[发明专利]一种电动辅助原位高级氧化修复的数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种电动辅助原位高级氧化修复的数值模拟方法，属于数值模拟方法体系，本发明首先通过初始化研究区设置，确定研究区的概念模型、化学物质设置以及初始条件和边界条件。随后，基于网格的自适应剖分，设置模拟节点数量。基于迁移‑反应算子分离法在COMSOL软件中考虑以能斯特‑普朗克‑泊松方程建立的迁移模型，刻画与地下水中物质迁移相关的对流、弥散、电迁移、电渗流等过程；在PHREEQC中考虑污染物降解过程中发生的高级化学氧化反应相关过程；最后形成CPM‑ISCO数值模拟方法，可以实现精细模拟电动辅助原位高级氧化修复过程。相对现有计算模型，CPM‑ISCO能实现精细刻画多维、多反应的电动辅助原位高级氧化修复数值模拟过程。

技术领域

本发明涉及一种数值模拟方法体系，具体涉及一种可用于精细刻画电动辅助原位高级氧化修复过程的数值模拟方法。

背景技术

近年来由于经济社会的发展，部分地块受到了一定程度的土壤和地下水污染，而低渗透介质的存在给相关水-土修复技术的应用带来了巨大的挑战。电动辅助原位高级氧化修复为这一领域的修复提供了一个新的思路，而数值模拟修复过程可以预测、评估物质迁移和修复效率，为修复过程提供指导。

目前已有的地下水数值模拟方法大多限于水力梯度控制流或一维条件，且模拟反应较为简单，对电动辅助原位高级氧化修复过程可能出现的多场耦合过程，多级动力学，多类动力学反应刻画不全面。进行电动辅助原位高级氧化修复过程数值模拟需要进行多场-多反应耦合，其技术门槛较高，且应用时操作复杂，建立通用的电动辅助原位高级氧化修复数值模拟方法体系可实现数值模拟效率和精度的提升。COMSOL和PHREEQC作为多场耦合和反应领域通用的模拟软件可作为方法构建基础，进一步拓展并应用于电动辅助原位高级氧化修复数值模拟过程。

发明内容

本发明针对现有地下水数值模拟程序不能较好的模拟电动类辅助原位高级氧化修复过程，以及模拟过程中出现的多离子、多反应修复效率评估不足等的问题，构建基于COMSOL和PHREEQC的数值模拟方法体系，利用COMSOL来计算物质迁移的对流、弥散、电迁移项等；利用PHREEQC来处理水相物质分配和高级氧化过程涉及的多级，多类氧化还原反应，最终拓展建立的EK-ISCO耦合模型，实现对电动辅助原位高级氧化修复的精确刻画。

本发明是这样实现的：

一种电动辅助原位高级氧化修复的数值模拟方法，其特征在于，所述的方法步骤如下：

步骤一、对COMSOL和PHREEQC软件内的设置进行初始化，确定研究区的概念模型、涉及研究区结构定义、化学物质设置，初始和边界条件设置，并基于网格的自适应剖分，设置模拟节点数量；

步骤二、利用运移-反应算子分离法，分别计算迁移与反应过程；其中，迁移项由COMSOL进行多场耦合环境刻画，具体包括水力梯度下的对流，浓度梯度下的弥散，电势梯度下的电迁移、电渗流及可能发生的电极反应；反应项则由PHREEQC进行水相物质分配、以及高级氧化修复的多类，多级氧化动力学方程的刻画；

步骤三、基于PHREEQC为内核，为输入界面重构的EK-ISCO模块来处理各级动力学氧化还原反应；

步骤四、迁移与反应模拟耦合过程是逐步长进行的：本步长内，COMSOL计算得到的物质空间分布结果被导入至PHREEQC内计算各类反应；之后PHREEQC中计算得到的新浓度数据被视为初始条件带入下一个步长进行运移模拟；由MATLAB内编译的子程序控制模拟步长及模拟时长；基于自编译得到耦合计算模块，组合形成CPM-ISCO数值模拟流程，实现精细模拟电动辅助微生物修复过程。

步骤五、在完成指定数目步长的数值模拟后，将所有结果导入至COMSOL或在外部程序中进行后处理。

进一步，步骤二中基于能斯特-普兰克-泊松多场环境刻画：

宏观尺度下，使用能斯特-普朗克方程来描述某种物质i移动行为，其通量表达式由弥散项活度项和电迁移项组成：