一种有机污染场地热传导强化气相抽提的数值模拟方法技术

本发明专利技术提供了一种有机污染场地热传导强化气相抽提的模拟方法，包括：S1.建立热传导强化气相抽提有限元模型；S2.对热传导强化气相抽提有限元模型进行网格剖分；S3.根据实际场地修复工艺配置相应的参数；S4.对热传导强化气相抽提有限元模型进行控制计算参数设置；S5.对热传导强化气相抽提有限元模型进行自然条件初始化；S6.对热传导强化气相抽提有限元模型进行污染物初始浓度赋值；以及S7.执行热传导强化气相抽提数值模拟程序实现修复过程模拟。本发明专利技术解决了现有方法不能实现热传导与气相抽提耦合修复过程模拟的问题，可模拟修复过程中温度场与污染物的时空分布规律，为有机污染场地热传导强化气相抽提修复提供了参考和科学依据。和科学依据。和科学依据。

【技术实现步骤摘要】
一种有机污染场地热传导强化气相抽提的数值模拟方法


[0001]本专利技术涉及环境保护
，尤其涉及一种有机污染场地热传导强化气相抽提的数值模拟方法。

技术介绍

[0002]土壤气相抽提技术(Soil Vapor Extraction,SVE)作为一种常见的土壤原位修复技术，具有成本低廉、操作简单、效率高、对周边环境影响小等优势，能够高效去除土壤中的挥发性有机物。然而在常温情况下，SVE技术易受到土壤理化性质、污染物特性等因素的局限，通过与原位热修复技术进行耦合，可以扩大其适用范围并提高修复效率。其中，原位热传导(Thermal Conduction Heating,TCH)技术基于加热元件，通过土壤颗粒以及孔隙流体进行热传导使土壤升温可加速有机污染物的去除。因其修复周期短、二次污染可控、对土壤质地以及污染物性质的适用性较强且具有较高的修复效率，热传导强化气相抽提技术被普遍认为是一种极具前景的有机污染场地修复技术。
[0003]目前，污染场地热传导强化气相抽提工艺的设计与运行大多参照经验公式与有限的场地实践经验。然而，工艺修复效果受土壤质地、水文地质特性、井位布设、通气速率等多种因素共同影响。因此，减少能源浪费，对污染场地修复过程进行预测以实现精准化修复，必将是未来污染场地修复行业的趋势所在。
[0004]数值模拟技术作为一种科学研究与工程规划的重要手段，被广泛应用于各种工程实践中。目前，土壤地下水中有机污染物环境行为的预测模型主要包括TOUGH、STOMP和NAPL simulator。其中STOMP和NAPL simulator数值模型只能模拟土壤地下水中有机污染物的迁移过程，难以满足有机污染场地气相抽提技术修复效果预测的技术需求。
[0005]TOUGH 2软件中的TMVOC模块(TOUGH 2软件的商用可视化软件PertraSim里面的一个模块)能够模拟有机污染场地气相抽提修复过程中目标污染物的去除过程，并预测气相抽提技术对有机污染场地的修复效果。然而，TMVOC尚不具备模拟热传导加热过程的功能，导致有机污染场地热传导强化气相抽提数值模拟方法的研究近乎空白。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种有机污染场地热传导强化气相抽提的数值模拟方法，解决了现有方法不能实现热传导与气相抽提耦合修复过程模拟的问题，可模拟修复过程中温度场与污染物的时空分布规律，能够为有机污染场地热传导强化气相抽提修复提供有力的参考和科学依据。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：
[0008]专利技术的有机污染场地热传导强化气相抽提的数值模拟方法，包括以下步骤：S1.建立热传导强化气相抽提有限元模型：获取实际场地研究区域的几何参数进行模型搭建，在建模区域内，设置加热井、抽提井及测温井的布设方式；S2.对热传导强化气相抽提有限元模型进行网格剖分；S3.根据实际场地修复工艺配置相应的参数；S4.对热传导强化气相抽
提有限元模型进行控制计算参数设置；S5.对热传导强化气相抽提有限元模型进行自然条件初始化；S6.对热传导强化气相抽提有限元模型进行污染物初始浓度赋值；以及S7.执行热传导强化气相抽提数值模拟程序实现修复过程模拟，其中，热传导方式通过设计加热网格、设置加热材料并注入加热功率实现，气相抽提方式通过TMVOC模型内置模块实现。
[0009]优选地，在上述有机污染场地热传导强化气相抽提的模拟方法中，还包括对热传导强化气相抽提有限元模型进行拟合验证，其中，拟合优度评估方式采用线性回归方程R2表示，R2越接近1，模拟精度越高；拟合指标为温升数据和修复后氯苯浓度数据。
[0010]优选地，在上述有机污染场地热传导强化气相抽提的模拟方法中，在步骤S1中，实际场地研究区域的几何参数包括研究区域的拐点坐标、研究区域各类型土壤层厚度和保温层厚度，根据场地的实际尺寸1：1设置模型尺寸，其中，在建模区域内，加热井呈正三角形/正六边形分布，抽提井分布于正三角形的质心位置，测温井位于两加热井连成的线上。
[0011]优选地，在上述有机污染场地热传导强化气相抽提的模拟方法中，在步骤S2中，垂直方向上的网格剖分采用自定义法，根据具体污染分层进行设置；水平方向上的网格类型采用多边形网格，最大网格面积设置为0.5m2，最小改良角度设置为15
°
。
[0012]优选地，在上述有机污染场地热传导强化气相抽提的模拟方法中，在步骤S3中，参数包括污染物参数、土壤参数和工艺参数，其中，污染物参数包括水、空气和污染物分别在气、液、非水相液体三相中的扩散系数；土壤参数包括土壤密度、孔隙率、水平渗透率、垂直渗透率、热导率、比热容、相对渗透率、毛细管压力、有机碳含量；工艺参数包括加热功率、抽提速率、抽提压强。
[0013]优选地，在上述有机污染场地热传导强化气相抽提的模拟方法中，在步骤S4中，控制计算参数包括运行时间、步长、最大步数、每步最大迭代次数、共轭梯度求解器、最大迭代次数、收敛性判据、相对误差、绝对误差、导数增量因子、迭代最大残差。
[0014]优选地，在上述有机污染场地热传导强化气相抽提的模拟方法中，在步骤S5中，自然条件包括相态、压力、温度、含水率；顶层网格设置为大气边界，底层网格设置为固定边界，四周设置为无通量边界。
[0015]优选地，在上述有机污染场地热传导强化气相抽提的模拟方法中，在步骤S6中，所述污染物初始浓度赋值的方式为在设计的泄漏点附近设置源汇项以1.0
×
10
‑
10
～1.6
×
10
‑7kg/s的速率进行污染物的泄漏从而完成场地初始浓度的赋值，包括：1)以自然条件初始化完成的结果作为执行的初始条件；2)选择氯苯作为污染物，并进行氯苯的相关参数设置；3)设计污染物泄漏点分布、设置源汇项及持续泄漏速率，赋值时先将氯苯在空气中的扩散速率增大为3
×
10
‑
5m2/s，污染物泄漏“1”年后去除泄漏点，再将扩散速率改为正常值7.6
×
10
‑
6m2/s，自由迁移扩散“1”年使之接近初始污染状态；4)污染层全部赋值完成后启用所有污染层。
[0016]优选地，在上述有机污染场地热传导强化气相抽提的模拟方法中，步骤S7包括：1)以污染物初始浓度赋值完成的结果作为执行的初始条件；2)依据实际场地数据对模型进行加热井、抽提井及测温井的布设并设置相关参数，其中，所述加热材料的容重为7930g/cm3以及导热系数为16.8W/m.K，在加热网格源汇项中注入热功率520w/m，所述抽提井由TMVOC模型直接插入；3)运行周期T＝56天，将其划分为8个输出时间点，运行模拟程序；4)对模型运行结束后的输出结果进行可视化处理，得到场地热传导强化气相抽提的模拟修复效果云
图；5)对模型运行结束后的输出结果进行数据分析，得到场地的模拟升温规律曲线及污染物总质量的变化趋势曲线。
[0017]本专利技术的有益效果为：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有机污染场地热传导强化气相抽提的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.建立热传导强化气相抽提有限元模型：获取实际场地研究区域的几何参数进行模型搭建，在所述建模区域内，设置加热井、抽提井及测温井的布设方式；S2.对所述热传导强化气相抽提有限元模型进行网格剖分；S3.根据实际场地修复工艺配置相应的参数；S4.对所述热传导强化气相抽提有限元模型进行控制计算参数设置；S5.对所述热传导强化气相抽提有限元模型进行自然条件初始化；S6.对所述热传导强化气相抽提有限元模型进行污染物初始浓度赋值；以及S7.执行热传导强化气相抽提数值模拟程序实现修复过程模拟，其中，热传导方式通过设计加热网格、设置加热材料并注入加热功率实现，气相抽提方式通过TMVOC模型内置模块实现。2.根据权利要求1所述的有机污染场地热传导强化气相抽提的模拟方法，其特征在于，还包括对所述热传导强化气相抽提有限元模型进行拟合验证，其中，拟合优度评估方式采用线性回归方程R2表示，R2越接近1，模拟精度越高；拟合指标为温升数据和修复后氯苯浓度数据。3.根据权利要求1所述的有机污染场地热传导强化气相抽提的模拟方法，其特征在于，在步骤S1中，所述实际场地研究区域的几何参数包括研究区域的拐点坐标、研究区域各类型土壤层厚度和保温层厚度，根据场地的实际尺寸1：1设置模型尺寸，其中，在建模区域内，所述加热井呈正三角形/正六边形分布，所述抽提井分布于正三角形的质心位置，所述测温井位于两加热井连成的线上。4.根据权利要求1所述的有机污染场地热传导强化气相抽提的模拟方法，其特征在于，在步骤S2中，垂直方向上的网格剖分采用自定义法，根据具体污染分层进行设置；水平方向上的网格类型采用多边形网格，最大网格面积设置为0.5m2，最小改良角度设置为15
°
。5.根据权利要求1所述的有机污染场地热传导强化气相抽提的模拟方法，其特征在于，在步骤S3中，所述参数包括污染物参数、土壤参数和工艺参数，其中，所述污染物参数包括水、空气和污染物分别在气、液、非水相液体三相中的扩散系数；所述土壤参数包括土壤密度、孔隙率、水平渗透率、垂直渗透率、热导率、比热容、相对渗透率、毛细管压力、有机碳含量；所述工艺参数包括加热功率、抽提速率、抽提压强。6.根据权利要求1所述的有机污染场地热传导强化气相抽提的模拟方法，其特征在于，在步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷庆宝，孙超，马福俊，沈佳伦，孙宗全，
申请(专利权)人：中国环境科学研究院，
类型：发明
国别省市：