非水相流体在土体中运移的数值模拟

论文摘要

非水相流体(NAPLs)在地表面泄漏将导致土体和地下水的污染,成为对人类生存环境潜在的巨大危害。因此,开展NAPLs运移规律的研究具有非常重要的意义。本文采用多孔介质多相流和溶质运移的概念阐述了NAPLs污染物在土体中的运移机理,发展了描述NAPLs污染物运移过程的理论模型。土体作为一种典型的多孔介质,其中存在孔隙水、NAPLs和孔隙气体的多相流动。NAPLs在土体中运动时受到溶解、挥发、吸附等作用的影响,以自由相、溶解相、挥发相和吸附相等形式存在于土体中,不同相之间会发生质量交换作用。溶解于水和挥发于空气中的NAPLs污染物会通过对流和弥散作用在孔隙水和孔隙空气中运动。NAPLs污染物在土体中的运移是一个非常复杂的过程。NAPLs自由相的运动可以通过达西定律描述,本文给出了多相流条件下的达西定律。渗透系数～饱和度～毛细压力关系是描述多相流问题的最重要模型之一,本文详细阐述了多相流中各运动相的渗透系数、饱和度和毛细压力之间的定量关系。NAPLs溶解相和挥发相的运动可以采用溶质运移模型描述。通过相间质量交换模型和质量平衡方程,描述了NAPLs不同存在相之间的相互影响和质量交换规律。根据上述数学模型推导了NAPLs污染物运移的数值模型,完善了模拟NAPLs污染物在土体系统中运移的数值分析软件。采用数值模拟方法分析了S~P模型参数、NAPL密度、土体固有渗透系数、界面张力、NAPL残余饱和度、NAPL粘滞性以及NAPL在水中的溶解度对于NAPL运移规律的影响;研究了不同条件下NAPLs的运移特征和污染范围,分析了泄露量、泄露时间、地质条件、地下水运动特征等对污染物时空分布特征的影响。研究结果表明,数值模拟是研究NAPLs运移规律的有效方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 非水相流体的污染问题
• 1.2 研究目的和方法
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 非水相流体运移的基本理论
• 2.1 土体介质特性
• 2.1.1 多孔介质的基本概念
• 2.1.2 多孔介质的研究方法
• 2.1.3 土体介质常用参数
• 2.1.4 土体中水的形态
• 2.2 流体在土体中的运动
• 2.2.1 单相流
• 2.2.2 两相流
• 2.2.3 多相流
• 2.3 各相间质量交换
• 2.3.1 溶解作用
• 2.3.2 挥发作用
• 2.4 溶质的运移
• 2.4.1 对流作用
• 2.4.2 弥散作用
• 2.4.3 吸附作用
• 2.4.4 降解作用
• 2.5 小结
• 第3章 数值模拟方法研究
• 3.1 概念模型
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 土体介质属性
• 3.1.3 各相流体属性
• 3.1.4 四相物质的质量交换
• 3.1.5 三相流运移规律
• 3.1.6 其他作用
• 3.2 数学模型
• 3.2.1 土体介质属性
• 3.2.2 各相流体属性
• 3.2.3 四相物质的质量转换
• 3.2.4 三相流运移规律
• 3.2.5 相对渗透系数-饱和度-毛细压力关系
• 3.2.6 溶质运移模型
• 3.2.7 质量平衡方程
• 3.3 数值模型
• 3.3.1 质量平衡方程的数值形式
• 3.3.2 方程的数值离散化
• 3.3.3 方程的定解条件
• 3.4 小结
• 第4章 非水相流体运移数值模拟
• 4.1 模型验证
• 4.1.1 达西定律验证
• 4.1.2 饱和度-毛细压力关系验证
• 4.2 参数分析
• 4.2.1 S-P 模型参数的影响
• 4.2.2 NAPL 密度的影响
• 4.2.3 土体固有渗透系数的影响
• 4.2.4 界面张力的影响
• 4.2.5 NAPL 残余饱和度的影响
• 4.2.6 NAPL 在水中溶解度的影响
• 4.2.7 NAPL 粘滞性的影响
• 4.3 NAPL 运移问题的模拟计算
• 4.3.1 NAPL 泄漏的污染范围
• 4.3.2 低渗透层对NAPL 泄漏范围的影响
• 4.3.3 地下水流动对NAPL 运移范围的影响
• 4.3.4 溶解作用对NAPL 污染范围的影响
• 4.3.5 降雨作用对NAPL 污染范围的影响
• 4.4 小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果