DNAPL污染源识别和多相流及生物堵塞模拟研究

发布时间：2017-03-20 13:05

  本文关键词：DNAPL污染源识别和多相流及生物堵塞模拟研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着石油化工产业的迅猛发展,土壤和地下水中有机污染问题愈加凸显,重非水相流体(Dense non-aqueous phase liquid, DNAPL)是含水层中常见的一类有机污染物,对它的研究己成为当前研究热点。当前对DNAPL的研究主要集中在污染源识别、DNAPL在地下介质中的迁移规律及其治理修复等方面。在进行DNAPL污染修复之前,首先需确定污染源的位置和污染羽的分布范围,准确识别污染源的位置能极大提高修复效率并降低修复成本。在成功定位污染源后,准确描述DNAPL在含水层中的迁移规律能为DNAPL修复提供直接帮助。在众多DNAPL污染修复方法中,生物修复因环境友好、经济有效而被广泛应用,但生物修复会改变介质的渗透性和弥散度,进而影响修复效率。基于此,本文主要进行了三方面的研究：1)将一种基于蒙特卡洛随机模拟、卡尔曼滤波和模糊集理论的污染源识别算法应用到南京某DNAPL污染场地,以利用最少取样点信息从多个潜在污染源中识别出真实污染源；2)基于前人在二维砂箱中开展的DNAPL在饱和／非饱和孔隙介质中的渗流实验结果,对实验结果进行数值模拟,系统研究多相流在孔隙介质中的运移规律：3)研究最后基于二维砂箱生物修复实验结果,通过数值模拟评估了生物膜和生物产气对渗透率和弥散度的影响。主要结论如下：1)将一种基于卡尔曼滤波和蒙特卡洛随机模拟的污染源识别算法应用到南京某DNAPL污染场地。基于场地调查,研究选定6个潜在污染源位置,进而利用9个监测点的观测数据对污染源位置进行识别。算法识别得到的2个污染源位置(废水池处的源#1及PF生产车间的源#4)与场地调查结果吻合,表明本算法能有效应用到野外的污染源识别问题中。但需指出的是,在此算例研究中,由于场地介质的低渗透率,DNAPL污染羽的分布范围较小,导致有效取样点信息缺乏,使得在算法识别过程中污染羽只能局部更新,这对算法的收敛及应用产生了较大影响。此外,多个真污染源存在、场地的强非均质性以及平行地下水流的污染源排列方式也会对算法收敛产生一定影响(如源#2、#3)；算法还依赖于对潜在污染源有一个较好的初始估计。2)基于光透法监测二维砂箱多相流的实验结果,系统开展了均质及非均质孔隙介质中多相流的数值模拟,结果表明数值模拟在反映多相流运移规律上与光透法监测的实验结果基本一致。在水／气两相流和水/DNAPL两相流中,二者差异主要体现在：实验结果中气体及DNAPL运移时均存在不规则通道和优势流,DNAPL在局部地区饱和度无规律性增高,而模拟结果均显示流体均匀稳定地向上(气体)或向下(DNAPL)渗流。这些差异主要由人工填砂的“不均匀性”造成。此外,对非均质水／气两相流的模拟结果和实验结果定量分析表明,数值模拟和光透法得到的12个时刻共5316个局部监测点的饱和度数据的R。达0.94,且模拟和光透法所计算气体总量与排水值亦基本一致,表明从统计角度和局部监测点角度,模拟结果与实验光透法结果均较吻合。而均质介质水/DNAPL/气三相流实验中,TCE从气体分布区注入后,纵向迁移受到气体阻碍,TCE从非饱和带进入饱水带后,污染羽横向扩散变窄。而模拟结果中污染羽在饱水带中横向扩散更宽。这可能与TCE挥发有关,也可能由当前光透法模型中无法同时反映气体及TCE所导致的光强改变这一局限性所致。3)生物修复对介质渗透性影响主要考虑了生物膜和生物作用产生的气体对孔隙介质渗透性的影响。实验和模拟结果表明Taylor模型夸大了生物膜的堵塞效应。基于Taylor模型及VG模型计算出的生物膜及气泡共同影响下的渗透系数场呈现出明显的分带性,砂箱顶部介质渗透性主要受气泡堵塞而显著减小,底部主要受生物膜堵塞而明显降低,中部受二者共同影响,但影响均较小,从而使得示踪剂优先从中部迁移。在两组砂箱中间设置生物修复低渗透区,展开溶质运移模拟,结果表明生物修复造成的堵塞可以使修复效率减少94-98%,可见生物修复所导致的介质渗透率下降可对修复效率产生极大影响。实验和模拟结果表明生物膜和气泡的存在会增大介质弥散度,但影响不大,约增加1倍。基于T-J model 2计算出的生物膜影响下的弥散度与基于T-J model 2和Sato模型计算的生物膜和气泡共同影响下的弥散度都比实际弥散度大。这主要是由于T-J model 2和Sato模型都是基于一维砂柱推导出来的,微生物在砂柱中的活动可对水流产生直接影响,而二维砂箱中,地下水在遇到生物活性区可产生绕流,生物活性区对水流整体运移影响有限。此外考虑了吸附效应的数值模拟结果与实验结果拟合较好,说明生物膜和气泡对示踪剂的吸附效应明显。
【关键词】：DNAPL 卡尔曼滤波 污染源搜索 多相流 数值模拟 生物修复 生物堵塞
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X523
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 选题背景及意义13-14
• 1.2 国内外研究现状及存在问题14-19
• 1.2.1 DNAPL污染源识别研究现状及存在问题14-16
• 1.2.2 多相流模拟研究现状及存在问题16-17
• 1.2.3 生物修复对介质性质影响的研究现状及存在问题17-19
• 1.3 研究内容及创新点19-21
• 第二章 DNAPL污染源识别算法及其应用21-42
• 2.1 引言21-22
• 2.2 方法22-26
• 2.3 场地应用26-34
• 2.3.1 场地信息26-30
• 2.3.2 基本假设30-32
• 2.3.3 场地地下水流及污染物运移数值模拟32-34
• 2.4 结果与讨论34-40
• 2.4.1 搜索结果34-35
• 2.4.2 讨论35-40
• 2.5 本章小结40-42
• 第三章 多相流(DNAPL/水/气)数值模拟研究42-70
• 3.1 引言42-43
• 3.2 方法43-46
• 3.2.1 砂箱实验及光透法介绍43-45
• 3.2.2 模拟软件简介45
• 3.2.3 多相流控制方程45-46
• 3.3 水/气两相流数值模拟46-57
• 3.3.1 均质孔隙介质中水/气两相流数值模拟47-49
• 3.3.2 非均质孔隙介质中水/气两相流数值模拟49-57
• 3.4 水/DNAPL两相流数值模拟57-64
• 3.4.1 均质孔隙介质中水/DNAPL两相流数值模拟57-59
• 3.4.2 非均质孔隙介质中水/DNAPL两相流数值模拟59-64
• 3.5 水/DNAPL/气三相模拟64-67
• 3.5.1 实验简介及模拟过程64
• 3.5.2 结果与讨论64-67
• 3.6 本章小结67-70
• 第四章 生物修复对介质渗透率及弥散度的影响70-94
• 4.1 引言70-72
• 4.2 示踪实验72
• 4.3 生物修复对孔隙介质渗透率的影响72-84
• 4.3.1 生物膜影响下的渗透率场变化(K2)72-75
• 4.3.2 生物膜及气泡共同影响下的渗透率场变化(K3)75-77
• 4.3.3 不同渗透率下的穿透曲线77-82
• 4.3.4 渗透率下降对生物修复效率的影响82-84
• 4.4 生物修复对孔隙介质弥散度的影响84-92
• 4.4.1 生物膜影响下的弥散度场(D2)84-85
• 4.4.2 生物膜及气泡共同影响下的弥散度场(D3)85-87
• 4.4.3 不同弥散度场的穿透曲线87-92
• 4.5 本章小结92-94
• 第五章 结论及建议94-97
• 5.1 结论94-96
• 5.2 建议96-97
• 参考文献97-107
• 致谢107-108

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