LNAPLs在包气带中运移的算法研究及其数值模拟

【摘要】包气带是地面以下潜水面以上的地带，由非饱和多孔介质构成。LNAPLs泄漏到土壤中后会对包气带和地下水造成严重污染。为了尽早发现、尽早勘查、及时治理，有必要对其在土壤中的各种性质、迁移规律等作出深入研究。本文给出了LNAPLs在包气带中迁移的控制方程的推导过程，采用有限元配置解法对其进行求解。在此基础上研究了LNAPLs泄漏后在土壤中迁移的规律，包括了LNAPLs泄漏量、泄漏速率、泄漏形式以及土壤固有渗透系数对其迁移的影响。最后，分析了LNAPLs迁移过程中土壤相对介电常数的变化特征。本文首先简单介绍了LNAPLs的性质、LNAPLs迁移所在的地下环境，及其迁移机理。LNAPLs在非饱和土壤介质中主要有两种存在形式：自由态、溶解态或挥发态。土壤孔隙中自由流动的液体有三种：水相、气相和LNAPLs相。其在土壤中迁移的影响因素主要有：挥发、溶解、吸附、解吸、降解，以及土壤本身的性质。LNAPLs在非饱和土壤介质中迁移属于变饱和度多相流问题。在明确以上信息的基础上，根据质量守恒原理，在特征单元体上推导了各相迁移的控制方程：自由相的流动方程，以及溶解相和挥发相的对流-弥散方程。使用有限元配置法对上述控制方程求解。先对控制方程做简化处理，得到只依赖压力的微分方程，即以压力为变量的方程。由于其中含有相对渗透系数和饱和度，二者为毛细压力的函数，所以上述控制方程为具有较强非线性的微分方程。对求解区域进行规则矩形剖分，并对控制方程的时间导数做隐式差分离散。对压力变量做分片双三次Hermite估计，对相对渗透系数和饱和度做分片线性Lagrange估计。计算各个网格区域中的配置点，将估计函数以及其各阶导数带入隐式差分方程，得到配置方程。最后使用共轭梯度法求解配置方程。在上述模型及求解方法的基础上，建立了一个物理模型实例。分析了LNAPLs泄漏速率、泄漏量、泄漏形式，以及土壤固有渗透系数对LNAPLs迁移的影响。研究了LNAPLs泄漏到土壤包气带后，随着其迁移扩散，土壤相对介电常数的变化情况。经过以上模拟计算，得出了LNAPLs在土壤非饱和带中迁移的一般规律。当土壤中有LNAPLs泄漏时，LNAPLs首先会在重力作用下向下迁移，当LNAPLs迁移到达毛细水带处，会受到毛细力的作用发生明显的横向迁移。而由于LNAPLs的密度比水的密度小，它会漂浮在水面上，并随着聚集量的增多使水面下凹。LNAPLs在土壤中迁移会受到泄漏量的影响，泄漏量越大，迁移范围和浓度分布越广。会受到泄漏速率的影响，泄漏速度小会在短期内有明显的迁移，但后期迁移范围会小于泄漏速率大的情况。对于泄漏形式对迁移的影响，在短期内迁移范围会受到泄漏速率不均匀性的影响，但长期内受此影响较小。土壤固有渗透系数越小，LNAPLs迁移范围越小。LNAPLs的泄漏会使土壤的相对介电常数减小，而由于LNAPLs的迁移会驱使土壤中残余水向两侧迁移，进而形成明显地“山形”。
【作者】李晔；
【导师】刘财；鹿琪；
【作者基本信息】吉林大学，地球探测与信息技术，2014，硕士
【关键词】轻非水相液体（LNAPLs）；包气带；LNAPLs运移；有限元配置法；数值模拟；相对介电常数；

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