非饱和带中水分迁移和污染物运移的数值模拟

摘要

在地下水污染形势日趋严重的今天，对地下水污染的防治已显得刻不容缓，并且对地下水污染的研究也是科学界的热门话题。在众多研究方法中，通过建立数学模型来研究地下水污染是一种较常用的方法。 在采矿活动中会产生大量的污水，会对地下水造成严重的污染。研究地下水污染对采矿活动有着十分重大的环保意义。 非饱和带的水分渗透主要与水力传导系数K和扩散率D有着密切的关系，而水力传导系数和扩散率在非饱和带中是含水率的函数，所以包气带中的水分运动方程属于非线性方程，具有复杂性，其迁移规律又与土壤中污染物的运移具有密切的关系，笔者通过建立包气带中水分运动模型，采用有效容积法对其进行数值模拟，得出含水率的空间分布，从而得出渗流场，把得到的渗流速度即对流速度带入对流弥散方程中并考虑固相颗粒的吸附的耦合作用，对污染物的运移进行数值模拟。此过程符合实际规律，对污染物在非饱和带运动规律进行了很好的解释和分析。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1问题的提出

1.2研究的意义

1.2.1非饱和带中含水率研究的意义

1.2.2溶质运移研究的意义

1.3研究现状

1.3.1地下水迁移的研究现状

1.3.2物质运移规律的研究现状

1.3.3地下水研究的数学模型

1.4本文研究的主要内容和目标

第二章非饱和带中水分迁移和物质运移的基本概念及理论

2.1地下水类型的划分

2.2在非饱和带中水分迁移基本概念

2.2.1孔隙度

2.2.2流体的平均速度

2.2.3渗流速度

2.2.4非饱和带中水力传导系数K

2.3关于非饱和流的水分迁移微分方程

2.3.1饱和-非饱和流的方程

2.3.2基本方程的各种形式

2.3.3非饱和流的水分迁移初始条件和边界条件

2.4非饱和带溶质运移的基本概念和理论

2.4.1流体动力弥散现象和机理

2.4.2影响浓度分布的各种因素

2.4.3溶液中的一种组分的质量守恒与对流扩散方程

2.4.4污染物在土体中迁移转化机理

第三章数值方法介绍

3.1数学模型建立的概化条件

3.2离散方法概述

3.2.1有限差分法(FDM)

3.2.2有限元法(FEM)

3.2.3有限体积法(FVM)

3.3空间区域的离散化

3.4解二维问题的交替方向隐式方法

3.5建立离散方程的控制容积积分法及平衡法

3.5.1控制容积积分法的实施步骤及常用的型线

3.5.2用控制容积积分法离散一维模型方程

3.5.3关于型线假设的进一步讨论

3.5.4由控制容积平衡法导出离散方程

3.5.5不同离散方法的比较

第四章水分迁移和污染物运移的数值模拟

4.1概述

4.2一维水分迁移的数值模拟

4.2.1无量纲化处理

4.2.2对区域离散

4.2.3对方程离散

4.2.4对边界点进行离散

4.2.5合并方程，形成系数矩阵

4.2.6编写程序框图

4.3一维浓度场方程的离散

4.3.1无量纲处理

4.3.2对区域离散

4.3.3对边界点进行离散

4.3.4对方程的离散

4.3.5合并方程，形成系数矩阵

4.3.6编写程序框图

4.4维水分迁移的数值模拟

4.4.1入渗问题

4.4.2降雨问题

4.4.3蒸发问题

第五章数值模拟分析和总结

5.1对含水率分布的分析和总结

5.1.1深度对含水率的影响

5.1.2时间对含水率的影响

5.1.3β对含水率的影响

5.1.4 B对含水率的影响

5.1.5 do对含水率的影响

5.1.6 M对含水率的影响

5.2对渗流分布的分析和总结

5.2.1β变化对渗流速度的影响

5.2.2 do变化对渗流速度的影响

5.2.3 入口含水率变化对渗流速度的影响

5.2.4 比表面积变化对渗流速度的影响

5.3对物质浓度分布的分析和总结

5.3.1孔隙率变化对物质浓度的影响

5.3.2扩散系数变化对物质浓度的影响

5.3.3曲折因子变化对物质浓度的影响

5.3.4吸附常数变化对物质浓度的影响

5.3.5颗粒吸附耦合作用与不耦合作用的对比

5.4二维问题三种边界含水率和浓度场分布规律的分析

5.4.1入渗问题

5.4.2降雨问题

5.4.3蒸发问题

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

作者攻读硕士学位期间发表的论文

致谢