LNAPLs在包气带中运移的算法研究及其数值模拟
【摘要】包气带是地面以下潜水面以上的地带,由非饱和多孔介质构成。LNAPLs泄漏到土壤中后会对包气带和地下水造成严重污染。为了尽早发现、尽早勘查、及时治理,有必要对其在土壤中的各种性质、迁移规律等作出深入研究。本文给出了LNAPLs在包气带中迁移的控制方程的推导过程,采用有限元配置解法对其进行求解。在此基础上研究了LNAPLs泄漏后在土壤中迁移的规律,包括了LNAPLs泄漏量、泄漏速率、泄漏形式以及土壤固有渗透系数对其迁移的影响。最后,分析了LNAPLs迁移过程中土壤相对介电常数的变化特征。本文首先简单介绍了LNAPLs的性质、LNAPLs迁移所在的地下环境,及其迁移机理。LNAPLs在非饱和土壤介质中主要有两种存在形式:自由态、溶解态或挥发态。土壤孔隙中自由流动的液体有三种:水相、气相和LNAPLs相。其在土壤中迁移的影响因素主要有:挥发、溶解、吸附、解吸、降解,以及土壤本身的性质。LNAPLs在非饱和土壤介质中迁移属于变饱和度多相流问题。在明确以上信息的基础上,根据质量守恒原理,在特征单元体上推导了各相迁移的控制方程:自由相的流动方程,以及溶解相和挥发相的对流-弥散方程。使用有限元配置法对上述控制方程求解。先对控制方程做简化处理,得到只依赖压力的微分方程,即以压力为变量的方程。由于其中含有相对渗透系数和饱和度,二者为毛细压力的函数,所以上述控制方程为具有较强非线性的微分方程。对求解区域进行规则矩形剖分,并对控制方程的时间导数做隐式差分离散。对压力变量做分片双三次Hermite估计,对相对渗透系数和饱和度做分片线性Lagrange估计。计算各个网格区域中的配置点,将估计函数以及其各阶导数带入隐式差分方程,得到配置方程。最后使用共轭梯度法求解配置方程。在上述模型及求解方法的基础上,建立了一个物理模型实例。分析了LNAPLs泄漏速率、泄漏量、泄漏形式,以及土壤固有渗透系数对LNAPLs迁移的影响。研究了LNAPLs泄漏到土壤包气带后,随着其迁移扩散,土壤相对介电常数的变化情况。经过以上模拟计算,得出了LNAPLs在土壤非饱和带中迁移的一般规律。当土壤中有LNAPLs泄漏时,LNAPLs首先会在重力作用下向下迁移,当LNAPLs迁移到达毛细水带处,会受到毛细力的作用发生明显的横向迁移。而由于LNAPLs的密度比水的密度小,它会漂浮在水面上,并随着聚集量的增多使水面下凹。LNAPLs在土壤中迁移会受到泄漏量的影响,泄漏量越大,迁移范围和浓度分布越广。会受到泄漏速率的影响,泄漏速度小会在短期内有明显的迁移,但后期迁移范围会小于泄漏速率大的情况。对于泄漏形式对迁移的影响,在短期内迁移范围会受到泄漏速率不均匀性的影响,但长期内受此影响较小。土壤固有渗透系数越小,LNAPLs迁移范围越小。LNAPLs的泄漏会使土壤的相对介电常数减小,而由于LNAPLs的迁移会驱使土壤中残余水向两侧迁移,进而形成明显地“山形”。
【作者】李晔;
【导师】刘财;鹿琪;
【作者基本信息】吉林大学,地球探测与信息技术,2014,硕士
【关键词】轻非水相液体(LNAPLs);包气带;LNAPLs运移;有限元配置法;数值模拟;相对介电常数;
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