Pe数下对流扩散方程的一维定解问题,检验了模型的准确性。在高Pe数流场中,进行了恒定流速的黏性流体穿透多孔介质薄层的仿真实验,计算结果可准确模拟出过水断面上各流体质点的流速差异、流体质点在多孔介质中的弥散过程以及流体质点的迂曲绕流过程;通过建立三段理想化的孔隙通道模型,发现在迂曲路径相同时,速度差对机械弥散度仍有显著影响。最后,为探究弥散度与多孔介质结构参数的关系,生成了多组随机粒径的二维多孔介质进行溶质穿透仿真实验。计算结果表明,弥散度与流速变异系数、迂曲度、迂曲路径差以及不均匀系数大致呈正相关,与孔隙率呈负相关。