[发明专利]用于单裂隙中溶质运移数值模拟的随机行走粒子追踪方法

说明书

一种用于单裂隙中溶质运移数值模拟的随机行走粒子追踪方法，包括：建立裂隙介质概念模型，将裂隙结构离散成二维计算网格，所述计算网格属性包括隙宽；建立裂隙介质地下水水流数学模型，计算得到模拟地下水水流场分布，并与实验观测值进行对比验证，获得接近裂隙真实分布的模拟裂隙结构；针对所述模拟裂隙结构及其对应的模拟地下水水流场分布，用随机行走粒子追踪方法对单裂隙介质中溶质运移进行模拟，获取溶质的分布。

技术领域

本发明涉及裂隙地下水中渗流与溶质运移的数值模拟领域，特别是关于一种用于单裂隙中溶质运移数值模拟的随机行走粒子追踪方法。

背景技术

含水介质广义上可分为孔隙介质、裂隙介质与岩溶介质。裂隙介质本身是透水性非常微弱的基岩，很多卫生垃圾填埋、放射性核废料处置等地下工程选择裂隙介质作为天然防渗层。随着此类工程的发展，其对地下水的影响受到越来越多的重视，裂隙介质中地下水水流和溶质运移研究也因此成为水环境管理和保护方面一个重要领域。

裂隙介质中地下水水流和溶质运移的主要通道是裂隙，相较于孔隙介质，对裂隙介质中地下水水流和溶质运移的数值模拟具有更大的难度。一方面裂隙介质具有强烈的非均质性，从现场获取的裂隙数据很难完整且准确的表达裂隙的真实分布。另一方面，在数值模拟中裂隙表面粗糙度、裂隙的分布和连通性、裂隙与岩体的相互作用等因素都会对地下水水流和溶质运移过程造成影响。

通常对于裂隙介质的数值模拟有单裂隙渗流概念模型和裂隙岩体渗流概念模型，后者包括等效连续体模型和离散裂隙网格模型，以及混合模型等。单裂隙渗流概念模型是假设岩体被一条裂隙切割，可将岩体概化成两个表面光滑且平行的平板，平板间隔代表裂隙，间隔大小代表隙宽。

研究单裂隙的水力特征是研究岩体裂隙渗流的基础。天然岩体裂隙均为粗糙裂隙，很难满足单裂隙渗流概念模型中光滑平板的假定。考虑裂隙表面粗糙度对裂隙水流的影响，就需要对单裂隙渗流概念模型进行修正。有关裂隙的参数估计是裂隙介质数值模拟的关键，特别是渗透系数，对表征地下水渗流及污染物浓度分布和运移状况至关重要。

在裂隙介质溶质运移问题中，除了要考虑裂隙中的渗流作用，还需要考虑水力弥散和分子扩散过程。传统的有限元和有限差分方法需要较高的计算成本，在裂隙介质污染物运移数值模拟中难以发挥作用。

发明内容

鉴于现有方案存在的问题，为了克服上述现有技术方案的不足，本发明提出了一种用于单裂隙中溶质运移数值模拟的随机行走粒子追踪方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于单裂隙中溶质运移数值模拟的随机行走粒子追踪方法，包括：建立裂隙介质概念模型，将裂隙结构离散成二维计算网格，所述计算网格属性包括隙宽；建立裂隙介质地下水水流数学模型，计算得到模拟地下水水流场分布，并与实验观测值进行对比验证，获得接近裂隙真实分布的模拟裂隙结构；针对所述模拟裂隙结构及其对应的模拟地下水水流场分布，用随机行走粒子追踪方法对单裂隙介质中溶质运移进行模拟，获取溶质的分布。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

考虑单裂隙介质的非均质性，采用地质统计学方法获取模拟隙宽分布，并通过重复用实验观测值验证模拟得到的水流场分布，获取最佳裂隙结构，相较于单裂隙渗流概念模型更接近岩体和裂隙的真实分布；

基于随机行走粒子追踪方法对单裂隙介质中溶质运移进行模拟，采用粒子模拟污染物，通过计算粒子在水流场中的位移获得粒子在不同时间点的位置，采用统计的方式获得污染物分布，相较于有限元和有限差分法可以更精细的刻画污染物的运移。

附图说明

图1为本发明实施例提供用于单裂隙中溶质运移数值模拟的随机行走粒子追踪方法的流程图；

图2为图1中步骤S2中的具体流程图；

图3为图1中步骤S3中的具体流程图。