饱和-非饱和土中氟运移规律动态实验及数值模拟研究

论文题目: 饱和-非饱和土中氟运移规律动态实验及数值模拟研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 水力学及河流动力学

作者: 张红梅

导师: 速宝玉

关键词: 运移规律,饱和非饱和,动态实验,数值模拟

文献来源: 河海大学

发表年度: 2005

论文摘要: 土壤和地下水污染问题已成为环境污染问题中的一个重要研究课题。而污染物种类繁多,其中对氟污染物的研究,是目前比较关注的环境问题之一。由于氟具有特殊的化学性质,它在土壤中的迁移方向和强度,取决于土壤性质和多种环境要素的共同作用,即氟在多孔介质中的运动是一个复杂的物理化学过程。目前研究污染物在饱和、非饱和土壤中迁移转化规律常用的方法是土柱实验,通过室内实验的设计可以帮助我们分析影响迁移转化的各种因素,揭示污染物在多孔介质中的运移机理,同时也可解决野外实验投资大、周期长、不确定因素较多难以控制等问题,从而缩短了实验研究周期。 本文基于多孔介质中溶质运移理论,在实验设计上完整地从小土柱—大土槽、饱和—非饱和、单层土壤—成层土壤作了全套的大量室内实验研究,采用实验和计算相结合的分析研究方法,归纳总结了氟(氯)离子在不同条件下的运移规律,并对非饱和土壤中土水运动参数进行了拟合计算分析研究。主要研究内容如下: (1)通过不同尺度的饱和、非饱和土柱实验,获得氟(氯)在不同质地、不同分层土壤条件下的运移规律,并利用拟合穿透曲线法反求出运移参数。重点研究了不同的加溶质方式对氟离子在土壤中运移规律的影响。结果表明:氟离子在粘粒含量高的的土壤中的阻滞因子和水动力弥散系数均大于粘粒含量低的土壤中的阻滞因子和水动力弥散系数。在加溶质方式上,同时注入NaF和NaCl混合溶液比单独注入NaF溶液在浓度峰值到达时间上要来得慢些,浓度峰值也小,但在清水淋滤过程中合加NaF和NaCl混合溶液时淋出氟的浓度比单加NaF溶液时要大,这表明钠离子的加入对氟离子的迁移起了促进作用。通过氟氯对比试验进一步明确了氟离子较氯离子更加活泼。(2)对各种不同配比的土壤进行了非饱和土水运动参数的大量实验研究,得到了土水特征曲线、非饱和导水率的关系,并利用VG模型对其进行了拟合分析研究。并将所得参数应用到非饱和—饱和土柱实验计算中,为氟运移理论模型的初步应用奠定基础。(3)通过大土柱和准三维大土槽物理模型实验对氟氯离子在垂向和水平方向上动态迁移特性进行了比较研究,得到了不同特性的运移规律。将小土柱物理模型率定的参数应用到大土槽中,并根据实验结果对参数作了修正。在模型编程计算时,为了减小流速波动对氟、氯离子运移的影响,在模型计算中流速没有按常规方法取平均流速,而是研究了分段流速计算的方法,结果表明,后种计算模拟方法更接近实验值。(4)为了探讨氟离子浓度在水平和垂直方向上的淋滤净化过程,采用经验公式对各测点氟离子浓度衰减变化进行拟合研究,表明其符合指数衰减曲线规律。为建立氟离子浓度峰值衰减与沿程距离的相关关系曲线,对水平和垂直两个方向分别采用二次多项式拟合,从相关系数看,两结果是一致的。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外地下水溶质运移研究现状

1.2.1 地下水质研究进展

1.2.2 非饱和土壤中溶质运移研究进展

1.2.3 数值模拟方法研究进展

1.2.4 溶质迁移参数的研究

1.3 氟污染研究现状

1.4 需要进一步研究的问题

1.5 本课题的研究意义

1.6 本文研究的主要内容及创新点

1.7 本文研究路线

第二章 污染物在土壤中迁移转化机理及模型研究

2.1 污染物在土壤中迁移转化机理

2.1.1 溶质的对流运移

2.1.2 水动力弥散

2.2 污染物在土壤中迁移转化模型

2.2.1 对流 - 弥散模型

2.2.2 方程各部分的意义

2.3 方程的物理边界和初始边界

2.3.1 初始条件

2.3.2 边界条件

2.4 对流 - 弥散方程求解方法

2.4.1 对流 - 弥散方程的解析解

2.4.2 对流 - 弥散方程的数值解

2.5 本章小结

第三章 非饱和土壤渗流特性实验

3.1 非饱和导水率实验研究

3.1.1 实验原理

3.1.2 实验装置及安装

3.1.3 非饱和导水率的计算

3.1.4 实验结果整理

3.2 土壤水分特性曲线研究

3.2.1 实验原理

3.2.2 实验装置

3.2.3 实验结果

3.3 VG模型实验参数的拟

3.3.1 土壤水分特征曲线的拟合

3.3.2 非饱和导水率曲线的拟合

3.4 本章小结

第四章 饱和 - 非饱和土壤溶质输运模型实验研究

4.1 实验监测装置与原理

4.1.1 实验监测装置

4.1.2 实验量测装置

4.1.3 实验装置实物图

4.2 饱和小土柱物理模型实验

4.2.1 实验材料和方法

4.2.2 实验项目

4.2.3 拟合穿透曲线法求溶质运移参数

4.2.4 土壤中氟、氯离子运移规律分析

4.3 非饱和分层土柱物理模型实验

4.3.1 实验材料和方法

4.3.2 分层土柱试验方案和试验过程

4.3.3 实验结果分析

4.3.4 分层土中氟氯离子运移规律比较

4.4 非饱和 - 饱和土柱物理模型实验

4.4.1 实验装置

4.4.2 土柱试验方案和试验过程

4.4.3 实验成果分析

4.5 土槽准三维物理模型实验

4.5.1 实验装置

4.5.2 实验材料和方法

4.5.3 土槽试验方案和试验过程

4.5.4 土槽实验结果分析

4.6 氟氯离子运移规律比较

4.7 本章小结

第五章 溶质运移实验与数值模拟计算对比研究

5.1 氟在土壤中的吸附特性研究

5.2 污染物在饱和带中迁移转化模型及计算分析

5.2.1 小土柱实验与模拟计算成果分析比较

5.2.2 大土槽模型实验的计算分析

5.3 污染物在非饱和分层土壤中迁移转化模型计算及分析

5.3.1 数学模型

5.3.2 模型参数

5.3.3 模拟计算结果与分析

5.4 污染物在饱和 - 非饱和带中迁移转化模型及计算分析

5.4.1 数学模型

5.4.2 模型参数

5.4.3 实验与模拟计算结果对比分析

5.5 本章小结

第六章 氟运移理论模型的初步应用研究

6.1 前言

6.2 研究区地质、水文地质概况

6.3 模型条件概化

6.4 数学模型

6.5 模拟区域的网格剖分及模型参数确定

6.6 计算分析结果

6.6.1 非饱和带计算结果分析

6.6.2 饱和带计算结果分析

6.7 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

附录

致谢

发布时间: 2006-01-16

参考文献

• [1].神华CCS示范工程场地储层表征与CO2运移规律研究[D]. 刁玉杰.中国矿业大学(北京)2017
• [2].天津地区垃圾污染物在岩土中的运移及净化作用研究[D]. 周相国.天津大学2009
• [3].汽油在土壤中运移规律研究[D]. 王喜.中国地质大学（北京）2009

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• [3].非饱和土中热—水力—力学—传质耦合过程模拟及土壤环境工程中的应用[D]. 武文华.大连理工大学2002
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• [5].氟在土—水系统中的迁移机理与含氟水的处理研究[D]. 董岁明.长安大学2004
• [6].填埋场污染物运移数值分析及安全防渗系统设计方法探讨[D]. 张金利.大连理工大学2006
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