[发明专利]一种评价无填充粗糙单裂隙中污染物运移特性的方法

说明书

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。

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。