支持毛细水带地下水溶质运移实验和数值模拟研究

论文摘要

近年来,由人类活动引起的包气带土壤和地下水污染愈加严重,污水回灌、垃圾渗出液下渗、有毒化学液体泄漏等威胁着包气带土壤和地下水的安全。支持毛细水带是污染物由地表向地下水迁移的必经之地,传统的土壤和地下水文学通常认为支持毛细水带水分的运移以垂向迁移为主,但实际上这仅仅是宏观、大尺度条件下的基本特征。早在1932年,Wyckoff等人就发现了支持毛细水带存在横向渗流的现象。越来越多的室内试验和野外场地试验发现,支持毛细水带的横向渗流对地表非饱和带到潜水含水层的水流和溶质运移有重要的影响。支持毛细水带水流和溶质运移是一个有趣并且具有挑战性的研究课题,尽管有相当多来自不同学科的关于支持毛细水带的研究成果,但对支持毛细水带水流和溶质运移的过程及其复杂的影响因素的研究仍然有待进一步深入。研究支持毛细水带水流运动和溶质迁移的机理及其影响因素是准确评估包气带和地下水水资源形成和转化的基础性研究内容。同时,对于包气带和地下水污染的评价以及修复具有重要的理论与实际意义。为此,本文以土壤水动力学、地下水溶质运移理论等为支撑,在搜集总结前人研究数据和结论的基础上,综合采用室内砂槽试验与饱和-非饱和地下水数值模拟相结合的方法研究支持毛细水带地下水渗流和溶质运移的特征与规律,旨在阐明支持毛细水带水分和溶质横向运移的机理及其主要影响因素,丰富和完善地下水饱和-非饱和溶质运移理论。本文主要包括以下三部分的研究内容:（1）通过支持毛细水带横向渗流和溶质运移室内砂槽试验,定性分析支持毛细水带横向渗流特征,在此基础上,构建二维毛细管束网络模型,从而揭示支持毛细水带横向渗流的机理及影响因素。并构建溶质运移数学模型,定量计算支持毛细水带水动力弥散参数。同时,应用HYDRUS软件开展数值模拟,分析不同参数模型在解决支持毛细水带渗流和溶质运移问题的可靠性。（2）通过控制不同边界水位、不同示踪剂注入量以及不同浓度非水溶吸附性示踪剂的系列砂槽试验,结合数值模拟方法,分析研究水力梯度、污染物投放流量对支持毛细水带渗流和溶质运移的的影响,以及非水溶吸附性污染物在支持毛细水带的迁移行为。（3）利用自行设计的降雨装置和蒸发装置,分别开展不同降雨强度和不同蒸发强度的室内砂槽试验。在分析降雨和蒸发过程中基质势时空变化规律的基础上,通过结合摆环模型和毛细管模型分析降雨和蒸发过程对支持毛细水带渗流的影响机制。并结合数值模拟,综合分析降雨和蒸发对支持毛细水带水势分布、流速分布和溶质运移的影响。通过以上研究,得到如下主要结论:（1）支持毛细水带横向渗流和溶质运移特征及机理示踪剂从非饱和带进入支持毛细水带后会发生横向运移,在支持毛细水带的补给区有垂向向上的流速分量,排泄区有垂向向下的流速分量,中间区域以横向渗流为主。通过建立二维毛细管束网络模型,对支持毛细水带补给区、横向渗流区和排泄区的毛细管束进行受力分析发现:在靠近补给边界,毛细管在自身重力、附加表面压力、大气压力和毛细管壁的表面张力、基质吸力和摩擦力的共同作用下,毛细管中不但有横向渗流的速度,同时还有垂向上的毛细上升速度,并且在毛细上升过程中,流速逐渐减小。在排泄区,毛细管在自身重力、毛细管边壁的摩擦力、附加表面压力以及相邻毛细管施加的压力的共同作用下,产生向下的流速,毛细管中流速从上往下逐渐增大。并且,毛细管中的水流会穿过潜水面向下进入饱和带,而不会从边壁流出。在横向渗流区,水力传导度与毛细管的半径的四次方成正比。将支持毛细水带地下水溶质运移概化为一维渗流二维水动力弥散模型,计算得到横向弥散度为1.198cm,纵向弥散度为0.286cm。将试验计算得到的参数带入HYDRUS模型,通过模拟数据与实测数据对比发现,基于Brooks和Corey模型的HYDRUS模拟结果与室内试验的结果拟合较好。（2）水力梯度、示踪剂投放流量和非水溶吸附性污染物对支持毛细水带地下水流动和溶质运移的影响（1）不同示踪剂投放流量,会对支持毛细水带和潜水面以下饱和带的水势分布和流速分布产生复杂的影响,从而影响污染物在支持毛细水带和潜水面以下饱和带的溶质分布。当污染物流量很小时,支持毛细水带能阻碍污染物垂向运移进入地下水,污染物污染晕不会穿过支持毛细水带进入饱和带,但是随着污染物流量的增加,污染物在支持毛细水带运移的速度会加快,污染晕的范围会扩大。当污染物流量持续增大,污染物弥散晕会穿过潜水面,进入饱和带。（2）通过不同水力梯度室内试验和数值模拟发现,污染物在支持毛细水带运移过程中,补给和排泄区两端水头差越大,渗流区在横向上的水力梯度与垂向上的水力梯度比值越大,示踪剂在支持毛细水带主要以横向运移为主。随着渗流区两端水头差减小,支持毛细水带对污染物垂向运移的阻碍作用越弱,越容易对潜水面以下地下水造成污染。（3）非水溶吸附性污染物在支持毛细水带迁移过程中,会吸附在多孔介质表面,减小了多孔介质毛细管直径,使毛细上升高度增加,毛细管中渗流速度减小。并且,污染物的吸附分配系数越大,污染晕的面积越小,在支持毛细水带迁移越慢。由于HYDRUS模型没有考虑示踪剂吸附在多孔介质表面,改变了多孔介质孔隙结构,所以试验实测数据与HYDRUS模拟相比,实测数据会比模拟结果滞后,对于吸附分配系数越大的污染物,模拟越不准确。（3）降雨和蒸发对支持毛细水带地下水流动和溶质运移的影响（1）在降雨初期,当多孔介质含水率小于残余含水率时,多孔介质孔角开始快速吸水,用摆环模型进行概化分析,当摆环界面处的基质吸力小于摆环重力时,孔角毛细水不再增加,小的毛细管道开始充水,含水率继续增加,当毛细管中水柱的重力大于水柱基质吸力的合力时,含水率不再增加。降雨过程中,支持毛细水带各点基质势都会增大,降雨雨强越大,基质势的增加量越大。各点基质势的增加量不等造成各点的总水势发生变化,产生了垂向上的水力梯度。降雨强度越大,支持毛细水带横向渗流对污染物垂向运移的阻碍作用越弱（2）蒸发过程中,支持毛细水带大的毛细通道会优先蒸发,含水率逐渐降低,当大的毛细通道含水率低于毛管破裂含水率临界值时,蒸发面位置不断下移。对于稳定潜水面蒸发,含水率降低使支持毛细水带毛细管上端的基质势降低,毛细管两端的水势差增加,毛细上升速度增加,当蒸发强度等于毛细管上升速度时,含水率不再降低,蒸发进入稳定蒸发阶段。不同潜在蒸发强度条件下,示踪剂污染晕运移速度出现明显的差异,潜在蒸发强度越大,示踪剂横向运移的速度越慢。蒸发对支持毛细水带渗流和溶质运移的影响是热量、水分、盐分迁移的耦合作用的结果。主要创新点:（1）通过砂槽试验结合二维毛细管束网络模型,揭示支持毛细水带横向渗流的机理;（2）揭示了水力梯度、污染物投放流量和非水溶吸附性污染物对支持毛细水带水流和溶质运移的影响;（3）揭示了蒸发和降雨对支持毛细水带水流和溶质运移的影响机制。

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作者简历

摘要

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第一章序言

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究动态

1.2.1 支持毛细水带界定

1.2.2 支持毛细水带水流运动和溶质运移特征及机制

1.2.3 支持毛细水带水流和溶质运移的影响因素

1.3 存在的问题

1.4 研究发展趋势

1.5 研究内容及技术路线

第二章支持毛细水带渗流-溶质运移实验方案设计

2.1 支持毛细水带渗流-溶质运移砂槽实验方案设计

2.1.1 实验设计

2.1.2 实验材料

2.1.3 试验方法

2.2 支持毛细水带渗流-溶质运移数值模拟方案设计

2.2.1 数学模型基本方程

2.2.2 初始条件与边界条件

2.2.3 模型求解与收敛

第三章支持毛细水带横向渗流和溶质运移

3.1 支持毛细带横向渗流特征与机制

3.1.1 支持毛细水带横向渗流现象

3.1.2 支持毛细水带水势分布特征

3.1.3 支持毛细水带渗流机理

3.2 支持毛细水带溶质运移

3.2.1 支持毛细水带溶质运移特征

3.2.2 水动力弥散参数求解

3.3 数值模拟

3.3.1 HYDRUS模拟

3.3.2 水势分布模拟结果与实测的一致性

3.3.3 溶质运移模拟结果与实测的一致性

3.4 小结

第四章不同因素对支持毛细水带渗流和溶质运移的影响

4.1 不同示踪剂投放流量对支持毛细水带渗流和溶质运移的影响

4.1.1 砂槽试验

4.1.2 数值模拟

4.2 不同水力梯度对支持毛细水带渗流和溶质运移的影响

4.2.1 砂槽试验

4.2.2 数值模拟

4.3 非水溶吸附性污染物在支持毛细水带迁移行为研究

4.3.1 试验设计

4.3.2 数值模拟

4.4 小结

第五章降雨和蒸发对支持毛细水带横向运移的影响

5.1 降雨对支持毛细水带横向运移的影响

5.1.1 砂槽试验

5.1.2 数值模拟

5.2 蒸发对支持毛细水带横向运移的影响

5.2.1 砂槽试验

5.2.2 数值模拟

5.3 小结

第六章总结和展望

6.1 主要研究内容与结论

6.2 不足与展望

致谢

参考文献

文章来源

类型: 博士论文

作者: 彭浩

导师: 万军伟

关键词: 支持毛细水带,横向渗流,溶质运移,砂槽试验,数值模拟

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,环境科学与资源利用

单位: 中国地质大学

分类号: P641.1;X523

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000141

总页数: 132

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