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。     

通量边界条件多孔介质溶质运移参数估计方法

提出了一个估计溶质运移参数的确定性方法。通过Laplace空间的数学转换得到一个包含运移参数的线性时间函数。运用这个关系及两个时间观测浓度数据形成关于参数的非线性方程。求解参数的计算方法和数据误差分析也作了详细讨论。几个假设算例被用于检验参数估计模型,计算表明估计参数与算例设计的真参数有很好的一致性。     

Lattice Boltzmann simulation of solute transport in a single rough fracture

In this study, the lattice Boltzmann method （LBM） was used to simulate the solute transport in a single rough fracture. The self-affine rough fracture wall was generated with the successive random addition method. The ability of the developed LBM to simulate the solute transport was validated by Taylor dispersion. The effect of fluid velocity on the solute transport in a single rough fracture was investigated using the LBM. The breakthrough curves （BTCs） for continuous injection sources in rough fractures were analyzed and discussed with different Reynolds numbers （Re）. The results show that the rough frac~＇e wall leads to a large fluid velocity gradient across the aperture. Consequently, there is a broad distribution of the immobile region along the rough fracture wall. This distribution of the immobile region is very sensitive to the Re and fracture geometry, and the immobile region is enlarged with the increase of Re and roughness. The concentration of the solute front in the mobile region increases with the Re. Furthermore, the Re and roughness have significant effects on BTCs, and the slow solute molecule exchange between the mobile and immobile regions results in a long breakthrough tail for the rough fracture. This study also demonstrates that the developed LBM can be effective in studying the solute transport in a rough fracture.     

Modelling of solute transport in a filled fracture: Effects of heterogeneity of filled medium

In this paper, the developed lattice Boltzmann method(LBM) is used to model the solute transport in a filled fracture under a heterogeneous advective velocity field. The results of the developed LBM in modelling the solute transport are compared with the published experimental data. The numerically derived BTCs indicate that the distribution of the filled medium in the fracture has a significant effect on the characteristics of the BTCs, even with the same porosity. The heterogeneity of the filled medium is responsible not only for the heterogeneous advective velocity field but also for the early arrival and long tails of the BTCs. The long tailings of the BTCs increase their length with the increase of the duration of the input pulse. Furthermore, the BTCs obtained from the LBM simulations are well consistent with the two-region model(TRM). The fitting results show that the fractional mobile region varies with the distribution of the filled medium. The long tailings of the BTCs increase their length with the increase of the immobile region while the concentration peak value increases with the increase of the mobile region.     

渗透系数的非均质性对地下水溶质运移的影响

本文应用贝叶斯推断方法和随机模拟技术,定量研究了渗透系数的非均质性对地下水溶质运移的影响,并进行了二维理想流的分析计算。计算时分别考虑了随机模拟引起的不确定性和随机模型中参数的不确定性的影响。计算结果表明,贝叶斯推断的参数后验分布是不对称的;当条件数据较多时,参数后验分布的标准方差较小,参数分布的集中趋势较明显;地下水溶质运移的不确定程度随着时间的推移而增加,随着条件数据数量的增多而减少;当考虑参数不确定性时,溶质运移的不确定程度明显增加。     

溶质在细粒孔隙介质中迁移预测的可靠性分析

在预测溶质运移，尤其是低中放废物处置场中的核素在包气带与含水层中的迁移时，需要考虑介质中不流动水体的影响，否则，会影响预测结果的可靠性。通过对黄土的物理特性实验与野外氚的包气带示踪试验表明：用孔隙度或含水量除以渗透流速得到的平均孔隙流速比实际平均孔隙流速小，在包气带中约小30%～65%，含水层中约小40%.用对流弥散模型计算氚在包气带中的迁移表明：考虑不流动水体的影响时的平均孔隙流速比不考虑的结果增加了1.39倍，相对浓度减弱了1.32倍。     

一维地下水溶质运移模型多参数反演

以一维地下水溶质运移模型为基础,利用微分进化算法重点探讨监测频次、测量误差等因素对纵向弥散系数DL、有效孔隙度n以及水流速度u等参数联合反演结果的影响,并构造瞬时源和连续源两种工况的典型案例来验证该方法的可靠性。结果表明：微分进化算法具有收敛速度快、精度高等特点,能够运用于瞬时源和连续源地下水溶质运移模型水力、水质参数的反演问题。     

多孔介质中溶质运移参数拟线性化估计方法

拟线性化方法是基于溶质运移“穿透曲线”（BTC）数据估计对流-弥散方程（CDE）中运移参数。该方法运用任意两个时刻浓度导数（dc／dt）与参数之间的函数关系,通过求解一个随参数单调增减的非线性方程,推导出关于时间的拟线性化参数估计方程。依据该线性化方程拟合的直线截距和斜率确定溶质运移参数。通过一组设计参数获得的BTC,应用拟线性法求解溶质运移参数并与设计参数比较,证明用该方法估计参数具有较好精度。设计数据还被用于讨论剔除浓度导数（dc／dt）峰值段误差较大数据以改善参数估计精度的方法。拟线性化方法用于估计红壤和水稻土中SO4^-2运移参数,其结果与CXTFIT法和等斜率法估计参数具有较好的一致性。     

High-precision parallel computing model of solute transport based on GPU acceleration

The scenario simulation analysis of water environmental emergencies is very important for risk prevention and control,and emergency response.To quickly and accurately simulate the transport and diffusion process of high-intensity pollutants during sudden environmental water pollution events,in this study,a high-precision pollution transport and diffusion model for unstructured grids based on Compute Unified Device Architecture(CUDA)is proposed.The finite volume method of a total variation diminishing limiter with the Kong proposed r-factor is used to reduce numerical diffusion and oscillation errors in the simulation of pollutants under sharp concentration conditions,and graphics processing unit acceleration technology is used to improve computational efficiency.The advection diffusion process of the model is verified numerically using two benchmark cases,and the efficiency of the model is evaluated using an engineering example.The results demonstrate that the model perform well in the simulation of material transport in the presence of sharp concentration.Additionally,it has high computational efficiency.The acceleration ratio is 46 times the single-thread acceleration effect of the original model.The efficiency of the accelerated model meet the requirements of an engineering application,and the rapid early warning and assessment of water pollution accidents is achieved.     

不流动水对黄土包气带溶质运移影响的实验研究

本文利用自动控制负压方法进行了非饱和条件下的黄土不流动水溶质运移实验,并用MIENESOR模型及其计算机程序模拟了该实验,得到不流动含水量比例系数为0.47、流动水与不流动水之间的浓度传输率为0.003/d。参数的灵敏度分析表明：同样条件下,不流动含水量比例系数最敏感,其值越大,溶质迁移越快;流动水与不流动水之间的浓度传输率影响溶质穿透曲线的峰位,其值越大,峰位越低。在研究黄土包气带污染质运移时,应密切关注这两个参数。     

不流动水对包气带溶质运移的影响研究进展

本文对考虑不流动水影响下的溶质运移模型、可动-不动区溶质运移模型、考虑吸附与降解作用的不流动水溶质运移模型进行了综述。指出对不流动水的研究已从盲端水扩展到内聚体间不动的水和远离流动区的水。其中，用可动-不动区模型可解释溶质运移中穿透曲线不对称的现象；用压力圆盘渗透仪可直接测量不动区的含水量使上述模型易于操作。并指出今后不流动水研究的方向应为不流动水分类的完善、不流动水对包气带水流的影响研究、参数的不确定性和尺度效应研究。     

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。