钠、铜、铀在花岗岩裂隙中的迁移模拟研究

发布时间：2017-06-30 15:10

  本文关键词：钠、铜、铀在花岗岩裂隙中的迁移模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近几十年来,地下水污染、高放废物处置库选址等问题使多孔介质中溶质迁移这一课题成为研究热点。与孔隙介质中溶质迁移研究相比,裂隙溶质迁移研究还处于起步阶段。本次研究采用自制花岗岩裂隙溶质迁移设备,开展了以Na、Cu、U为示踪剂的迁移实验,实验包括:1)Na、Cu、U在花岗岩薄板中的扩散实验;2)Na、Cu、U在花岗岩薄板中的弥散实验;3)Na、Cu、U在花岗岩单裂隙中的对流-弥散实验;4)Na在花岗岩单裂隙中迁移的弥散尺度现象分析实验。在实验数据的基础上,采用配线法求出Na、Cu、U的扩散系数、阻滞系数、弥散系数等有关参数,为后续数值模拟提供基础。实验结果表明:(1)扩散、弥散实验中发现,由于浓度差以及花岗岩的阻滞作用使原、取液箱中浓度变化速率相差较大,且弥散实验中存在的水压作用使溶质浓度变化速率比扩散实验的变化速率快。此外,对比扩散、弥散曲线得到浓度变化速率UNaCu,分析主要原因为花岗岩对各元素产生阻滞作用CuNaU,而随后利用实验所得曲线,求得扩散系数、弥散系数以及阻滞系数也证明了此观点,计算结果为:扩散条件下,Na、Cu、U扩散系数分别为8.57×10-13 m2/s、6.45×10-13 m2/s、1.03×10-12 m2/s,阻滞系数分别为6214、12047、2031,弥散条件下,Na、Cu、U的弥散系数分别为4.83×10-12 m2/s、5.35×10-12 m2/s、3.08×10-13 m2/s;阻滞系数分别为6079、12005、1705;最后,实验中发现在严格计算取样量的前提下,高浓度液面会有所上升,推测原因为岩板起“半透膜”作用,发生反渗透现象。(2)对流-弥散实验中发现,各元素迁移曲线整体为倒“V”字型且由于水动力弥散作用使曲线随时间与迁移距离增加,浓度峰值逐渐减小,峰面积逐渐增大,曲线“缩首”程度减弱而“拖尾”现象明显。此外,对比迁移曲线发现:曲线“缩首”程度:UNaCu,曲线“拖尾”程度CuNaU;推测花岗岩对三种元素的阻滞作用CuNaU;通过使用配线法求出Na、Cu、U的纵向弥散度分别为:0.0858-0.1077 m、0.0921-0.1162 m、0.0958-0.1337 m,横向弥散度为:0.00077 m、0.00066 m、0.00030 m。(3)弥散尺度实验表明室内小尺度试验也可产生“尺度效应”为后续研究提供思路。数值模拟研究主要包括:1)以对流-弥散实验为基础,选择双重连续介质模型构建瞬时注入数学模型,验证有关参数;2)根据野外实际情况,选择双重连续介质模型构建恒定注入数学模型,模拟预测Na、Cu、U在青山花岗岩裂隙内部的迁移情况。模拟结果表明:(1)对比实验曲线与模拟曲线,验证了实验求得数据的准确性;同时证明在未知参数较多的情况下,使用等效连续介质模型求取有关参数是可行的;(2)模拟Na、Cu、U在青山花岗岩裂隙中的迁移情况,发现当溶质在同一迁移位置处,随时间增加,浓度值逐渐增大;由于花岗岩对Na、Cu、U的阻滞系数不同导致在同一时刻裂隙中溶质迁移距离UNaCu,而从Na、Cu、U基质中的迁移情况看到当迁移距离的增加,基质中各元素浓度含量逐渐减少;此外,在相同位置处,Na、Cu、U在基质中的扩散深度UNaCu,且在扩散到相同基质深度处浓度始终保持UNaCu,分析原因主要为花岗岩基质对各元素的阻滞系数不同所致。
【关键词】：花岗岩裂隙 溶质 迁移 实验模拟 数值模拟
【学位授予单位】：东华理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-22
• 1.1 研究背景12
• 1.2 研究进展12-18
• 1.2.1 裂隙介质中溶质迁移的特点以及研究种类12-13
• 1.2.2 国内外有关花岗岩裂隙中溶质迁移的研究进展13-18
• 1.3 研究内容与意义18-20
• 1.3.1 研究内容18-19
• 1.3.2 同类研究的不足与本次研究的创新点19-20
• 1.4 技术路线20-22
• 2 实验材料22-26
• 2.1 实验材料介绍22-23
• 2.1.1 实验介质——青山花岗岩22-23
• 2.1.2 示踪剂的选取与来源23
• 2.2 研究设备23-26
• 3 实验部分26-48
• 3.1 Na、Cu、U在花岗岩薄板中的扩散实验26-30
• 3.1.1 实验原理26
• 3.1.2 实验设备26
• 3.1.3 实验步骤26-27
• 3.1.4 试验结果与分析27-28
• 3.1.5 扩散参数求解28-30
• 3.2 Na、Cu、U在花岗岩薄板中的弥散实验30-34
• 3.2.1 实验原理30
• 3.2.2 实验设备30
• 3.2.3 实验步骤30-31
• 3.2.4 试验结果与分析31-32
• 3.2.5 弥散参数求解32-34
• 3.3 Na、Cu、U在花岗岩单裂隙中的对流-弥散试验34-42
• 3.3.1 实验原理34
• 3.3.2 实验设备34-35
• 3.3.3 实验步骤35-36
• 3.3.4 实验结果与分析36-39
• 3.3.5 参数的确定39-42
• 3.4 Na在花岗岩单裂隙中迁移的弥散尺度现象分析实验42-44
• 3.4.1 实验原理42-43
• 3.4.2 实验设备43
• 3.4.3 实验步骤43-44
• 3.4.4 结果与分析44
• 3.5 各组实验的误差来源与改进44-45
• 3.5.1 花岗岩片扩散、弥散实验44-45
• 3.5.2 花岗岩自制单裂隙中Na、Cu、U对流-弥散试验45
• 3.5.3 Na在花岗岩单裂隙中迁移的弥散尺度现象分析实验45
• 3.6 本章小结45-48
• 4 花岗岩单裂隙介质中溶质迁移的数值模拟48-68
• 4.1 概述48
• 4.2 模拟方法选择48
• 4.3 室内瞬时注入实验数学模拟48-58
• 4.3.1 物理模型的建立48-49
• 4.3.2 数学模型的建立49-52
• 4.3.3 数学模型的求解52-55
• 4.3.4 参数选择55-57
• 4.3.5 模拟结果与分析57-58
• 4.4 野外地下水污染物迁移模拟研究58-67
• 4.4.1 物理模型假设条件58
• 4.4.2 数学模型的建立58-60
• 4.4.3 数学模型的求解60-64
• 4.4.4 参数确定64-65
• 4.4.5 模拟结果65-67
• 4.5 本章小结67-68
• 5 结论与展望68-70
• 5.1 结论68-69
• 5.2 展望69-70
• 致谢70-72
• 参考文献72-78
• 附录A Na、Cu、U扩散、弥散、对流-弥散实验数据78-86
• 附录B Na、Cu、U迁移模拟程序代码86-98
• 附录C 攻读硕士学位期间发表的论文98

【参考文献】

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本文编号：502365