一种寒冷区域内多孔介质中LNAPL迁移模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种寒冷区域内多孔介质中LNAPL迁移模拟方法，基于COMSOL Multiphysics模拟多孔介质水

【技术实现步骤摘要】
一种寒冷区域内多孔介质中LNAPL迁移模拟方法


[0001]本专利技术涉及污染水文地质领域，尤其涉及一种寒冷区域内多孔介质中LNAPL迁移模拟方法。

技术介绍

[0002]随着石油化工业的发展，非相有机污染物(NAPL)在其炼制、贮存及运输过程中泄漏至环境，对人类健康造成严重威胁，是土壤及地下水污染治理的重要对象。我国季节性冻土面积广阔，北方相当长的时间处于冬季冻结状态。建立冻结条件下饱和
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非饱和带的LNAPL运移模型有利于预测冻土区LNAPL泄漏后在土壤
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地下水中的分布迁移，有利于寒区的LNAPL污染修复治理。
[0003]数值模拟作为一种预测NAPL在土壤—地下水中迁移分布的重要手段，在NAPL污染防治及油气开采中都得到了广泛应用，目前关于三相流在饱和
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非饱和带中的模拟已经相对成熟。有关在饱和带中不同降雨速率、介质非均质性及NAPL泄漏速率、地下水流速下的NAPL两相流模型已比较完善[施小清,吴吉春,刘德朋,等.饱和介质中重非水相液体运移的数值模拟及敏感性分析[J].南京大学学报(自然科学版),2011,47(3):299
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307.Yang Z B,Zandin H,Niemi A,et al.The role of geological heterogeneity and variability in water infiltration on non
‑
aqueous phase liquid migration[J].Environmental Earth Sciences,2013,68(7):2085
‑
2097.郑菲,高燕维,施小清,等.地下水流速及介质非均质性对重非水相流体运移的影响[J].水利学报,2015,46(8):925
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933.]。而在非饱和带，一些二维实验研究了NAPL的运移，并对运移过程进行了数值模拟。NAPL在包气带的迁移涉及到水相
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气相
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NAPL相三相共存，通常的模拟方法是使用三相的达西定律并将两两相间的压强关系通过毛细压力联系起来。求解三相流方程所需的相对渗透率、有效饱和度与毛细压力的关系模型一般采用VG经验关系式以及Brooks
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corey关系式。对于三相间的物质质量转换则采用局部平衡假设关系式。Lenhard等通过建立自由相、残余相和截留相NAPL与流体水头的函数关系式建立了NAPL在非饱和带
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饱和带的迁移模型，预测了其分布及渗透率,但未进行该模型实验校正[Lenhard R J,Rayner J L,Davis G B.A practical tool for estimating subsurface LNAPL distributions and transmissivity using current and historical fluid levels in ground water wells:Effects of entrapped and residual LNAPL[J].Journal of Contaminant Hydrology,2017,205:1
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11.]。之后进行的补充实验验证中考虑了滞留作用，COMSOL Multiphysics软件被用于三相流的数值模拟。
[0004]迄今，寒区冻结条件下LNAPL的迁移研究仍相对较少。少数学者开展了实验研究。研究表明LNAPL在冻结条件下泄漏后在土壤包气带及地下水中的迁移因为冰晶影响会与非冻结条件下的迁移图像有所不同，冰晶有效阻止石油垂直迁移，加强石油沿优先流路径下渗及在地表浅层水平流动，但即使完全冰饱和的土壤也表现出一定的冰渗透性[Biggar K W.Site investigations of fuel spill migration into permafrost[J].Journal of Cold Regions Engineering,1998,12(2):84
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104.Chuvilin E M,Naletova N S,
Miklyaeva E C,et al.Factors affecting spreadability and transportation of oil in regions of frozen ground[J].Polar Record,2001,37(202):229
‑
238.Barnes D L,Wolfe S M.Influence of Ice on the Infiltration of Petroleum into Frozen Coarse
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grained Soil[J].Petroleum Science and Technology,2008,26(7
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8):856
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867.]。且在冻结条件下，土壤包气带伴随冻结滞水的形成，饱和水汽压作用减小，而毛管作用得以加强[徐树林,那平山,武俊英.关于冻结滞水的探讨[J].内蒙古林学院报,1994,(2):46
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51.],地下水中石油污染物及LNAPL ganglia在冻结势和基质势作用下会向冻结峰积聚，且有部分石油汇聚于表层[Singh K,Niven R K.Non
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aqueous Phase Liquid Spills in Freezing and Thawing Soils:Critical Analysis of Pore
‑
Scale Processes[J].Critical Reviews in Environmental Science and Technology,2013,43(6):551
‑
597.李兴柏,李国玉.温度梯度对多年冻土区石油迁移影响的研究[J].甘肃科学学报,2013,25(01):73
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76.]。国内也有少数学者通过室内冻结箱实验开展LNAPL于冻结条件下的迁移规律研究[多孔介质内油、水介质迁移对比低温实验[J].当代化工,2016,45(06):1108
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1111.]。然而由于冻结固相(冰)的存在，需将温度场与LNAPL迁移所涉及的渗流场、化学场耦合，同时多相多场耦合问题求解往往不易收敛，有关冻结条件下气相、水相、NAPL相三相运移模拟尚未见相关报道。
[0005]常见的刻化常温非冻结条件下NAPL于饱和带、非饱和带中迁移分布的模拟方法。由于冻结固相(冰)的存在，需将温度场与LNAPL迁移所涉及的渗流场、化学场耦合，同时多相多场耦合问题求解往往不易收敛，现有的模拟方法往往不考虑冻结作用对LNAPL迁移的影响，仅适用于我国南方非冻结地区的NAPL污染的修复指导，无法为北方冻土区冬季NAPL泄漏的修复提供指导。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种寒冷区域内多孔介质中LNAPL迁移模拟方法，基于COMSOL Multiphysics模拟多孔介质水
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气
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NAPL的三相流动模型，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过建立LNAPL迁移和LNAPL的存在状态及相互转化过程的控制方程构建流场；所述控制方程包括基于质量守恒定律的四相控制方程，自由相LNAPL在水中的溶解的过程表达方程，自由相LNAPL挥发于空气的过程表达方程，溶于水的LNAPL挥发于空气的过程表达方程和溶于水中的LNAPL吸附于土壤骨架的过程表达方程；基于van Genuchten方程和Parker模型的毛细压力、相对渗透率、饱和度关系方程，(2)通过建立多孔介质传热方程构建温度场，在所述三相流的源项增设冰的融化潜热项，并基于热量守恒建立多孔介质传热方程；(3)通过未冻水和冻结冰的经验关系式对温度场和流场的耦合；所述经验关系式为：式中：B(T)为比例系数，T
f
为起始冻结温度/绝对温度，系数1.1为水与冰的密度之比，S
i
为冰相相对饱和度，S
w
为水相的相对饱和度；(4)通过建立溶解相
‑
挥发相LNAPL质量平衡方程构建化学场，并通过质量转换项实现与流场的耦合；(5)采用COMSOLMultiphysics对步骤(1)～(4)中所述的表达方程计算求解，得到LNAPL迁移规律。2.根据权利要求1所述的LNAPL迁移模拟方法，其特征在于，步骤(1)中，所述四相控制方程为：方程为：方程为：式中：ε、ε1为冻结时和未冻时的孔隙度，S
w
、S
N
、S
G
分别为水相、LNAPL相、气相的饱和度，S
i
为冰相相对饱和度，ρ
i
、ρ
w
、ρ
N
、ρ
G
分别为冰相、水相、LNAPL相、气相的密度，V
W
、V
N
、V
G
分别为水相、LNAPL相、气相的达西流速，分别LNAPL溶于水、LNAPL挥发至气相、溶于水的LNAPL挥发于气相、溶于水的LNAPL吸附于土壤骨架的速率。3.根据权利要求1所述的LNAPL迁移模拟方法，其特征在于，步骤(1)中，所述毛细压力、相对渗透率、饱和度关系方程中K
‑
S关系式为：
式中：k
rW
、k
rG
、k
rN
分别为水、气、LNAPL的相对渗透率，Srw、Srg、Srn分别为水、气、LNAPL的相对饱和度，SrTw为总的液相饱和度。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴吉春，扶晓琴，施小清，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：