發(fā)布時間：2017-12-23 18:04

  本文關(guān)鍵詞：低滲透介質(zhì)中-維溶質(zhì)運移實驗與模擬研究　出處：《中國地質(zhì)大學》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：隨著經(jīng)濟、社會、工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,地下水的污染越來越嚴重,而污染物在土壤中的運移不僅受到物理、化學、生物等多種活動的支配,還受土壤質(zhì)地、孔隙結(jié)構(gòu)、空間變異的影響。為探究溶質(zhì)在土壤中的運移規(guī)律,許多學者做了相關(guān)研究,但這些研究主要集中在中高滲透介質(zhì)中,對于低滲透介質(zhì)中的污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的相關(guān)研究還很少。低滲透介質(zhì)中滲流表現(xiàn)出一定的非達西現(xiàn)象,基于達西定律的對流——彌散方程(CDE)在描述溶質(zhì)運移時或許不再適用,為了探索低滲透介質(zhì)中溶質(zhì)運移規(guī)律,尋找描述溶質(zhì)運移過程的最佳數(shù)學模型,有必要對低滲透介質(zhì)溶質(zhì)運移進一步研究。為了使研究更加全面,本文開展了多種因素影響下低滲透介質(zhì)中一維溶質(zhì)穿透及淋濾實驗研究,分別為同直徑不同介質(zhì)長度、同介質(zhì)長度不同直徑及螺紋內(nèi)壁三種條件下的溶質(zhì)運移及實驗,實驗中測量滲透流速并采用便攜式電導(dǎo)率儀測量滲出液電導(dǎo)率值,繪制溶質(zhì)運移過程中電導(dǎo)率變化曲線,在實驗的基礎(chǔ)上分析滲透流速在穿透及淋濾階段的變化規(guī)律,探索溶質(zhì)的運移規(guī)律。獲取各組實驗數(shù)據(jù)后分別采用對流——彌散方程(CDE)、兩區(qū)模型(TRM)、隨機對流——彌散模型(SC)和連續(xù)時間隨機游走模型(CTRW)擬合溶質(zhì)運移穿透曲線,得到相關(guān)的模型參數(shù)。通過對比不同條件下的擬合結(jié)果及對擬合參數(shù)的分析,總結(jié)低滲透介質(zhì)中短土柱溶質(zhì)運移規(guī)律。獲取穿透曲線的擬合參數(shù)后,結(jié)合淋濾實驗的滲透速率,計算出各土柱的彌散系數(shù),將相關(guān)參數(shù)輸入模型,利用CDE、TRM、SC和CTRW預(yù)測土柱的淋濾過程,將預(yù)測值與觀測值進行對比分析。綜合各模型在穿透及淋濾過程中的擬合效果,分析模型的優(yōu)缺點并對擬合結(jié)果的差異做機理分析,在上述基礎(chǔ)上提出能較好描述低滲透介質(zhì)中溶質(zhì)運移的數(shù)學模型。通過本文的研究,得到以下結(jié)論：1.低滲透介質(zhì)溶質(zhì)運移過程中滲透流速經(jīng)歷了平穩(wěn)期——下降期——平穩(wěn)期三個階段。下降期的出現(xiàn)一方面是由于將NaCl溶液換為自來水后,水力梯度不變,而溶液濃度減小,土柱所受的水壓力減��；另一方面換溶液過程中土體經(jīng)過卸荷為零后再加荷的過程,粘土變形后形成的新孔隙結(jié)構(gòu)的連通性和直徑遠遠小于原來的孔隙通道,使粘土的滲透特性大大降低,當土體結(jié)構(gòu)形成新的穩(wěn)定狀態(tài)后,滲透流速又會趨于穩(wěn)定。2.土柱直徑、介質(zhì)長度及內(nèi)壁粗糙度會影響滲透流速。穿透階段：直徑越大,滲透流速越快；介質(zhì)越長,流速越慢；內(nèi)壁粗糙的土柱中的滲流速率明顯小于內(nèi)壁光滑的土柱。淋濾階段：土柱直徑和介質(zhì)長度對速率的影響與穿透階段相反,內(nèi)壁粗糙度對其影響極小。3. CDE、TRM、SC和CTRW在描述低滲透介質(zhì)中不同條件下穿透過程時擬合效果都較好,土柱中溶質(zhì)穿透過程基本是Fick運移。穿透過程：CDE和TRM擬合出的彌散度尺度效應(yīng)較明顯；SC擬合效果雖好,但彌散度與其它方法相差甚遠；CTRW中vψ的擬合結(jié)果顯示土柱直徑會影響溶質(zhì)粒子的平均運移速度與水流平均速度的關(guān)系：小直徑土柱中溶質(zhì)粒子的平均運移速度小于水流的平均流速(CDE中v),反之。四個模型中,CTRW在一定程度上彌散度的尺度效應(yīng)不明顯,其擬合效果最好。4.低滲透介質(zhì)中溶質(zhì)運移的淋濾過程表現(xiàn)了明顯的拖尾現(xiàn)象,CDE, TRM和SC對淋濾過程的預(yù)測效果都不好。TRM不同條件下預(yù)測效果不同：同直徑不同介質(zhì)長度條件下,TRM的預(yù)測效果受可動水體含量變化影響,不同直徑同介質(zhì)長度條件下,TRM的預(yù)測效果隨著土柱直徑的增大而變好。SC對淋濾的預(yù)測效果相對CDE和TRM稍好,預(yù)示著淋濾過程中溶質(zhì)在低滲透介質(zhì)中的運移小范圍內(nèi)可能存在部分流管模式的運移。5.CTRW是四種方法中的擬合效果最好的。淋濾階段,小直徑土柱中的預(yù)測效果明顯比大直徑中的好,CTRW更適合預(yù)測低滲透介質(zhì)中小直徑土柱的溶質(zhì)淋濾過程。此外,CTRW淋濾的預(yù)測效果受土柱中優(yōu)先流的影響較大：優(yōu)先流明顯條件下,CTRW更適合于短土柱的淋濾過程預(yù)測,而優(yōu)先流不明顯或不存在條件下,該方法更適合于長土柱。
【學位授予單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：X131.3

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本文編號：1324910