低渗透介质中-维溶质运移实验与模拟研究

发布时间：2017-12-23 18:04

本文关键词：低渗透介质中-维溶质运移实验与模拟研究　出处：《中国地质大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着经济、社会、工农业的发展,地下水的污染越来越严重,而污染物在土壤中的运移不仅受到物理、化学、生物等多种活动的支配,还受土壤质地、孔隙结构、空间变异的影响。为探究溶质在土壤中的运移规律,许多学者做了相关研究,但这些研究主要集中在中高渗透介质中,对于低渗透介质中的污染物迁移转化规律的相关研究还很少。低渗透介质中渗流表现出一定的非达西现象,基于达西定律的对流——弥散方程(CDE)在描述溶质运移时或许不再适用,为了探索低渗透介质中溶质运移规律,寻找描述溶质运移过程的最佳数学模型,有必要对低渗透介质溶质运移进一步研究。为了使研究更加全面,本文开展了多种因素影响下低渗透介质中一维溶质穿透及淋滤实验研究,分别为同直径不同介质长度、同介质长度不同直径及螺纹内壁三种条件下的溶质运移及实验,实验中测量渗透流速并采用便携式电导率仪测量渗出液电导率值,绘制溶质运移过程中电导率变化曲线,在实验的基础上分析渗透流速在穿透及淋滤阶段的变化规律,探索溶质的运移规律。获取各组实验数据后分别采用对流——弥散方程(CDE)、两区模型(TRM)、随机对流——弥散模型(SC)和连续时间随机游走模型(CTRW)拟合溶质运移穿透曲线,得到相关的模型参数。通过对比不同条件下的拟合结果及对拟合参数的分析,总结低渗透介质中短土柱溶质运移规律。获取穿透曲线的拟合参数后,结合淋滤实验的渗透速率,计算出各土柱的弥散系数,将相关参数输入模型,利用CDE、TRM、SC和CTRW预测土柱的淋滤过程,将预测值与观测值进行对比分析。综合各模型在穿透及淋滤过程中的拟合效果,分析模型的优缺点并对拟合结果的差异做机理分析,在上述基础上提出能较好描述低渗透介质中溶质运移的数学模型。通过本文的研究,得到以下结论：1.低渗透介质溶质运移过程中渗透流速经历了平稳期——下降期——平稳期三个阶段。下降期的出现一方面是由于将NaCl溶液换为自来水后,水力梯度不变,而溶液浓度减小,土柱所受的水压力减小；另一方面换溶液过程中土体经过卸荷为零后再加荷的过程,粘土变形后形成的新孔隙结构的连通性和直径远远小于原来的孔隙通道,使粘土的渗透特性大大降低,当土体结构形成新的稳定状态后,渗透流速又会趋于稳定。2.土柱直径、介质长度及内壁粗糙度会影响渗透流速。穿透阶段：直径越大,渗透流速越快；介质越长,流速越慢；内壁粗糙的土柱中的渗流速率明显小于内壁光滑的土柱。淋滤阶段：土柱直径和介质长度对速率的影响与穿透阶段相反,内壁粗糙度对其影响极小。3. CDE、TRM、SC和CTRW在描述低渗透介质中不同条件下穿透过程时拟合效果都较好,土柱中溶质穿透过程基本是Fick运移。穿透过程：CDE和TRM拟合出的弥散度尺度效应较明显；SC拟合效果虽好,但弥散度与其它方法相差甚远；CTRW中vψ的拟合结果显示土柱直径会影响溶质粒子的平均运移速度与水流平均速度的关系：小直径土柱中溶质粒子的平均运移速度小于水流的平均流速(CDE中v),反之。四个模型中,CTRW在一定程度上弥散度的尺度效应不明显,其拟合效果最好。4.低渗透介质中溶质运移的淋滤过程表现了明显的拖尾现象,CDE, TRM和SC对淋滤过程的预测效果都不好。TRM不同条件下预测效果不同：同直径不同介质长度条件下,TRM的预测效果受可动水体含量变化影响,不同直径同介质长度条件下,TRM的预测效果随着土柱直径的增大而变好。SC对淋滤的预测效果相对CDE和TRM稍好,预示着淋滤过程中溶质在低渗透介质中的运移小范围内可能存在部分流管模式的运移。5.CTRW是四种方法中的拟合效果最好的。淋滤阶段,小直径土柱中的预测效果明显比大直径中的好,CTRW更适合预测低渗透介质中小直径土柱的溶质淋滤过程。此外,CTRW淋滤的预测效果受土柱中优先流的影响较大：优先流明显条件下,CTRW更适合于短土柱的淋滤过程预测,而优先流不明显或不存在条件下,该方法更适合于长土柱。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X131.3

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