环境水力学在地下水污染物迁移中的应用

环境水力学在地下水污染物迁移中的应用

环境水力学在地下水污染物迁移中的应用

摘要：地下水污染问题日益严重，研究污染物在地下水中的迁移过程是解决地下水污染的最主要途径之一。本文通过查阅大量文献，综合国内外研究现状，从地下水污染物特性及地下水运移介质特性两方面出发，分析环境水力学在地下水污染物迁移理论中的应用，并从国内工程应用角度提出环境水力学尤其是数值模拟法在地下水污染物迁移研究中存在的问题及其未来发展趋势。

关键词：环境水力学地下水污染物迁移理论分析实验模拟数值模拟

1 环境水力学的发展现状

1.1 环境水力学学科定义

环境水力学是一门新兴学科，其研究内容尚在探索与发展中。从广义上讲，环境水力学是研究与环境有关的水力学问题，即研究污染物在水体中混合输移的规律及其应用的学科，是水力学的一个新分支。其研究内容除水污染、水生态问题外还有许多其它方面的问题，比如水土保持、河道冲淤、洪水破坏作用、冰凌水力学等等。[1]如果说传统水力学主要是研究水流自身运动规律的话，环境水力学则主要是研究水体中所含物质的运动规律，是传统水力学的一种发展，其内容涉及水文学、水力学、水化学、水生物学、生态学、湖沼学、海洋学和沉积学等，是一门综合性很强的交叉学科。[2]美国环境与水资源研究所环境水力学技术委员会提出“环境水力学特别着重于将物理因素（水动力学、泥沙输移和地形条件)、化学因素(保守与非保守物质的传输、反应动力学和水质)和生物因素(生态学)作为一个系统来进行研究。”

[3]从与水污染有关的水力学问题来说，环境水力学主要研究地面及地下水域中物质的扩散、输移和转化规律，建立其分析计算方法，确定物质浓度的时空分布及其应用。工农业生产及生活中的污水、废热，未经足够处理，就排入河流、湖泊、海洋及地下水等水域中，污染水体，恶化水质，日益严重地影响生态、环境。污染物在水体中会因与水体混合，随水流输移而稀释，也会因化学、生物作用而降解。因此，水体本身有一定的自净能力。环境水力学的主要目标是，探求因混合、输移而形成的污染物浓度随空间和时间的变化关系，为水质评价与预报、水质规划与管理、排污工程的规划设计以及水资源保护的合理措施提供基本依据。[4]

地下水作为水体的一部分，其运动规律适用于环境水力学的大多数方法，但由于其运移介质的特殊性，亦呈现出一定特殊性。因此，地下水中污染物质的输移、转化和积累成为重要的研究课题。污染物在地下水中的输移速率较小，一旦地下水被污染就很难恢复原来的水质。地下水的过度开采会严重破坏生态系统的平衡，在临近滨海地区还会引起海水入侵，造成地下水盐化。

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1.2 环境水力学应用于地下水国内外研究现状

19世纪后半期至20世纪前半期，分子物理学与流体力学特别是紊流理论的发展，为分子扩散与紊动扩散奠定了的理论基础。1921年G.I.泰勒从化工传质问题研究中对紊动扩散进行了统计分析，得出了紊动扩散的泰勒理论。20世纪20～40年代L.F.理查森、H.杰弗里斯、G.H.科立根等研究了分层流中的紊动混合。50年代G.I.泰勒、J.W.埃尔德等相继努力建立了剪切离散的理论。60～70年代H.B.费希尔等人对各种水域中的混合问题，广泛地进行了理论分析、实验研究和数值模拟。1979 年，美国伯克利大学费斯切尔教授等出版了著作《内陆与近海水域中的混合》，第一次比较系统地论述了污染物在河流、水库、河口中扩散输移的基本概念、基本原理和分析方法，标志着环境水力学学科作为一门独立的学科正式形成．随着环境保护事业的蓬勃发展，环境水力学学科的意义备受世人关注，研究领域也逐渐拓宽。近年来，几乎所有的国际和国内流体力学和水力学会议均将环境水力学问题作为一个重要的学术交流专题。[3] 20世纪70年代以来,随着水环境问题研究的深入和相关学科及应用技术的发展，环境水力学无论在深度和广度上都取得了很大的进展。

1、远区紊动扩散与离散的研究从对规则边界中的恒定流动向复杂流动和非恒定流动发展，如天然河流、山区河流、分汊河段、交汇河段、潮汐河段、尾流、分层流等。

2、与污染近区有关的射流理论由规则边界中静止环境内的平面与单孔射流向复杂流动中的复杂射流发展, 如横流、分层流、浅水域射流, 潮汐流中的多孔射流、表面射流、旋动射流等。射流理论在水污染问题中的一个重要应用是分析计算排污混合区。1985年美国环境保护局推荐了5个污水排海稀释度计算模型(UPLUME，UOUTPLM，UMERGE，DKHDEN和ULINE)，后经修改与完善，于1992年又推出了RSB和UM两个计算模型，1995年又将这两个模型并入含有远区稀释度计算的PLUMES软件，从而使PLUMES模型能进行近区和远区的稀释计算 [7]。与上述计算模型不同，1993年美国康乃尔大学Jirka等建立了一个基于长度尺度的CORMIX模型，它实际上是一个含有大量试验数据的专家系统，适用于对可能的初始混合情况进行筛选。[6]自20世纪80年代后期以来，我国污水排江排海工程有了很大的发展，在总结国内外污染混合区计算的基础上，我国也出版了这方面的专著。

3、使时均流场与物质浓度场控制方程封闭的紊流模型由简单模型向精细模型发展，如K-E双方程紊流模型，基于重整化群RNG的K-E双方程紊流模型，雷诺应力传输方程模型及大涡模拟等。

20世纪90年代以来，基于多种紊流模型的计算流体力学软件已走向商业化，例如LUENT、Star-CD、Phoenix及CFX 等软件。这些软件的新版本除有可供选择的多种紊流模型外，还有可供选择的计算方法( 有限差、有限元、有限体积等)和计算网格系统(直角、圆柱、曲面、旋转坐标、多重网格和精细网格等)，可

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进行零维至三维、稳态与非稳态、单机与并行、内流与外流、流场和保守物质浓度场、流体与固体耦合等计算。此外还有前、后处理系统，可进行计算网格的自动生成和计算成果的实时处理。我国已有不少单位购置了这类软件。

4、水流水质计算模型由零维、一维稳态模型向二维、三维动态模型发展；被模拟的状态变量不断增多，由开始的几个增加到二三十个，模拟的变量由非生命物质如“三氧”(溶解氧、生物化学需氧及化学需氧)、“三氮”( 氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮)等等向细菌、藻类、浮游动物、底栖动物等水生生物发展；应用范围由河流、水库、湖泊等单一水体向流域性综合水域发展；计算的时空网格数几何增长；地理信息系统开始在水质模型中应用。国内外的水质模型很多，国外常用的水流水质模型有美国环境保护局研制的QUAL2、WASP5及BASINS，美国陆军工程兵团研制的CE-QUAL-R1、CE-QUALRIV1、 CE-QUAL-W2及WQRRS，美国地质调查局研制的GENSCN 和MMS，丹麦水力研究所研制的MIKE11、MIKE21、MIKE3及MIKESHE等。

5、数字图像处理技术在环境水力学试验中的研究与应用，有力地推动着环境水力学的发展。所谓数字图像处理即利用胶片、录像等记录反映物理量性质的图像，通过图像处理、分析手段定量得出物理量分布的现代化量测方法。在环境水力学试验中应用这种技术已可进行流速场、浓度场和温度场的二维和三维量测。该技术在不干扰流动的情况下有迅速获得瞬时、连续、全场、详尽信息的特点，它是随图像显示技术和计算机的发展而迅速发展起来的一种新技术。数字图像处理技术的观测结果不仅对工程实际具有重要的实用价值，而且对于研究紊动扩散输移的机理，建立与验证计算模型以及用分形分维的思路来研究紊流等都具有重要价值，正在促进着环境水力学的发展。

2 地下水污染迁移原理

2.1 地下水污染特点

2.1.1地下水污染定义

地下水污染（ground water pollution）主要指人类活动（工业“三废”排放以及其他途径）污染物渗入地下，在物理、化学、微生物作用下或有毒有害物质直接引起地下水化学成分、物理性质和生物学特性发生改变而使地下水质量下降的现象。需注意的是，由于矿体、矿化地层及其他自然因素引起地下水某些组分富集或贫化的形象，称为“矿化”或“异常”，不应视为污染。

2.1.2 引起地下水污染原因

地下水污染的原因主要有：过度开采地下水，引起地下水位下降，沿海地区海水倒灌；农业生产中大量使用化肥、农药以及污水灌溉等，污染物渗入地下水中；工业废水向地下直接排放，受污染的地表水侵入到地下含水层中。地下水一经污染后，总矿化度、总硬度升高，硝酸盐、氯化物含量升高，有毒物质

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