地下水污染物迁移模拟——对流弥散
地下水溶质运移数值模拟弥散问题再探
0 引 言
求解 地下 水溶 质运 移 问题 的主 要数值 方法 是 有 限
涛。
(.三 峡 大 学 土 木 水 电 学 院 , 北 宜 昌 4 3 0 ;.西 安 理 工 大学 水 电 学 院 , 西 西 安 70 4 ;.四 J 大 学 水 电 学 1 湖 4022 陕 1083 I l
[ 摘 要] 将 水动 力 弥散 方程 用有 限差分 法进 行 离散 后 编程 , 过一 具 体 实例 验 证其 正 确性 , 通 使之
u u e o e to d m i a e t a s o t Ne f r x e s v v l e, fu t a i g an dip r i n h — e nd r c nv c in o n t d r n p r . xt o e c s i e a u l c u tn d s e so p e n me on,i nt o c s t o o n ti r du e he c mmon m e ho s o mpr vig o lm i tn h a u s r in,put o — t d fi o n r ei na i g t e v l edipe so sf r wa d a n w t od whih b g nswih t e c a ge h r c e itc o a u fe i t p,t r g h r e me h c e i t h h n d c a a trs i fv l e a t ra tme se h ou h t e s me e a a x mpl o pr e ise e u ie,a a t nayz sa a a sa e e t he me h d. e t ov t x c tv tl s ,a l e dv nt ge nd d f c soft t o Ke r :fnie dif r n e;c nv c i o i t d;d s r i ;mp ov n t d y wo ds i t fe e c o e ton d m na e ipe son i r i g me ho s
【MODFLOW】第二讲 地下水流-热-质(或污染物、示踪剂)迁移数学模型
Dxx
C x
y
Dyy
C y
x
C
ux
y
C uy
I
基本方程
3.含水层中地热迁移规律控制方程
热对流扩散机理
c
T t
x
xx
T x
y
yy
T y
x
cw
wT
ux
y
cwwT uy
f
Fourier定律
基本方程 18
二、溶质运移数学模型:绪论
随着经济的快速发展,地下水被污染的程度日益严 重,并引起了人们的广泛关注,目前仍然存在很多问 题题,迫切需要解决:
在Dupuit 假定下,忽略垂向水流,可以导出潜水二维 流微分方程。考虑一底面边长为dx, dy的潜水含水层柱 体,计算侧向静流入量和垂向补给量,分别有:
X方向流入-流出
(vx (H
Z )y) |x
(vx (H
Z )y) |xx
(vx (H Z )y) x
|
x
y方向流入-流出
(vy (H
Z )x) |y
由于微观多孔介质中流 速分布的不均一而引起 的示踪剂(水质点)浓 度在地下水含水层中不 均匀分布的现象。
23
二、溶质运移数学模型
1、水动力弥散理论:机械弥散原因
1. 同一空隙中不同部位的流速分布不均匀 2. 不同空隙的流速大小不同 3. 固体骨架导致流速分布的不均匀
(1)
(2)
(3)
地下水质点运动速度的差异是产生水动力弥散的根本原因
x方向流出
( v ) | x (xx, y,z,t) yzt
9
一、地下水运动基本方程
3、三维流基本微分方程(续1)
污染物在地下水系统中的迁移转化
。
土壤阴离子代换量与粘土矿物成 分和土层反应有关。含水氧化铁、铝 的阴离子代换量在土壤溶液pH值为5 时,可达100—150 meq/100g土;高岭 石含量高的土壤,阴离子代换量亦较 大。阴离子代换量随着土壤pH值的升 高而降低,并在某一pH值时,还出现
意味着污染物的去除。
(二)、物理吸附
土壤介质特别是土壤中的胶体 颗粒具有巨大的表面能,它能够 借助于分子引力把地下水中的某 些分子态的物质吸附在自己的表 面上,称这种吸附为物理吸附。
物理吸附具有下列特征:
(1)吸附时土壤胶体颗粒的表面能降低,所以是放热 反应,一般吸附每克分子放热小于5kcal(20.934kj)
H
1 1.008
Ca 2 40.08 1.06 10.00
2 0.78 13.00 第 三
土壤中一些阳离子代换力的大小排列顺序如下: Fe3+≥A13+>H+>Ba2+>Sr2+>Ca2+>Mg2+>Cs+>Rb+ >NH4+>K+>Na+>Li+
土壤胶体一般带负电,所以能够吸附保持 阳离子,其扩散层的阳离子可被地下水中的阳 离子代换出来,故称为代换吸附,其反应式如
下:
生物胶体
Ca 2 Na
3NH4Cl
土壤胶体
3NH
4
Ca2、Na
当离子交换达到平衡状态时,可用下列 数学表达式:
C0
C
K ( C )1/ P C0 C
还可吸附NH3、H2以及CO2等气态分子。
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。
地下水流-热-质(或污染物、示踪剂)迁移数值方法
不可混溶流体
污 染 物
水
不同性质溶体之间无明显的突变界
石油污
油
染物在
含水层
水
中运移
不同性质溶体之间有明显的突变界
4
二、溶质(污染物)运移理论方法
1、可混溶流体迁移机理
对流作用-由于孔隙平均速度引起引起的溶质迁移。 弥散作用-由于浓度梯度作用引起的溶质迁移。包 括分子扩散和机械弥散作用。
5
二、溶质(污染物)运移理论方法
C C n1
n1
i1, j,k i, j,k
x
]zyt
[C n1 i1/ 2,
j,k
vn xi1/ 2,
j,k
C n1 i1/ 2,
j,k
vn xi1/
2,
j
,k
]zyt
[Dyi, j1/ 2,k
C C n1
n1
i, j1,k i, j,k
y
Dyi, j1/ 2,k
C n1 i, j1,k y
1、水动力弥散理论
水动力弥散
分子扩散
两部分
机械弥散
由浓度高的方 向向浓度底 的方向运动, 趋于均一
由于微观多孔介质中流 速分布的不均一而引起 的示踪剂(水质点)浓 度在地下水含水层中不 均匀分布的现象。
6
二、溶质(污染物)运移理论方法
1、水动力弥散理论:机械弥散原因
1. 同一空隙中不同部位的流速分布不均匀 2. 不同空隙的流速大小不同 3. 固体骨架导致流速分布的不均匀
t tn1 tn 内的质量守恒。均衡区为由连接节
点i,j,k的六条线段的垂直平分面围成的区域。
根据能量守恒原理,可得显示格式:
[x
T T n1
地下水水质的数学模拟(三)——水动力弥散方程的解析解法及其应用
地下水水质的数学模擬(三)——水动力弥散方程的解析解法及其应
用
地下水水质的数学模拟是地下水地下水水质保护的重要方法之一。
在地下水水质模拟中,水动力弥散方程是一个重要的方程,可以用来模拟地下水的水流和污染物的扩散。
下面是水动力弥散方程的解析解法及其应用:
一、水动力弥散方程的解析解法
1. 欧拉法
欧拉法是一种经典的求解水动力弥散方程的方法。
该方法的主要思想是将水动力弥散方程转化为一个积分方程,然后通过欧拉方法来求解积分方程。
欧拉法的基本思路是将时间域问题转化为频域问题,并使用频率分析方法来求解。
2. 拉格朗日法
拉格朗日法是一种基于拉格朗日平动理论的解析方法。
该方法的主要思想是将水动力弥散方程转化为一个拉格朗日方程,然后通过拉格朗日方程来求解水动力弥散方程。
拉格朗日法适用于求解非线性水动力弥散方程。
二、水动力弥散方程的应用领域
1. 地下水污染控制
水动力弥散方程可以用来模拟地下水的水流和污染物的扩散,从而帮助人们掌握地下水的污染状况,并为地下水污染控制提供科学的决策支持。
2. 水文地质勘探
水动力弥散方程也可以用来求解水文地质勘探中的勘探参数,从而帮助人们掌握地下水的分布情况,为水文地质勘探提供科学的决策支持。
地下水溶质迁移模拟研究进展
参考内容
一、引言
一、引言
溶质迁移是自然界中一个重要的地质过程,它涉及到的弥散度对于环境保护、 农业灌溉、工业生产等领域都有着重要的影响。为了更准确地理解和预测溶质迁 移过程,本次演示将围绕弥散度的取值进行试验研究。
二、弥散度的定义与重要性
二、弥散度的定义与重要性
弥散度是一个描述溶质在液体或气体中分散程度的物理量。在溶质迁移过程 中,弥散度控制着溶质的分散和聚集,影响着溶质迁移的速率和范围。因此,确 定弥散度的准确取值对于预测和控制溶质迁移过程具有重要的实际意义。
模型应用
模型应用
地下水溶质迁移模拟模型的应用领域广泛,主要包括环境水文学、工程地质 等领域。
在环境水文学领域,溶质迁移模拟模型被应用于研究水文学过程、污染物迁 移转化、水文地球化学反应等。例如,在河流、湖泊等水体中,溶质迁移模拟模 型可以用来预测污染物的扩散、对流和化学反应等过程,为环境保护和污染治理 提供科学依据。
2、地下水污染的防治:通过对地下水污染过程的数值模拟,可以有效地预测 和防治地下水污染,为环境保护和可持续发展做出贡献。
4、对模拟结果进行验证和不确定性分析,以确保模拟结果的准确性 和可靠性。
3、地质灾害的评估和预测:通过对地下水与地质灾害关系的数值模拟,可以 科学地评估和预测地质灾害的风险,为灾害防治和风险管理提供技术支持。
参考内容二
内容摘要
随着人类活动的不断增加,地下水资源的重要性日益凸显。地下水作为一种 重要的水资源,其保护和管理变得越来越重要。为了更好地保护和管理地下水资 源,需要对其进行深入研究,而地下水数值模拟是一种重要的研究手段。本次演 示将介绍地下水数值模拟研究与应用进展,包括研究方法、研究成果分析、应用 前景展望和结论。
地下水数值模拟02_地下水运动的数学模型
2
H 0
n 2
——隔水边界
第三类边界条件 H aH b n
例:弱透水边界
K H Hn H 0 n m1 / K1
溶质运移问题的边界条件
第一类边界条件
c(x,
y, z,t) 1
c1(x,
y, z,t)
——给定浓度边界
第二类边界条件 c
Di, j x j ni 2 f2 (xi , t)
u(x, y, z,t) t0 0(x, y, z)
• 2、边界条件
第一类边界条件 u(x, y, z,t) 1 1(x, y, z,t)
第二类边界条件
u n
2
1(x, y, z,t)
第三类边界条件
u
u n
3
3x,
y, z,t
水流问题的边界条件
Reynolds数小于1~10
• 有些情况下,用液体压强表示更为方便
– 例如:油水两相流动
vx
K
H x
vy
K
H y
vz
K
H z
K g k
H z p
g
k p
vx
x
v y
k
p y
vz
k
K ( d
)
dhc
C
t
x
K( )
x
y
K
(
)
y
z
K (
《地下水污染与防治》习题指导.
《地下水污染与防治》习题指导第一章绪论1 什么是地下水污染?哪些物质可污染地下水?途径如何?2 地下水污染如何分类?怎样防治?3 地下水污染调查有何意义?如何进行地下水污染调查?4 污染的地下水如何进行修复?第二章地下水的赋存和化学成分1 地下水的赋存形式有哪几种?2 什么叫岩石的水理性质?包含哪些指标?3 请简述地下水的分类。
4 地下水中包含哪些化学成分?哪些指标可判断地下水的化学性质?5 为什么Cl-总是随着TDS的增长而增加,而Ca2+没有这种性质?6 地下水中化学成分形成机理如何?7 水文地质研究中常见的环境同位素有哪些,有什么意义?8 有哪些方法可以对地下水进行化学分类?下表为两个水样的分析数据,请用已学过的分类方法进行分类分析。
组分Na++K+Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-A 171 119 16 15 42 817B 26 60 12 100 47 64 注:组分浓度单位为mg/L。
第三章地下水运动1 试将渗流同空隙中的真实水流进行对比,看其流量、水头、过水断面、流速大小、水流运动方向等有何不同?2 地下水能从压力小的地方向压力大的地方运动吗?为什么?3 为什么导水系数在三维条件下无意义?4 在计算地下热水运动时,能否将渗透系数当成是岩层透水性常数?为什么?5 流网为什么旨在稳定渗流条件下才有意义?6 为什么一定要有识别(校正)模型阶段?直接用野外测得的参数进行建立模型可行吗?为什么?7 抽水试验的主要目的和作用是什么?8 什么叫水文地质参数?各参数分别有什么意义?第四章地下水污染物运移1 试写出轴对称条件下一维弥散方程式。
2 为什么确定弥散问题的解需要给出研究区域水头场的分布?如果只知道水头的初始状态、边值和有关参数怎么办?3 水动力弥散系数如何确定?4 试推导地下水污染物运移的对流-弥散方程。
5 在研究地下水流问题中,什么叫边界条件,可分为几类,在实际中应如何进行处理?第五章地下水污染数值模拟技术1 对污染物在含水层中的运移、控制、修复,国内外研究现状如何?2 地下水污染数值模拟方法有哪些?简述目前地下水污染水质模拟软件。
地下水污染物迁移机制及弥散参数初步估计
面积的污染物质量曰n院孔隙度曰C院浓度袁g/m3曰u院地下水运动的实际速
度袁m/d遥
对流作用是污染物在含水层中迁移的重要动力袁只要有地下水流
动袁就有对流作用存在遥 在渗透性能好尧水流速度快的含水层中袁对流
通常是污染物迁移的主要动力遥
1.2 浓度梯度引起的迁移
地下水中的溶质会从浓度较高的位置向浓度较低的位置运动袁这
了对流迁移与弥散迁移的比率袁Pe 越大袁 对流对迁移的相对贡献越
大遥 渊9冤式反映了对流迁移与分子扩散迁移的比率遥 对于松散沉积介
质袁d 为平均颗粒直径遥
一个过渡区袁在此区域袁分子扩散和纵向弥散都在起作用袁Peclet 数从 小值向大值变化袁弥散作用相对分子扩散作用的贡献也随之增大遥 DT/ Dd-Pe 曲线与 DL/Dd-Pe 曲线形状相同袁见图 1渊b冤所示袁但其 Peclet 数却比图 1渊a冤增加了约 1000 倍袁也就是说袁Peclet 数较高时袁分子扩 散对横向弥散的作用比对纵向弥散的作用更大遥 通常袁随着流速或特 征长度的增加袁Peclet 数增大袁机械弥散的作用随之增大袁逐步成为污 染物弥散的作用动力袁此时袁分子扩散作用可以忽略遥
. Al律l袁为R预i防g和h控t制s地R下e水s污e染r提v供e科d学.依据遥
1 污染物迁移机理
污染物在地下水中迁移的机制有三方面袁一是对流作用袁即污染
物在水流的带动下袁向下游的运动曰二是分子扩散袁即在浓度梯度作用
下袁污染物由高浓度向低浓度位置的扩散曰三是机械弥散作用袁由于含
水层中多孔介质骨架的存在袁使得污染物的微观迁移速度无论是大小
d曰Dd院扩散系数袁m2/d曰C2-C1院扩散距离 驻l 上的浓度差曰Fd院由于扩散作
用在单位时间内垂直通过单位面积的物质质量袁称为扩散通量袁g/m2窑
对流弥散方程
对流弥散方程
一、引言
对流弥散方程是描述流体运动和物质传输的基本方程之一,广泛应用于地球物理学、气象学、环境科学等领域。
本文将从定义、推导、求解以及应用等方面全面介绍对流弥散方程。
二、定义
对流弥散方程是描述物质在不同介质中传输过程的数学模型,它包括两个部分:对流项和弥散项。
其中,对流项表示物质随着流体运动而移动的速度,而弥散项则表示由于分子热运动而引起的物质扩散。
三、推导
对于一维情况下的对流弥散方程,可以通过质量守恒定律和费克第一定律推导得到。
具体来说,假设在某个区域内有一个浓度为C(x,t)的物质在x处的速度为u(x,t),则该区域内这种物质的变化率可以表示为:
∂C/∂t + ∂(uC)/∂x = ∂(D∂C/∂x)/∂x
其中,D是扩散系数。
这个式子就是一维情况下的对流弥散方程。
四、求解
求解对流弥散方程可以采用有限差分法、有限元法等数值方法。
其中,有限差分法是最常用的方法之一。
具体来说,可以将时间和空间离散化,然后利用迭代算法求解。
五、应用
对流弥散方程在地球物理学、气象学、环境科学等领域都有广泛的应用。
例如,在地下水模拟中,可以通过对流弥散方程来研究地下水的
运动和污染物的传输;在大气科学中,则可以利用对流弥散方程来研
究大气污染和气候变化等问题。
六、总结
本文从定义、推导、求解以及应用等方面全面介绍了对流弥散方程。
它是描述物质在不同介质中传输过程的重要数学模型,在许多领域都
有重要的应用价值。
地下水污染物迁移数值模拟分析
地下水污染物迁移数值模拟分析
近年来,随着工业化和城市化的发展,地下水污染问题得到了广泛的
重视。
地下水污染物的迁移可分为多个空间和时间尺度,但都存在很大的
不确定性。
这一不确定性对污染物的迁移是一个重要限制因素,而地下水
污染物的迁移数值模拟分析已成为识别污染物的潜在迁移路径和衰减影响
的有效方法之一
地下水污染物的迁移数值模拟分析主要采用以下几种方法:一种是采
用模型模拟地下水流动,将污染物的迁移模拟挂钩在模型上,以识别污染
物的迁移路径;另一种是采用分析技术来研究污染物的迁移特性,结合地
下水流动分析结果,推断污染物的潜在迁移方向;还能够采用实验分析技术,建立污染物的运动过程模型,并基于模型的建模结果进行估算。
通常,地下水污染物的迁移数值模拟分析包括空间处理、时间处理以
及地下水污染物的迁移处理。
在空间处理中,必须考虑地下水位变化和地
下水流的影响,并在这些参数基础上确定污染物的迁移空间范围。
而时间
处理则需要考虑污染物的持续时间,以及污染物的释放时间间隔和释放量,以推断污染物的迁移趋势。
地下水溶质运移软件介绍
2、MT3DMS
一、MT3DMS的开发历史
1990年代以前,虽然已经有很多有关地下水中污染物运移的研究,但是,还很少 见到一个完全公开的用于地下水中污染物运移的模拟软件。而地下水中污染物的运移 过程要比地下水流本身的运动要复杂得多,再加上数值模拟污染物运移过程中存在的 数值弥散和人工振荡,因此,开发一套能够有效应用于实际区域地下水中污染物运移 的模块化软件成为一种必需。正是为了适应这一要求,C. Zheng(郑春苗)在S. S. Papadopulos & Associates公司工作期间,由美国环境保护署(U.S. Environmental Protection Agency,USEPA)资助开发并于1990年发布了一个用于地下水中污染物运 移的一个实际应用模拟软件——MT3D。MT3D软件一经发布,其源代码即由USEPA完 全公开。
12
三、MT3DMS的特点
1、程序结构的模块化 2、程序代码的公开化 3、离散方法的简单化 4、求解方法的多样化
13
四、MT3DMS软件的应用现状
运用MT3DMS软件不但能模拟地下水中污染物的对流、弥散,而且能够同时模拟 多种污染物组分在地下水中的运移过程以及它们各自的变化反应过程(不包括各种组 分之间的化学反应),包括平衡控制的等温吸附过程、非平衡吸附过程、放射性衰变 或简单生物降解过程。
解的精度。
在程序中包含了多种对流-弥散方程的求解方法使得MT3D程序能够使用于 不同的地下水流场条件,这是MT3D的一个最主要的特色,同时也是它被广泛 认可的一个很重要的原因。
6
图1中是对一个均匀流场中连续点 源问题的模拟结果(Zheng,1990), 其中地下水渗透流速为0.33m/d,纵 向弥散度为10m,横向弥散度为3m, 孔隙度为0.3,连续点源的注人流量为 1m/d,注入浓度为1000×10-6。对流 弥散方程的求解采用HMOC方法。图1 是模拟时间为365d时地下水中污染物 浓度的等值线与解析解的对比。可以 看出,MT3D的模拟结果与解析解十 分吻合。
地下水污染物运移模拟
新疆大学毕业论文(设计)
绪 论
1.1 地下水污染物迁移研究历程
地下水是一门新兴的学科,达西实验的结果于 1856 年发表(Darcy,1856) , 而将其应用于地下水研究为时更晚。在美国,早期地下水调查主要由美国地质调 查局(USGS)承担。到 20 世纪 30 年代在 O.E.Meinzer 的倡导下,成立了美国地 质调查局地下水研究小组, 并在美国许多地方展开了区域地下水调查工作。美国 地质调查局的科学家为地下水研究作出大量贡献[1]。 早期的地下水调查工作很少考虑溶质迁移; 这类问题只在研究海水入侵时遇 到。通常使用的分析方法是对流计算,即假设溶质以地下水平均速度运动,不受 吸附作用,动力反应及其他作用的影响。 1960 年以前的工作为现代溶质迁移模拟技术打下了基础。水动力弥散统计 理论建立于 20 世纪 50 年代(Taylor,1953;Saffamn,1959) ,它采用类似于扩 散理论的方法处理对流计算的运动与实际情况的差异。1960 年以前,已完成弥 散试验并建立了相关理论。 20 世纪 50 年代见证了水文地质学的另一个主要趋势, 即模拟发展成为评价水流体系的方法,为后来的迁移模拟的发展奠定了基础。 1960 年以后, 地下水模拟研究发展有了飞跃式的发展。20 世纪 60 年代这一 时期建立了对流-弥散迁移方程的多个解析解[2];Ogata(1970)对其中一些工 作进行了总结。 20 世纪 70 年代标志着溶质迁移模拟飞速发展时期的到来。人们在模型开发 及资料整理方面投入了大量工作,已有若干实用的溶质迁移模型程序可供使用。 20 世纪 80 年代早期以来比较活跃的研究课题有:裂隙含水层的溶质迁移问 题 (例如: Evans 和 Nicholson,1987)与多相流动系统(例如:Abriola,1988) 。
地下水中污染物行为及迁移的数值模拟研究
地下水中污染物行为及迁移的数值模拟研究地下水是地球上非常重要的水资源之一,它被广泛应用于工业、农业和城市居民的生活中。
但是,在以裂隙岩层为主的地下水环境中,容易受到人类活动的污染。
污染物在地下水中的行为和迁移是很复杂的,需要通过数值模拟来深入研究。
一、污染物在地下水中的行为污染物在地下水中存在的形态很多,主要分为游离态、吸附态和溶解态。
其中,游离态和吸附态是污染物参与反应的前提,而溶解态则是指污染物与地下水混合在一起。
污染物在地下水中的行为会受到多种因素的影响,例如水的温度、pH值、离子强度、微生物活动等。
这些因素会对污染物的吸附、解析等过程产生影响。
同时,地下水中的多相界面也会对污染物的行为产生影响。
例如,固液界面和气液界面都会影响污染物的迁移速度和扩散特性。
二、数值模拟的研究方法数值模拟是研究污染物在地下水中行为和迁移的重要手段,它可以提供预测和优化环境保护措施的有效工具。
数值模拟主要基于数学模型进行,这些模型可以描述地下水中物理和化学过程,例如质传递、动量传递、热量传递等。
数值模拟的流程主要包括几个步骤:首先,需要建立一个数学模型,根据实际情况选择适当的模型和参数。
其次,需要收集有关地下水环境的数据,例如位于地下水域的监测井,监测井中的水质和水动力学数据等。
然后,需要将数据输入到模型中,计算出预测结果。
一般采用计算机软件进行,例如FEFLOW、MODFLOW、PHREEQC等。
最后,需要对模型的预测结果进行验证和调整。
验证的方法包括与实际的采样数据进行比较、与其他可靠模型进行对比等。
三、数值模拟中的关键技术数值模拟中有些关键技术,如果不注意可能会影响结果的可靠性。
第一个技术是模型参数的选择。
模型的参数是模型正确性的关键,不同参数可能会导致不同的结果。
因此,选择参数应该根据实际情况进行,并且经过多次验证调整之后才能确定。
第二个技术是计算网格的设置。
一般而言,计算网格的大小会对模型的计算精度和计算时间产生影响。
可溶性污染物在地下水中运移的数值模拟
Num erica l Si m ulation on Transportation and M igration of Soluble Conta m inant in Groundwater
L IU Y ong
(China R ail w ay Siyuan Survey and D esign G roup. , LTD. , Wuhan , H ubei 430063 )
[2 , 3] [ 1]
K yy ) ) ) 分别为横向、 纵向渗透系数 ( LT ( d); qx ) ) ) 单位体积源的体积流率 (T
- 1
); t) ) ) 时间
-1
)。
1. 2 可定解条件 综合考虑淋滤液在地下水环境体系中发生对流、 弥散、 化学反应以及存在源汇项的情况 , 根据质量守恒 定律, 描述污染物质在承压地下水中迁移的基本方程 通常写作: 9 ( ux c) 9c 9 9c 9 9c = D xx + Dyy +f 9t 9 x 9x 9y 9 y 9y 式中: Dxx 、 Dyy ) ) ) x、 y 方向上弥散系数 ( L T
表 1 模拟地下水所需要的参数
Tab le 1 参数 H in Q
f
图 2 30 d 后污染物的浓度分布图
Fig1 2 D ist ribu t ion of den sity of contam inan t after 30 days
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Param eter of s i m u lation on groundw ater 名称 数值 45 m 1 000 kg/m 1 . 5 m3 / d 20 m 1 000 @ 10- 6 1. 1 m / d 11 m 4m 0 . 15 m / d
地下水污染物迁移模拟——对流弥散
Dispersion Coefficient (D)
D = D + Dd D represents dispersion Dd represents molecular diffusion Dxx Dxy Dxz D = Dyx Dyy Dyz Dzx Dzy Dzz
In general: D >> Dd
Dx = α L v + D*
D = τD0
*
D* is the effective molecular diffusion coefficient [L2T-1]
τ
is the tortuosity factor [-]
τ <1
Assume 1D flow
Case 2
and a point source
vx = a constant vy = vz = 0
Dx = αxvx + Dd Dy = αyvx + Dd Dz = αzvx + Dd
where αx αy αz are known as dispersivities. Dispersivity is essentially a “fudge factor” to account for the deviations of the true velocities from the average linear velocities calculated from Darcy’s law. Rule of thumb: αy = 0.1αx ; αz = 0.1αy
porosity
c 2 − c1 fD = − Dθ ∆x
where D is the dispersion coefficient.
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Average linear velocity
True velocities
We will assume that dispersion follows Fick’s law, or in other words, that dispersion is “Fickian”. This is an important assumption; it turns out that the Fickian assumption is not strictly valid near the source of the contaminant.
Effects of dispersion on the concentration profile
no dispersion dispersion
t1
t2 t3 t4
(Freeze & Cherry, 1979, Fig. 9.1)
(Zheng & Bennett, Fig. 3.11)
Effects of dispersion on the breakthrough curve
In fact, particles travel at different velocities v>q/θ or v<q/θ
Derivation of the Advection-Dispersion Equation (ADE) Assumptions 1. Equivalent porous medium (epm)
Dispersion Coefficient (D)
D = D + Dd D represents dispersion Dd represents molecular diffusion Dxx Dxy Dxz D = Dyx Dyy Dyz Dzx Dzy Dzz
In general: D >> Dd
Dispersivity (α) is a measure of the heterogeneity present in the aquifer.
A very heterogeneous porous medium has a higher dispersivity than a slightly heterogeneous porous medium.
Dispersive Transport & Advection-dispersion Equation (ADE)
Advection only
C0
Advection & Dispersion
C0
∂ ∂C − (viC ) = ∂xi ∂t
v = q/θ
Assuming particles travel at same average lenear velocity v=q/θ
(Zheng & Bennett, Fig. 3.8.)
We need to introduce a “law” to describe dispersion, to account for the deviation of velocities from the average linear velocity calculated by Darcy’s law.
fDx
∂c ∂c ∂c = −θD xx − θD xy − θD xz ∂x ∂y ∂z
3. No density effects
Density-dependent flow requires a different governing equation. See Zheng and Bennett, Chapter 15.
Figures from Freeze & Cherry (1979)
c 2 − c1 fD = − Dxθ ∆x
D is the dispersion coefficient. It includes the effects of dispersion and diffusion. Dx is sometimes written DL and called the longitudinal dispersion coefficient.
longitudinal dispersion transverse dispersion
Figure from Wang and Anderson (1982)
Derivation of the ADE for 1D uniform flow and 3D dispersion
(e.g., a point source in a uniform flow field)
porosity
c 2 − c1 fD = − Dθ ∆x
where D is the dispersion coefficient.
Case 1
Advective flux Assume 1D flow
porosity
h 2 − h1 fA = qxc = [− K ]c = vxθc ∆x
Dispersive flux
∂ 2c
There is a famous analytical solution to this form of the ADE with a continuous line source boundary condition. The solution is called the Ogata & Banks solution.
How about Fick’s law of diffusion?
c 2 − c1 FDiff = − DdA ∆x
where Dd is the effective diffusion coefficient.
Fick’s law describes diffusion of ions on a molecular scale as ions diffuse from areas of higher to lower concentrations.
Continuous point source
Average linear velocity
Instantaneous point source
center of mass
Figure from Freeze & Cherry (1979)
Instantaneous Point Source
Gaussian
Dx = α L v + D*
D = τD0
*
D* is the effective molecular diffusion coefficient [L2T-1]
τ
is the tortuosity factor [-]
τ <1
Assume 1D flow
Case 2
and a point source
vx = a constant vy = vz = 0
f = fA + fD Mass Balance: Flux out – Flux in = change in mass
Definition of the Dispersion Coefficient in a 1D uniform flow field
ADE for 1D uniform flow and 3D dispersion
∂c ∂c Dx 2 + Dy 2 + Dz 2 − v = ∂x ∂t ∂x ∂y ∂z
No sink/source term; no chemical reactions
∂ 2c
∂ 2c
∂ 2c
Question: If there is no source term, how does the contaminant enter the system?
Simpler form of the ADE
∂c ∂c D 2 −v = ∂x ∂t ∂x
Uniform 1D flow; longitudinal dispersion; No sink/source term; no chemical reactions Question: Is this equation valid for both point and line source boundaries?
Advective flux
fA = qxc
c 2 − c1 fDx = − Dxθ ( ) ∆x
D − Dyθ ( ) ∆y
c 2 − c1 fDz = − Dzθ ( ) ∆z
Dx represents longitudinal dispersion (& diffusion); Dy represents horizontal transverse dispersion (& diffusion); Dz represents vertical transverse dispersion (& diffusion).
(i.e., a medium with connected pore space or a densely fractured medium with a single network of connected fractures)
2. Miscible flow
(i.e., solutes dissolve in water; DNAPL’s and LNAPL’s require a different governing equation. See p. 472, note 15.5, in Zheng and Bennett.)
Adective flux
h1 h2
Darcy’s law:
h 2 − h1 Q = − KA ∆s