地下水曝气修复过程的数值模拟

论文摘要

随着经济的发展，土壤和地下水受到的有机物污染越来越严重。地下水曝气法（AS）和土壤气相抽提（SVE）作为挥发性有机物污染场地的重要原位土壤修复手段之一，越来越受到人们的关注。AS和SVE的数值模拟是重要的研究方向。数值模拟的理论模型分为集总参数模型和多相渗流模型两大类。多相渗流模型能够给出污染物运移的空间和时间分布，实用性更强。本文研究中基于多相渗流模型，对AS和SVE修复过程进行模拟。本文首先阐述了多相渗流和溶质运移的机理，以前人的理论模型为基础，选取AS和SVE核心物理过程，包括水和气的渗流、污染物随水和气的运移及其在水和气之间的转移等，建立了两相渗流和溶质运移的数学模型。文中以大坝渗流和SVE为例，对单相渗流问题进行了数值模拟，分析水气饱和度的时空分布特征，模拟结果同其他计算方法或实测结果吻合得较好。为了验证两相渗流模型的实用性，文中对AS的离心模型试验进行了模拟。模型对影响区域的模拟与试验结果符合得很好。通过对曝气影响区域的主要参数的分析本文得出：曝气压力增加，影响区域会迅速增大；考虑空气可压缩性对于影响区域大小影响不大，但是空气速率的计算结果会增大。本文对AS过程中污染物的去除过程进行了模拟。从模拟结果来看，AS的影响区域内的污染物可以较快去除。影响范围之外的区域，AS作用有限，主要靠污染物的自然降解去除。参数分析表明提高曝气压力对于提升曝气法的去除效果有显著作用。文中利用模型对AS和SVE联合作用进行分析，SVE的主要作用区域在非饱和区，对于地下水内污染物的去除过程影响很小。研究表明，两相渗流和溶质运移模型是模拟AS和SVE的有效方法。文中提出的数值模型与AS试验的结果符合得很好，也能够描述污染物去除过程。本文的模型中未考虑有机污染物自由相的渗流和挥发等过程，可以在以后的研究工作中进一步完善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 地下水污染现状
• 1.2 土壤、地下水修复技术
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 地下水修复过程的理论模型
• 2.1 地下水修复过程的理论模型分类
• 2.2 多相渗流模型的研究及应用
• 2.2.1 多相渗流模型对两相渗流过程的模拟
• 2.2.2 考虑NAPLs的运移、相间质量交换等过程的多相渗流模型
• 2.3 已有商业软件的特点
• 2.4 本章小结
• 第3章 多相渗流与污染物运移的耦合理论及实现方法
• 3.1 多相渗流的基本理论
• 3.1.1 多相渗流过程中需要考虑的因素
• 3.1.2 土壤性质
• 3.1.3 饱和与非饱和渗流基本理论
• 3.1.4 溶质运移与转化的基本理论
• 3.1.5 NAPLs的相间转移
• 3.2 两相渗流与溶质运移耦合过程控制方程推导
• 3.2.1 本文模型中考虑的因素
• 3.2.2 两相渗流流体运动方程
• 3.2.3 溶质运移与交换模型
• 3.2.4 两相渗流及溶质运移数学模型
• 3.3 其他数学模型简介
• 3.3.1 “不完全多相渗流”数学模型
• 3.3.2 考虑NAPL相的完全多相渗流模型
• 3.4 数值方法
• 第4章 单相渗流的数值模拟
• 4.1 非饱和渗流
• 4.1.1 理论模型
• 4.1.2 边界处理
• 4.1.3 大坝算例计算模型与参数
• 4.1.4 计算结果及分析
• 4.2 气体单相渗流的模拟
• 4.2.1 气体单相渗流的控制方程
• 4.2.2 土壤气相抽提试验模型
• 4.2.3 土壤气相抽提计算结果及对比
• 4.3 本章小结
• 第5章 地下水曝气过程的两相渗流模拟
• 5.1 两相渗流的试验验证
• 5.1.1 离心模型试验及结果
• 5.1.2 数值模拟结果
• 5.2 地下水曝气参数影响研究
• 5.2.1 基准算例计算结果
• 5.2.2 曝气压力的影响
• 5.2.3 土体类型的影响
• 5.2.4 是否考虑气体可压缩性的影响
• 5.2.5 采用流量边界的影响
• 5.3 地下水曝气瞬态过程模拟
• 5.4 本章小结
• 第6章 AS 作用下污染物去除过程模拟
• 6.1 计算模型、求解方法和计算参数选取
• 6.2 计算结果及分析
• 6.2.1 水中污染物的变化过程
• 6.2.2 曝气过程中水和气中的污染物交换速率变化过程
• 6.3 影响去除效果的因素分析
• 6.3.1 曝气压力的影响
• 6.3.2 考虑污染物降解的影响
• 6.4 本章小结
• 第7章 AS与SVE联合作用去除地下水中污染物
• 7.1 AS与SVE联合作用技术
• 7.2 AS和SVE联合作用计算模型
• 7.3 水饱和度分布
• 7.4 污染物去除过程
• 7.5 本章小结
• 第8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