一种温度场耦合驱动下土壤-地下水有机污染运移数值模拟方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种温度场耦合驱动下土壤

【技术实现步骤摘要】
一种温度场耦合驱动下土壤
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地下水有机污染运移数值模拟方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种温度场耦合驱动下土壤
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地下水有机污染运移数值模拟方法及系统，属于地球科学与工程领域。

技术介绍

[0002]有机污染已经成为了全球性的环境问题，而土壤
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地下水作为主要的环境介质正面临着有机污染物的严重威胁，并以此影响着社会生产活动和居民生活。自然环境中常见的有机污染物通常难溶于水，因此这类有机物被称为非水相液体(NAPLs，Non
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aqueous Phase Liquids)，其中，比重大于1的为重非水相液体(DNAPL)，反之为轻非水相液体(LNAPL)。有机物泄漏进入土壤
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地下水系统后，在包气带中呈现气相
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吸附相
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NAPL相共存的状态，进入地下水中则会转化为溶解相
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吸附相
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NAPL相共存的状态，并且不同相之间会相互转化，使得多相流体系中有机污染物迁移过程十分复杂。有机物在含水层中的迁移和分布受诸多因素控制，如NAPL相有机物通过土壤向下渗透，在非饱和带的迁移过程中，一部分污染物会被土壤颗粒吸附，转化为吸附相，部分具有高蒸汽压的LNAPLs会直接在土壤中挥发，成为气相。当LNAPLs运移到饱和带界面处时，会在潜水面处积聚，并沿着水力梯度方向横向扩散；而DNAPLs会克服油
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水界面的毛细张力通过边界进入饱水带并继续下渗，并在含水层底部积聚。而DNAPL在地下水流和地形坡度的作用下发生横向迁移并缓慢而持续地溶解于地下水中，随着地下水流不断迁移，从而导致地下水和土壤的污染范围和程度不断加深。
[0003]目前的研究主要是通过室内试验研究NAPLs在含水介质中的单相流、两相流、多相流情形下的运移特征，并建立相应的数值模型，探讨NAPLs理化性质、含水介质的非均质性变化、饱和度变化及水化学条件的变化对污染物运移行为的影响作用和程度，而温度是有机物迁移过程中重要的影响因素，不但会改变土壤
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地下水介质的理化性质，还会影响有机污染物的性质及驱动，从而改变有机污染物在土壤
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地下水系统中的迁移分布。因此，揭示温度对有机物在土壤
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地下水系统中的迁移影响机制对于场地污染防治与修复具有重要意义。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：针对上述现有技术的缺乏，本专利技术的目的在于提供一种温度场耦合驱动下土壤
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地下水有机污染运移数值模拟方法及系统，该方法能够考虑温度改变有机污染物的理化性质及其驱动参数，进而影响其在土水介质中的迁移及空间分布，构建了非等温多相流溶质运移模型来模拟温度场影响场地有机污染物迁移的过程。
[0005]技术方案：本专利技术具体采用如下技术方案：温度场耦合驱动下土壤
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地下水有机污染运移数值模拟方法，包括如下步骤：
[0006]步骤SS1：确定温度场耦合驱动下有机污染物运移模型的基本参数，所述模型基本
参数包括：地质结构模型的地层密度、孔隙度、渗透率，相对渗透率，毛细压力，非等温多相流模型的大气压强、水力梯度和温度梯度，非等温多相流溶质运移模型的有机污染物密度、粘度、溶解度、扩散率，以及有机物泄露位置及泄露速率；
[0007]步骤SS2：根据步骤SS1收集的模型参数设置地层的岩性参数以建立地质结构模型，并进行网格剖分；
[0008]步骤SS3：在步骤SS2中所建地质结构模型的基础上，根据质量和能量守恒的基本方程、多相流控制方程、温度场方程建立非等温多相流模型，
[0009]步骤SS4：确定非等温多相流模型的初始条件、边界条件、进行求解，以计算模拟区域的渗流速度和温度的时间和空间分布；
[0010]步骤SS5：在步骤SS4获得的非等温多相流模型结果的基础上，结合温度与理化性质及驱动参数耦合数学方程建立非等温多相流溶质运移模型。
[0011]步骤SS6:设置非等温多相流溶质运移模型中有机污染物的理化性质、扩散率、以及泄露速率参数，并确定模型的初始条件，源汇项；
[0012]步骤SS7：求解非等温多相流溶质运移模型以得到模拟区内时间上和空间上有机物各相饱和度的分布，刻画出有机污染物泄露后的迁移规律，完成温度场耦合驱动下有机污染物土壤
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地下水系统中运移的数值模拟。
[0013]作为一种较佳的实施例，所述步骤SS3中的非等温多相流模型及步骤SS5中的非等温多相流溶质运移模型；
[0014]所述步骤SS3中的非等温多相流模型的建立过程为：
[0015](1)采用渗流场方程、质量和能量守恒方程、多相流控制方程计算模型中渗流速度的空间和时间分布、各组分质量、组分各相饱和度：
[0016]a.渗流场方程
[0017][0018]式中，ρ为流体密度；v
βx
,v
βy
,v
βz
为渗流速度v在三个坐标轴上的分量；Δx、Δy、Δz为单元体体积，t为时间，n为孔隙度，S为相饱和度；
[0019]b.质量和能量守恒方程：
[0020][0021]式中：m为流动区单元体表面的外向单位矢量；M
κ
为组分κ在单位土壤介质中质量，V
m
为流动单元体的体积；Γ
m
为流动单元体的表面积；F
κ
为进入到流体单元体的组分κ的总通量；q
κ
为组分κ在单元体的源汇相；
[0022]c.多相流控制方程：
[0023][0024]式中，β是指示相，为组分κ的β相通量,k为总渗透率，k
γβ
为β相的相对渗透率，处于0到1之间，ρ
β
为β相的密度；μ
β
是β相的动力黏度；P
β
是β相中的流体压力；g重力矢量；
[0025](2)使用温度场方程计算得到在考虑热量交换以及各种反应引起的热量变化导致温度变化下模型在x、y、z方向上的温度梯度分布情况：
[0026][0027]式中：C
m
、C
w
分别为多孔介质和水的热容量，J/(m3·
℃)；T为模拟区的温度，℃；λ
xx
、λ
yy
、λ
zz
为x、y、z方向的热动力弥散系数，J/(m
·
d
·
℃)，Vx、Vy、Vz为x、y、z方向的渗流速度，f1为单位时间单位体积含水层内由其它的化学反应或者微生物活动引起的热量变化，J/(t
·
m3)。
[0028]所述步骤SS5中的根据温度与理化及驱动参数耦合数学方程建立非等温多相流溶质运移模型，从污染物密度、粘度、溶解度、饱和蒸气压方面确定温度与有机物物化性质以及驱动过程参数的耦合关系：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种温度场耦合驱动下土壤
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地下水有机污染运移数值模拟方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤SS1：确定温度场耦合驱动下有机污染物运移模型的基本参数，所述模型基本参数包括：地质结构模型的地层密度、孔隙度、渗透率，相对渗透率，毛细压力，非等温多相流模型的大气压强、水力梯度和温度梯度，非等温多相流溶质运移模型的有机污染物密度、粘度、溶解度、扩散率，以及有机物泄露位置及泄露速率；步骤SS2：根据步骤SS1收集的模型参数设置地层的岩性参数以建立地质结构模型，并进行网格剖分；步骤SS3：在步骤SS2中所建地质结构模型的基础上，根据质量和能量守恒的基本方程、多相流控制方程、温度场方程建立非等温多相流模型，步骤SS4：确定非等温多相流模型的初始条件、边界条件、进行求解，以计算模拟区域的渗流速度和温度的时间和空间分布；步骤SS5：在步骤SS4获得的非等温多相流模型结果的基础上，结合温度与理化性质及驱动参数耦合数学方程建立非等温多相流溶质运移模型；步骤SS6：设置非等温多相流溶质运移模型中有机污染物的理化性质、扩散率、以及泄露速率参数，并确定非等温多相流溶质运移模型的初始条件，源汇项；步骤SS7：求解非等温多相流溶质运移模型以得到模拟区内时间上和空间上有机物各相饱和度的分布，刻画出有机污染物泄露后的迁移规律，完成温度场耦合驱动下有机污染物土壤
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地下水系统中运移的数值模拟。2.根据权利要求1所述的温度场耦合驱动下土壤
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地下水有机污染运移数值模拟方法及系统，其特征在于，所述步骤SS3中的非等温多相流模型构建过程如下：(1)采用渗流场方程、质量和能量守恒方程、多相流控制方程计算模型中渗流速度的空间和时间分布、各组分质量、组分各相饱和度：a.渗流场方程为：式中，ρ为流体密度；v
βx
,v
βy
,v
βz
为渗流速度v在三个坐标轴上的分量；Δx、Δy、Δz为单元体体积，t为时间，n为孔隙度，S为相饱和度；b.质量和能量守恒方程：式中：m为流动区单元体表面的外向单位矢量；M
k
为组分κ在单位土壤介质中质量，V
m
为流动单元体的体积；Γ
m
为流动单元体的表面积；F
k
为进入到流体单元体的组分κ的总通量；q
k
为组分κ在单元体的源汇相；c.多相流控制方程：式中，β为指示相，为组分κ的β相通量，k为总渗透率，K
γβ
为β相的相对渗透率，处于0
到1之间，ρ
β
为β相的密度，μ
β
是β相的动力黏度，P
β
是β相中的流体压力，g重力矢量；(2)使用温度场方程计算得到在考虑热量交换以及各种反应引起的热量变化导致温度变化下模型在x、y、z方向上的温度梯度分布情况：式中：C
m
、C
w
分别为多孔介质和水的热容量，J/(m3·
℃)；T为模拟区的温度，℃；λ
xx
、λ
yy
、λ
zz
为x、y、z方向的热动力弥散系数，J/(m
·
d
·
℃)，v
x
、v
y
、v
z
为x、y、z方向的渗流速度，f1为单位时间单位体积含水层内由其它的化学反应或者微生物活动引起的热量变化，J/(t
·
m3)。3.根据权利要求2所述的温度场耦合驱动下土壤
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地下水有机污染运移数值模拟方法及系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨蕴，崔孜铭，张弛，张蔚，王锦国，窦智，陈舟，庄超，
申请(专利权)人：浙江省环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：