CN115983143B - 一种温度场耦合下土壤-地下水有机污染运移模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度场耦合驱动下土壤‑地下水有机污染运移数值模拟方法及系统，用于模拟温度场驱动下有机污染物的运移规律。该模型能够考虑温度改变有机污染物的理化性质及其驱动参数，进而影响其在土水介质中的迁移及空间分布，构建了耦合非等温多相流、溶质运移和物理化学驱动过程的模型来模拟温度场影响场地有机污染物迁移的过程。本发明所提供的方法包括：考虑温度改变有机污染物的理化性质及其驱动参数，构建耦合非等温多相流、溶质运移和物理化学驱动过程的模型，开展温度场驱动下有机污染物的迁移分布规律数值模拟。本发明所提供的模拟技术可为场地有机污染防治提供科学合理的理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种温度场耦合下土壤-地下水有机污染运移模拟方法，属于地球科学与工程领域。
背景技术
有机污染已经成为了全球性的环境问题，而土壤-地下水作为主要的环境介质正面临着有机污染物的严重威胁，并以此影响着社会生产活动和居民生活。自然环境中常见的有机污染物通常难溶于水，因此这类有机物被称为非水相液体(NAPLs，Non-aqueousPhase Liquids)，其中，比重大于1的为重非水相液体(DNAPL)，反之为轻非水相液体(LNAPL)。有机物泄漏进入土壤-地下水系统后，在包气带中呈现气相-吸附相-NAPL相共存的状态，进入地下水中则会转化为溶解相-吸附相-NAPL相共存的状态，并且不同相之间会相互转化，使得多相流体系中有机污染物迁移过程十分复杂。有机物在含水层中的迁移和分布受诸多因素控制，如NAPL相有机物通过土壤向下渗透，在非饱和带的迁移过程中，一部分污染物会被土壤颗粒吸附，转化为吸附相，部分具有高蒸汽压的LNAPLs会直接在土壤中挥发，成为气相。当LNAPLs运移到饱和带界面处时，会在潜水面处积聚，并沿着水力梯度方向横向扩散；而DNAPLs会克服油-水界面的毛细张力通过边界进入饱水带并继续下渗，并在含水层底部积聚。而DNAPL在地下水流和地形坡度的作用下发生横向迁移并缓慢而持续地溶解于地下水中，随着地下水流不断迁移，从而导致地下水和土壤的污染范围和程度不断加深。
目前的研究主要是通过室内试验研究NAPLs在含水介质中的单相流、两相流、多相流情形下的运移特征，并建立相应的数值模型，探讨NAPLs理化性质、含水介质的非均质性变化、饱和度变化及水化学条件的变化对污染物运移行为的影响作用和程度，而温度是有机物迁移过程中重要的影响因素，不但会改变土壤-地下水介质的理化性质，还会影响有机污染物的性质及驱动，从而改变有机污染物在土壤-地下水系统中的迁移分布。因此，揭示温度对有机物在土壤-地下水系统中的迁移影响机制对于场地污染防治与修复具有重要意义。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术的缺乏，本发明的目的在于提供一种温度场耦合下土壤-地下水有机污染运移模拟方法，该方法能够考虑温度改变有机污染物的理化性质及其驱动参数，进而影响其在土水介质中的迁移及空间分布，构建了非等温多相流溶质运移模型来模拟温度场影响场地有机污染物迁移的过程。
技术方案：本发明具体采用如下技术方案：温度场耦合驱动下土壤-地下水有机污染运移数值模拟方法，包括如下步骤：
步骤SS1：确定温度场耦合驱动下有机污染物运移模型的基本参数，所述模型基本参数包括：地质结构模型的地层密度、孔隙度、渗透率，相对渗透率，毛细压力，非等温多相流模型的大气压强、水力梯度和温度梯度，非等温多相流溶质运移模型的有机污染物密度、粘度、溶解度、扩散率，以及有机物泄露位置及泄露速率；
步骤SS2：根据步骤SS1收集的模型参数设置地层的岩性参数以建立地质结构模型，并进行网格剖分；
步骤SS3：在步骤SS2中所建地质结构模型的基础上，根据质量和能量守恒的基本方程、多相流控制方程、温度场方程建立非等温多相流模型，
步骤SS4：确定非等温多相流模型的初始条件、边界条件、进行求解，以计算模拟区域的渗流速度和温度的时间和空间分布；
步骤SS5：在步骤SS4获得的非等温多相流模型结果的基础上，结合温度与理化性质及驱动参数耦合数学方程建立非等温多相流溶质运移模型。
步骤SS6:设置非等温多相流溶质运移模型中有机污染物的理化性质、扩散率、以及泄露速率参数，并确定模型的初始条件，源汇项；
步骤SS7：求解非等温多相流溶质运移模型以得到模拟区内时间上和空间上有机物各相饱和度的分布，刻画出有机污染物泄露后的迁移规律，完成温度场耦合驱动下有机污染物土壤-地下水系统中运移的数值模拟。
作为一种较佳的实施例，所述步骤SS3中的非等温多相流模型及步骤SS5中的非等温多相流溶质运移模型；
所述步骤SS3中的非等温多相流模型的建立过程为：
(1)采用渗流场方程、质量和能量守恒方程、多相流控制方程计算模型中渗流速度的空间和时间分布、各组分质量、组分各相饱和度：
a.渗流场方程
式中，ρ为流体密度；vβx,vβy,vβz为渗流速度v在三个坐标轴上的分量；Δx、Δy、Δz为单元体体积，t为时间，n为孔隙度，S为相饱和度；
b.质量和能量守恒方程：
式中：m为流动区单元体表面的外向单位矢量；Mκ为组分κ在单位土壤介质中质量，Vm为流动单元体的体积；Γm为流动单元体的表面积；Fκ为进入到流体单元体的组分κ的总通量；qκ为组分κ在单元体的源汇相；
c.多相流控制方程：
式中，β是指示相，为组分κ的β相通量,k为总渗透率，kγβ为β相的相对渗透率，处于0到1之间，ρβ为β相的密度；μβ是β相的动力黏度；Pβ是β相中的流体压力；g重力矢量；
(2)使用温度场方程计算得到在考虑热量交换以及各种反应引起的热量变化导致温度变化下模型在x、y、z方向上的温度梯度分布情况：
式中：Cm、Cw分别为多孔介质和水的热容量，J/(m3·℃)；T为模拟区的温度，℃；λxx、λyy、λzz为x、y、z方向的热动力弥散系数，J/(m·d·℃)，Vx、Vy、Vz为x、y、z方向的渗流速度，f1为单位时间单位体积含水层内由其它的化学反应或者微生物活动引起的热量变化，J/(t·m3)。
所述步骤SS5中的根据温度与理化及驱动参数耦合数学方程建立非等温多相流溶质运移模型，从污染物密度、粘度、溶解度、饱和蒸气压方面确定温度与有机物物化性质以及驱动过程参数的耦合关系：
lnS′＝A+BT+CT2+DT3 (7)
Pvap＝Pcexp{[a(1-Tr)+b(1-Tr)1.5+c(1-Tr)3+d(1-Tr)6]/Tr} (9)
式中，χ≠water,NCG表示组分κ不是水和不可压缩性气体，vn为NAPL相的摩尔体积，为VOC组分κNAPL相的摩尔分数，vκ为VOC组分κ的偏摩尔体积，TR为参考温度，/>是参考温度TR下组分κ的摩尔体积，ωκ是偏心因子，Tc为VOC组分κ的临界温度，Tcκ组分κ的临界温度，S′为溶解度，Pvap为纯VOC组分的饱和蒸汽压，Pc为临界压力，Tr＝T/Tc,为模拟区温度和组分κ临界温度的比值，μ为粘度，a、b、c、d、A、B、C、D、A′、B′、C′、D′均为系数。
本发明还提出一种温度场耦合驱动下土壤-地下水有机污染运移数值模拟系统，该系统包括如下模块：
模型参数确定模块，用于执行：确定温度场耦合驱动下有机污染物运移模型的基本参数，所述模型基本参数包括：地质结构模型的地层密度、孔隙度、渗透率，相对渗透率，毛细压力，非等温多相流模型的大气压强、水力梯度和温度梯度，非等温多相流溶质运移模型的有机污染物密度、粘度、溶解度、扩散率，以及有机物泄露位置及泄露速率；
剖分离散模块，用于执行：根据模型参数确定模块收集的模型参数设置地层的岩性参数以建立地质结构模型，并进行网格剖分；
非等温多相流模型建立模块，用于执行：采用渗流场方程、质量和能量守恒方程、多相流控制方程建立非等温多相流模型；
水动力模块，用于执行：确定边界条件、源汇项，采用渗流场方程求解，得到模拟区内时间上和空间上流速矢量的分布；
温度场模块，用于执行：根据温度场方程求解，得到模拟区时间上和空间上温度梯度的分布；
非等温多相流溶质运移建立模块，用于执行：在获得渗流和温度空间和时间分布的结果基础上，结合温度与有机物理化性质及驱动参数耦合数学方程以建立非等温多相流溶质运移模型；
有机物污染运移模块，用于执行：设置有机污染物的理化性质、扩散率、泄露位置以及泄露速率等参数，求解非等温多相流溶质运移模型，得到模拟区内时间上和空间上有机物饱和度的分布，刻画出有机污染物泄露后的迁移规律，完成温度场耦合驱动下有机污染物土壤-地下水系统中运移的数值模拟。
作为一种较佳的实施例，非等温多相流溶质运移模块采用渗流场方程、质量和能量守恒方程、多相流控制方程、温度场方程、以及温度与有机物理化性质及驱动参数耦合数学方程来求解。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明温度场耦合驱动下土壤-地下水有机污染运移数值模拟方法及系统可以耦合非等温多相流、溶质运移和物理化学驱动过程，考虑温度改变有机污染物的理化性质及其驱动参数，展现温度场驱动下有机污染物的迁移分布规律，为场地有机污染防治提供科学合理的理论依据。
附图说明
图1是温度场耦合驱动下土壤-地下水有机污染运移数值模拟方法流程图；
图2是温度场耦合驱动下土壤-地下水有机污染运移数值模拟基准模型概念图；
图3是各季节地下受地表温度影响下的温度梯度变化示意图；
图4是持续泄露条件下温度场对苯迁移的影响示意图；
图5是苯泄露总量一定下温度场变化对苯迁移的影响图。
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。
实施例1：本发明还提出一种温度场耦合驱动下土壤-地下水有机污染运移数值模拟系统，该系统包括如下模块：
模型参数确定模块，用于执行：确定温度场耦合驱动下有机污染物运移模型的基本参数，所述模型基本参数包括：地质结构模型的地层密度、孔隙度、渗透率，相对渗透率，毛细压力，非等温多相流模型的大气压强、水力梯度和温度梯度，非等温多相流溶质运移模型的有机污染物密度、粘度、溶解度、扩散率，以及有机物泄露位置及泄露速率；
剖分离散模块，用于执行：根据模型参数确定模块收集的模型参数设置地层的岩性参数以建立地质结构模型，并进行网格剖分；
非等温多相流模型建立模块，用于执行：采用渗流场方程、质量和能量守恒方程、多相流控制方程建立非等温多相流模型；
水动力模块，用于执行：确定边界条件、源汇项，采用渗流场方程求解，得到模拟区内时间上和空间上流速矢量的分布；
温度场模块，用于执行：根据温度场方程求解，得到模拟区时间上和空间上温度梯度的分布；
非等温多相流溶质运移建立模块，用于执行：在获得渗流和温度空间和时间分布的结果基础上，结合温度与有机物理化性质及驱动参数耦合数学方程以建立非等温多相流溶质运移模型；
有机物污染运移模块，用于执行：设置有机污染物的理化性质、扩散率、泄露位置以及泄露速率等参数，求解非等温多相流溶质运移模型，得到模拟区内时间上和空间上有机物饱和度的分布，刻画出有机污染物泄露后的迁移规律，完成温度场耦合驱动下有机污染物土壤-地下水系统中运移的数值模拟。
作为一种较佳的实施例，有机污染物运移模块采用水动力模块、温度场模块、非等温多相流溶质运移方程建立模块来求解。
实施例2：温度场耦合驱动下土壤-地下水有机污染运移数值模拟方法及系统，本发明实施例以所建立基准模型为例。
1)概念模型
为研究温度场驱动下有机污染物的迁移分布规律，设置了20m×20m的二维基准模型(图2)。模型平面剖分为40行×40列，共计1600个有效单元。左、右两侧网格单元宽为0.001m，用于设置侧向边界(定水头边界)。顶层网格单元厚为0.001m，用于设置上边界(大气边界)，初始地下水位埋深为6m，无水力梯度，选取苯作为特征污染物，泄漏点距地表0.5m，左边界9.5m，泄露持续时间1年，泄露速率为5.0×10-5kg/s。温度模拟了长三角地区土壤-地下水系统中温度场的四季变化，并设置了泄露速率一定条件下有机物迁移分布的季度变化和泄露总量一定条件下春夏、秋冬季节过渡期内有机物迁移分布的变化两组情景。模型中其它参数见表1、3。
表1发明实施例中概念模型主要物理参数
表2发明实施例中长三角地区四季的地表均温参考值
表3污染物理化参数
2)确定控制方程
A)采用多相流的渗流场控制方程为，控制方程形式为，
式中，ρ为流体密度；vβc,vβy,vβz为渗流速度v在三个坐标轴上的分量；Δx、Δy、Δz为单元体体积，t为时间，n为孔隙度，S为相饱和度；
式中，β是指示相，为组分κ的β相通量,k为总渗透率，kγβ为β相的相对渗透率，处于0到1之间，ρβ为β相的密度；μβ是β相的动力黏度；Pβ是β相中的流体压力；g重力矢量；
B)确定质量和能量守恒方程,控制方程为：
式中：m为流动区单元体表面的外向单位矢量；Mκ为组分κ在单位土壤介质中质量，Vm为流动单元体的体积；Γm为流动单元体的表面积；Fκ为进入到流体单元体的组分κ的总通量；qκ为组分κ在单元体的源汇相；
C)建立温度场方程：
式中：Cm、Cw分别为多孔介质和水的热容量，J/(m3·℃)；T为模拟区的温度，℃；λxx、λyy、λzz为x、y、z方向的热动力弥散系数，J/(m·d·℃)，vx、vy、vz为x、y、z方向的渗流速度，f1为单位时间单位体积含水层内由其它的化学反应或者微生物活动引起的热量变化，J/(t·m3)。
D)采用温度与有机物理化性质及驱动参数耦合数学方程，控制方程为：
Pvap＝Pcexp{[a(1-Tr)+b(1-Tr)1.5+c(1-Tr)3+d(1-Tr)6]/Tr} (7)
Pvap＝Pcexp{[a(1-Tr)+b(1-Tr)1.5+c(1-Tr)3+d(1-Tr)6]/Tr} (9)
式中，κ≠water,NCG表示组分κ不是水和不可压缩性气体，vn为NAPL相的摩尔体积，为VOC组分κNAPL相的摩尔分数，vκ为VOC组分κ的偏摩尔体积，TR为参考温度，/>是参考温度TR下组分κ的摩尔体积，ωκ是偏心因子，Tc为VOC组分κ的临界温度，Tcκ组分κ的临界温度，S′为溶解度，Pvap为纯VOC组分的饱和蒸汽压，Pc为临界压力，Tr＝T/Tc，表示为模拟区温度和组分κ临界温度的比值，μ为粘度，a、b、c、d、A、B、C、D、A′、B′、C′、D′均为系数。
3)温度场耦合驱动下土壤-地下水有机污染运移数值模拟结果分析
图3为各季节地下受地表温度影响下的温度梯度变化，可以看出在近地表气温的影响下，土壤-地下水系统中的温度场会在垂直方向上呈现出梯度变化趋势，通过模拟可以得出春、夏、秋三季系统中的垂向温度从上到下递减，冬季则相反，温度梯度从上而下逐渐减小。
图4为从春季开始苯以一定速率持续泄露情景下一年内的迁移分布规律，由此可得土壤-地下水系统中的苯的饱和度增量在夏、秋季较小，春季最大，其原因为春季苯的泄漏量较少，而长时间的泄露使得苯在系统内的分布及含量较高，且夏秋季温度较高，使得苯溶解和挥发量增多，导致夏秋季非水相苯的饱和度增量逐渐降低。
图5为泄露总量一定下温度场变化对苯迁移的影响，春夏和秋冬季节变化分别表现出地表温度逐步增加和减低的两种情景，为此我们设置了泄露总量一定时有机物在两种温度场中迁移分布的研究场景，结果如图5。研究表明春夏阶段随着地表热量传导到土壤-地下水系统中，系统温度逐渐升高。此时，苯的黏度降低，横向位移减少，而垂向位移相对增加并占据主导地位，使其在饱和带和非饱和带交界处运移更远，而秋冬季节场景则表现相反。另外，春季土壤-地下水系统中的苯饱和度增量大于秋季，这是由于春、秋季分别以冬、夏季末温度作为初始温度，而污染物初始泄露受到温度影响较大，春季初始温度更低，抑制了溶解、挥发等过程。夏季末非水相苯的饱和度小于冬季末，主要是由于夏季温度较高，促进了苯溶解和挥发。
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。
Claims (1)
1.一种温度场耦合驱动下土壤-地下水有机污染运移数值模拟方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤SS1：确定温度场耦合驱动下有机污染物运移模型的基本参数，所述模型基本参数包括：地质结构模型的地层密度、孔隙度、渗透率，相对渗透率，毛细压力，非等温多相流模型的大气压强、水力梯度和温度梯度，非等温多相流溶质运移模型的有机污染物密度、粘度、溶解度、扩散率，以及有机物泄露位置及泄露速率；
步骤SS2：根据步骤SS1收集的模型参数设置地层的岩性参数以建立地质结构模型，并进行网格剖分；
步骤SS3：在步骤SS2中所建地质结构模型的基础上，根据渗流场方程、质量和能量守恒的基本方程、多相流控制方程、温度场方程建立非等温多相流模型，
步骤SS4：确定非等温多相流模型的初始条件、边界条件、进行求解，以计算模拟区域的渗流速度和温度的时间和空间分布；
步骤SS5：在步骤SS4获得的非等温多相流模型结果的基础上，结合温度与理化性质及驱动参数耦合数学方程建立非等温多相流溶质运移模型；
步骤SS6：设置非等温多相流溶质运移模型中有机污染物的理化性质、扩散率、以及泄露速率参数，并确定非等温多相流溶质运移模型的初始条件，源汇项；
步骤SS7：求解非等温多相流溶质运移模型以得到模拟区内时间上和空间上有机物各相饱和度的分布，刻画出有机污染物泄露后的迁移规律，完成温度场耦合驱动下有机污染物土壤-地下水系统中运移的数值模拟；
所述步骤SS3中的非等温多相流模型构建过程如下：
(1)采用渗流场方程、质量和能量守恒方程、多相流控制方程计算模型中渗流速度的空间和时间分布、各组分质量、组分各相饱和度：
a.渗流场方程为：
式中，ρ为流体密度；vβx，vβy，vβz为渗流速度v在三个坐标轴上的分量；Δx、Δy、Δz为单元体体积，t为时间，n为孔隙度，S为相饱和度；
b.质量和能量守恒方程：
式中：m为流动区单元体表面的外向单位矢量；Mk为组分k在单位土壤介质中质量，Vm为流动单元体的体积；Γm为流动单元体的表面积；Fκ为进入到流体单元体的组分κ的总通量；qx为组分κ在单元体的源汇相；
c.多相流控制方程：
式中，β为指示相，为组分κ的β相通量，k为总渗透率，kγβ为β相的相对渗透率，处于0到1之间，ρβ为β相的密度，μβ是β相的动力黏度，Pβ是β相中的流体压力，g重力矢量；
(2)使用温度场方程计算得到在考虑热量交换以及各种反应引起的热量变化导致温度变化下模型在x、y、z方向上的温度梯度分布情况：
式中：Cm、Cw分别为多孔介质和水的热容量，J/(m3·℃)；T为模拟区的温度，℃；λxx、λyy、λzz为x、y、z方向的热动力弥散系数，J/(m·d·℃)，vx、vy、vz为x、y、z方向的渗流速度，f1为单位时间单位体积含水层内由其它的化学反应或者微生物活动引起的热量变化，J/(t·m3)；
所述步骤SS5中，结合温度与有机物理化性质及驱动参数耦合数学方程建立非等温多相流溶质运移模型，从污染物密度、粘度、溶解度、饱和蒸气压方面确定温度与有机物物化性质以及驱动过程参数的耦合关系：
lnS′＝A+BT+CT2+DT3 (7)
Pvap＝Pcexp{[a(1-Tr)+b(1-Tr)1.5+c(1-Tr)3+d(1-Tr)6]/Tr} (9)
式中，k≠water，NCG表示组分κ不是水和不可压缩性气体，vn为NAPL相的摩尔体积，为VOC组分κNAPL相的摩尔分数，vk为VOC组分κ的偏摩尔体积，TR为参考温度，/>是参考温度TR下组分κ的摩尔体积，ωκ是偏心因子，Tc为VOC组分κ的临界温度，Tcκ组分κ的临界温度，S′为溶解度，Pvap为纯VOC组分的饱和蒸汽压，Pc为临界压力，Tr＝T/Tc，表示为模拟区温度和组分κ临界温度的比值，μ为粘度，a、b、c、d、A、B、C、D、A′、B′、C′、D′均为系数。
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