一种评价无填充粗糙单裂隙中污染物运移特性的方法

摘要

本发明公开了一种评价无填充粗糙单裂隙中污染物运移特性的方法，其特征在于，具体包括：确定污染物种类和溶解性；利用分形理论建立粗糙单裂隙模型；基于有限单元法建立无填充粗糙单裂隙数值模型；针对可溶性污染物利用对流‑弥散方程评价污染物在裂隙中的运移过程；针对非水相液体污染物利用水平集法评价污染物在裂隙中的运移过程。本发明所达到的有益效果：1、本发明可实现评价可溶性污染物在裂隙中的运移特性；2、本发明可实现评价非水相液体污染物在裂隙中的运移特性；3、本发明获得的污染物在裂隙中运移参数可作为地下水污染修复的基础参数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种评价无填充粗糙单裂隙中污染物运移特性的方法，属于污染物运移特性评价技术领域。

背景技术

地下水污染是当前地下水资源面临的重大问题，解决地下水污染问题需要解决污染物在含水层介质中运移和修复两大难题，准确评价污染物在含水层介质中的运移特性是进行地下水污染有效修复的基本前提。含水层按介质类型主要分为孔隙含水层、裂隙含水层和岩溶含水层，孔隙含水层中污染物运移及修复问题研究最早，成果也最为丰富，但是裂隙含水层和岩溶含水层的高度非均质各向异性一直是困扰水文地质学界研究裂隙和岩溶中污染物运移和修复的难题。

污染物在裂隙介质中的运移可以在许多不同尺度上来考虑，在极其接近现场的尺度就是污染源附近的单一裂隙，具有填充的裂隙往往等效为多孔介质来考虑，但是非填充的粗糙单裂隙中水流和溶质运移机理与多孔介质的运移机理完全不同。大部分学者将非填充粗糙裂隙基于局部立方定律进行等效，虽然取得较好的研究成果，但是无法准确评价粗糙裂隙面对水流和污染物运移过程影响。

地下水污染物主要包括合成有机化合物、烃类、无机阳离子、无机阴离子、病菌以及放射性核素等。地下水污染物按溶解性可以分为可溶性污染物和非水相液体污染物，由于非填充裂隙中水流方程不再满足达西定律，故两者在非填充粗糙裂隙中的运移机理完全不同，如何运用合理的水流及溶质运移控制方程准确评价无填充粗糙单裂隙中污染物运移特性是急需攻克的难点。

发明内容

本发明的目的在于：建立平均隙宽和粗糙度不同的二维无填充单裂隙；评价可溶性污染物在饱和无填充粗糙单裂隙中的运移特性，尤其评价平均隙宽和裂隙粗糙度对穿透曲线的影响；评价非水相液体污染物在饱和无填充粗糙单裂隙中的运移特性，重点评价平均隙宽和裂隙粗糙度对污染物穿透饱和无填充裂隙的影响。

本发明采用如下技术方案：一种评价无填充粗糙单裂隙中污染物运移特性的方法，其特征在于，具体包括：确定污染物种类和溶解性；利用分形理论建立粗糙单裂隙模型；基于有限单元法建立无填充粗糙单裂隙数值模型；针对可溶性污染物利用对流-弥散方程评价污染物在裂隙中的运移过程；针对非水相液体污染物利用水平集法评价污染物在裂隙中的运移过程。

优选地，所述利用分形理论建立粗糙单裂隙模型包括利用人造二维裂隙；所述人造二维裂隙的建立由控制裂隙面特性的系统生成，改变粗糙裂隙的平均隙宽，通过增加分形维数生成一系列粗糙度增加的单裂隙模型。

优选地，所述基于有限单元法建立无填充粗糙单裂隙数值模型包括利用有限单元法基于多物理场数值计算平台COMSOL中的计算流体动力学模块建立无填充粗糙单裂隙二维数值模型，所述无填充粗糙单裂隙二维数值模型使用三角单元进行剖分。

优选地，针对可溶性污染物利用对流-弥散方程评价污染物在裂隙中的运移过程包括如下步骤：改变裂隙平均隙宽和粗糙度，在建立的无填充粗糙单裂隙数值模型中利用Navier-Stokes水流控制方程模拟无填充二维粗糙单裂隙中水流，再将Navier-Stokes水流控制方程与溶质对流-弥散方程耦合，最终评价平均隙宽和裂隙粗糙度对污染物穿透曲线的影响。

优选地，针对非水相液体污染物利用水平集法评价污染物在裂隙中的运移过程包括：改变裂隙平均隙宽和粗糙度，通过水平集法计算非水相液体污染物在无填充二维粗糙单裂隙中两相界面的运移过程，即在固定的二维粗糙裂隙有限单元网格中使用辅助方程追踪两相不混溶液体界面，同时考虑污染物和水两种流体的密度差、粘滞性差别以及界面张力和重力作用。

优选地，针对非水相液体污染物利用水平集法评价污染物在裂隙中的运移过程还包括：调用流体动力学模块中的水平集法流体运移控制方程，水平集法使用Navier-Stokes水流控制方程的非压缩流体公式计算液体流动；当非水相液体污染物在无填充裂隙中与裂隙面接触时，污染物和水两种液体界面存在毛细压力差：

式中p_c表示毛细压力，p_nw表示非水相液体中的压力；p_w表示水相液体中的压力；σ表示界面张力；θ_w表示两种液体界面与裂隙面的接触角；r_f表示裂隙中平均曲率半径；

当追踪非水相液体污染物和水在粗糙裂隙中的界面时，水平集法增加了一项辅助函数项：

式中为表示界面的辅助水平集函数，说明其代表区域为非水相液体，说明其代表区域为两相界面，说明其代表区域为水相液体；γ为重新初始化参数，单位为m/s；ε表示界面厚度；t_i表示时间，单位为s。

优选地，利用水平集法计算非水相液体污染物运移需要输入的主要参数有：非水相液体污染物密度、水的密度、非水相液体污染物动力粘滞系数、水的动力粘滞系数、重力加速度、界面张力系数、以及两相流体界面与裂隙面的接触角；同时需设定裂隙中非水相液体污染物分布的初始条件和边界压力值，通过记录裂隙中不同时刻污染物的体积分数，绘制非水相液体污染物运移过程曲线，评价裂隙平均隙宽和粗糙度对非水相液体污染物运移过程的影响。

本发明所达到的有益效果：1、本发明可实现评价可溶性污染物在裂隙中的运移特性；2、本发明可实现评价非水相液体污染物在裂隙中的运移特性；3、本发明获得的污染物在裂隙中运移参数可作为地下水污染修复的基础参数。

附图说明

图1是本发明的一种评价无填充粗糙单裂隙中污染物运移特性的方法的流程图；

图2是根据不同分形维数生成的单裂隙模型；

图中：1、分形维数2.0；2、分形维数2.1；3、分形维数2.2；4、分形维数2.3；5、分形维数2.4。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1是本发明的一种评价无填充粗糙单裂隙中污染物运移特性的方法的流程图；本发明提出一种评价无填充粗糙单裂隙中污染物运移特性的方法，其特征在于，具体包括：首先，确定污染物种类和溶解性，区分为可溶性污染物和非水相液体污染物；其次，利用分形理论建立粗糙单裂隙模型；再次，基于有限单元法建立无填充粗糙单裂隙数值模型；最后，针对可溶性污染物利用对流-弥散方程评价污染物在裂隙中的运移过程；最后，针对非水相液体污染物利用水平集法评价污染物在裂隙中的运移过程。

作为一种较佳的实施例，所述利用分形理论建立粗糙单裂隙模型包括利用人造二维裂隙；所述人造二维裂隙的建立由控制裂隙面特性的系统生成，改变粗糙裂隙的平均隙宽，通过增加分形维数生成一系列粗糙度增加的单裂隙模型。本实施例中，当生成人造裂隙时需要考虑在全波长内获取裂隙特性，单裂隙的上部裂隙面和下部裂隙面在长波长几何特性和表面特性相关，但是在短波长几乎互相独立，区分长波长和短波长的阈界限命名为“不匹配长度”。可以通过增加分形维数，利用随机数算法，设定不匹配长度以及无接触点生成一系列粗糙度增加的单裂隙。图2根据不同分形维数生成的单裂隙模型；图中：1、分形维数2.0；2、分形维数2.1；3、分形维数2.2；4、分形维数2.3；5、分形维数2.4。

作为一种较佳的实施例，所述基于有限单元法建立无填充粗糙单裂隙数值模型包括利用有限单元法基于多物理场数值计算平台COMSOL中的计算流体动力学模块建立无填充粗糙单裂隙二维数值模型，所述无填充粗糙单裂隙二维数值模型使用三角单元进行剖分。本实施例中，基于COMSOL计算平台，使用三角单元对二维粗糙裂隙进行有限单元剖分，为了能体现裂隙面的细微变化，保证数值计算过程的稳定性和收敛性，三角单元的尺寸使用变尺度，例如长度为100mm，平均隙宽为1.5mm的裂隙，建议使用最小单元尺寸为0.01mm，最大单元尺寸为0.15mm，单元尺寸递增系数最大设为1.3，则设置剖分参数一般可以满足计算精度要求。

作为一种较佳的实施例，针对可溶性污染物利用对流-弥散方程评价污染物在裂隙中的运移过程包括如下步骤：改变裂隙平均隙宽和粗糙度，在建立的无填充粗糙单裂隙数值模型中利用Navier-Stokes水流控制方程模拟无填充二维粗糙单裂隙中水流，再将Navier-Stokes水流控制方程与溶质对流-弥散方程耦合，最终评价平均隙宽和裂隙粗糙度对污染物穿透曲线的影响。本实施例中，调用流体动力学模块中的Navier-Stokes水流控制方程和对流-弥散方程，设定饱和裂隙中的水的密度、粘滞性、初始压力值、边界压力值。在对流-弥散方程中调用Navier-Stokes水流控制方程所求解裂隙中水流速度场，实现Navier-Stokes水流控制方程和对流-弥散方程的耦合。输入可溶性污染物入口浓度值、出口浓度值和弥散系数。为了保证耦合方程迭代计算的收敛性，计算时间间隔不宜过大，模型计算的总时长应足够长确保可以完整计算出口的污染物浓度穿透曲线。

作为一种较佳的实施例，针对非水相液体污染物利用水平集法评价污染物在裂隙中的运移过程包括：改变裂隙平均隙宽和粗糙度，通过水平集法计算非水相液体污染物在无填充二维粗糙单裂隙中两相界面的运移过程，即在固定的二维粗糙裂隙有限单元网格中使用辅助方程追踪两相不混溶液体界面，同时考虑污染物和水两种流体的密度差、粘滞性差别以及界面张力和重力作用。

作为一种较佳的实施例，针对非水相液体污染物利用水平集法评价污染物在裂隙中的运移过程还包括：调用流体动力学模块中的水平集法流体运移控制方程，水平集法使用Navier-Stokes水流控制方程的非压缩流体公式计算液体流动；当非水相液体污染物在无填充裂隙中与裂隙面接触时，污染物和水两种液体界面存在毛细压力差：

式中p_c表示毛细压力，p_nw表示非水相液体中的压力；p_w表示水相液体中的压力；σ表示界面张力；θ_w表示两种液体界面与裂隙面的接触角；r_f表示裂隙中平均曲率半径；

当追踪非水相液体污染物和水在粗糙裂隙中的界面时，水平集法增加了一项辅助函数项：

式中为表示界面的辅助水平集函数，说明其代表区域为非水相液体，说明其代表区域为两相界面，说明其代表区域为水相液体；γ为重新初始化参数，单位为m/s；ε表示界面厚度；t_i表示时间，单位为s。

作为一种较佳的实施例，利用水平集法计算非水相液体污染物运移需要输入的主要参数有：非水相液体污染物密度、水的密度、非水相液体污染物动力粘滞系数、水的动力粘滞系数、重力加速度、界面张力系数、以及两相流体界面与裂隙面的接触角；同时需设定裂隙中非水相液体污染物分布的初始条件和边界压力值，通过记录裂隙中不同时刻污染物的体积分数，绘制非水相液体污染物运移过程曲线，评价裂隙平均隙宽和粗糙度对非水相液体污染物运移过程的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。