基于动量平衡的多离子体系扩散模型

多组分溶质共存是实际固废堆场渗滤液的典型特征。与单种离子的扩散过程相比,不同离子间的相互作用以及离子与土体骨架间的相互作用会影响离子在黏土防渗垫层中的扩散进程及规律。在两尺度框架内(微观尺度和宏观尺度),基于有效浓度描述的离子微观质量平衡方程和动量平衡方程,采用体积平均技术,推导了离子的宏观质量和动量平衡方程,构建了一个适用于多孔介质材料的可考虑孔隙液相组分活性的多组分溶质非线性扩散理论框架。从理论层次实现了对离子在黏土垫层中的扩散机制以及相关驱动力的全面描述,所建理论框架具备理性化和系统化。通过给定相关驱动力具体的本构方程,建立了多离子体系在黏土垫层中的扩散模型。     

带电性黏土介质多离子体系扩散模型

污染物在黏土防渗层中扩散时，不仅需考虑污染物离子自身活性，还须考虑黏土介质自身带负电特性这一离子存在环境对扩散进程的影响。通过对电场作用下的活度系数进行修正并引入电化学势描述方程，建立了适用于带电性黏土介质的基于动量平衡的多离子体系扩散模型。由于所建模型的复杂性，选用多物理场仿真软件ＣＯＭＳＯＬＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ开展数值模拟，揭示了多离子体系在黏土垫层中的运动规律。数值结果表明:随着污染物离子初始浓度的增大，考虑土体带电特性及离子活性对扩散进程的阻滞效果越来越明显。     

污染物击穿防污屏障与地下水土污染防控研究进展

鉴于防污屏障是控制固废填埋场地下水土污染的重要结构,为评价防污屏障的服役寿命,分别针对重金属和有机污染物,总结了污染物在黏土屏障和复合屏障中的一维运移解析解,包括非线性吸附条件下污染物在黏土屏障中的一维扩散解、污染物在有缺陷膜复合屏障中的一维运移解和温度场作用下污染物在黏土屏障中的耦合运移解析解等。评价了污染物击穿防污屏障长历时过程超重力离心模型试验的可靠性。对运行了17 a的安徽某填埋场进行现场调查,发现氯离子运移最大深度达9 m,钠离子和COD的运移深度在3~4 m。总结和评价了地下水土污染控制的竖向屏障技术,认为土-膨润土系竖向隔离墙技术在我国具有广阔的应用前景,并对今后的研究进行展望。     

基于GMS的岩溶区火电厂地下水污染物运移模拟

根据毕节市某拟建火电厂水文地质条件,利用GMS软件建立研究区地下水流模型、溶质运移模型。在防火堤底部采取黏土、防水混凝土、土工膜3种不同防渗材料情况下,模拟柴油泄漏在研究区强径流带的运移情况,结果表明:不同防渗材料下污染物渗漏的影响范围相差较大,采用黏土和防水混凝土作为防渗层时,柴油泄漏后向含水层各个方向发生运移,污染羽大致呈椭圆形,污染物以渗漏点为中心沿水流方向向下游扩散,进入强径流带后迅速流入地下暗河;采用土工膜作为防渗层时,污染物几乎未透过土工膜渗入地下水。     

考虑固结、扩散和降解耦合作用下污染物在黏土中的运移解析模型

为了研究在固结、扩散和降解耦合作用下污染物通过黏土衬垫的运移规律,建立了有机物在其中的运移模型,并获得了零通量和零浓度下边界条件的解析解。本文模型计算结果与数值分析程序Comsol获得的结果较为一致。结果表明有机污染物的降解作用能有效地减少其在黏土衬垫中的浓度和底部通量。针对2 m黏土衬垫,半衰期为10年工况的底部通量仅为半衰期100年的24%;半衰期为10年的工况底部浓度分别是无降解和半衰期为100年的11.78%和15.8%。本文解析模型相对简单,可用于验证复杂数值模型,以及评价扩散、固结和降解耦合作用对污染物运移的影响等。     

赤泥堆场污染物对地下水环境的影响研究

氧化铝厂产生的赤泥如果处置不当,其渗滤液会导致地下水的严重污染。为确定其渗漏液对地下水的影响,本文以遵义氧化铝厂为例,选择赤泥堆场底部防渗层破损5%面积的场景,以氟化物作为预测因子,采用一维稳定流动二维水动力弥散解析解方程——平面连续点源模型进行模拟,分析赤泥堆场底部防渗层破损的情况下,对地下水的影响。模拟结果表明,在天然流场中,如不考虑地下水大量开采情况,污染物不会对下游保护目标产生影响。本文成果为以后类似问题处置提供了参考。     

土壤中重金属离子运移规律数值模拟分析

为了研究多组分重金属离子在多层土壤中运移规律及其影响。针对狮子山铜矿尾矿料应用COMSOL软件模拟预测单组分和多组分中Cu~(2+)、Pb~(2+)离子演化规律,并进行有无防渗层对多组分离子迁移影响比较。结果表明:相同时刻离子浓度随埋深增加呈反"S"形降低,且曲线逐渐趋于平缓。相同埋深的Cu~(2+)、Pb~(2+)离子浓度随时间增加,导致地下水污染严重;且多组分离子在地基土中浓度分布大于相应条件下的单组分的浓度。防渗层可大大降低污染物的迁移浓度和范围,有防渗层时在t=10 a时,地基对Cu~(2+)、Pb~(2+)多组分的消减率分别为83%和100%。     

基于FEFLOW的高尔夫球场地下水污染风险预测研究与效果评估

针对日益严重的高尔夫球场地下水污染问题,以高尔夫球场的地下水污染防渗和保障城市供水安全为目标,为了预测高尔夫球场的地下水污染风险和探究其防渗方法,以北方某高尔夫球场为例,通过分析研究区概况,基于FEFLOW建立了地下水流和溶质运移模型,采用数值分析方法,预测球场污水处理设施失效时的地下水污染风险,并评估防渗效果。结果表明:在污水处理设施失效100 d时,锰扩散最远距离为112. 45 m,六六六扩散最远距离为48. 50 m,短期内扩散较快,对下游居民区产生威胁;防渗措施应用后100 d时,污染物扩散最远距离约为50. 2 m;应用1 000 d时,污染物扩散最远距离约为54. 8 m,扩散范围变化不大且控制在球场范围内,防渗效果良好。该数值分析方法很好的预测了污染物在有无防渗两种工况下的迁移情况,通过设置防渗层和防渗帷幕有效阻滞了污染物迁移,研究成果对高尔夫球场的地下水污染控制具有一定的借鉴意义。     

耦合高效高精度水动力模型的多组分污染物输移及衰减反应模型

为更好地模拟水污染事件中多组分污染物输移及衰减反应过程,全面耦合了基于图形处理器(GPU)加速技术的二维水动力模型与多组分污染物输移及衰减反应模型,通过改进模型源代码并在污染物输移控制方程中嵌入衰减项与反应项,建立了一个可应用于大区域复杂地形河道洪水演进全过程及多组分污染物输移和衰减反应的高性能耦合模型,同时引入GPU技术提升计算效率。将耦合模型应用于理想地形静水和两个复杂地形河道入流与溃坝算例的水质模拟,结果表明:多组分污染物输移及衰减反应过程在理想算例中的数值解与解析解基本吻合,在入流与溃坝算例中的模拟结果符合实际物理过程,模型运行速度快且计算效率高,可高效地模拟各类突发水污染事件并进行预警和评估。     

垃圾渗滤液污染物在土壤中迁移规律试验及模拟

为全面系统地研究垃圾渗滤液迁移规律,科学地分析污染物运移规律和预测污染物浓度分布情况,通过垃圾渗滤液的动态淋溶试验,研究了垃圾渗滤液主要污染物包括有机物(CODcr,)、Cl-、SO42-、总硬度等在土壤水环境中的运移机理,试验结果表明迁移速度最快和最慢的分别为Cl-与有机物(CODCr);并对建立的一维数学模型求解表明·模型曲线与COD试验曲线较好的吻合,说明所建数学模型模拟有机污染物的有效性.     

GCL复合垂直防渗墙中污染物运移的一维解析解

为研究膨润土防水毯(GCL)和水泥-膨润土防渗墙组成的新型复合垂直防渗墙中有机污染物的运移机理,分别考虑水泥-膨润土防渗墙和GCL作用,以及污染物击穿GCL复合垂直防渗墙迁移到零浓度的潜水层中,建立了污染物在GCL复合垂直防渗墙中的一维运移模型,并给出了出口边界采用混合边界条件时的一维解析解,所得结果与GeoStudio软件数值模拟结果高度吻合,由此验证了解析解的正确性,进而采用一维解析解开展了参数分析。研究结果表明：GCL层可以进一步提高垂直防渗墙的防污效果;有机污染物的半衰期主要影响水泥-膨润土防渗墙中的浓度分布,水泥-膨润土防渗墙的墙厚与渗透系数对墙体内部的污染物浓度分布和出口边界的污染物通量的影响较大。     

模拟渗滤液和压力对压实黏土衬垫渗透性影响的试验研究

衬垫材料防渗性能的好坏是决定填埋场有效性的关键,而渗滤液和受力条件是影响衬垫渗透系数的重要因素。从填埋场衬垫实际渗滤液和受力状态分析出发,选择CaCl2溶液为模拟渗滤液,研究模拟渗滤液和竖向压力对压实黏土衬垫渗透系数的影响。结果表明：当以模拟渗滤液代替水进行试验时,渗透系数增加约2倍;当竖向压力增大2倍时（从200 kPa增至400 kPa）,渗透系数减小约1个数量级。双因素方差分析表明：相对于竖向压力,模拟渗滤液对渗透系数的影响较小;在衬垫设计与评价时,考虑竖向应力的影响是非常必要的。     

填埋场黏土衬垫中起始水力梯度对污染物运移影响

垃圾填埋场黏土衬垫对防止渗沥液的渗漏和运移起到至关重要的作用,其中有些黏土渗流呈现非达西渗流现象,存在起始水力梯度i_0,然而起始水力梯度对黏土衬垫防污性能的影响尚未明确。为此,开展了起始水力梯度对污染物运移的影响研究。首先,在不同围压作用下,采用去离子水对黏土进行渗透试验;然后,在围压σ=200 kPa的条件下,分别采用水力梯度为0,12.5,25.0和375.0对4个平行黏土试样进行Na~+溶液渗透,定期测定渗出液Na~+浓度,并最终分层测定试样中Na~+的含量。结果表明:随着固结压力的增大,起始水力梯度越大;当水力梯度分别0,12.5和25.0时,渗出口无渗透液产生,并且Na~+在黏土中的迁移规律基本相同,即分子扩散系数基本相等;当水力梯度为375.0时,水动力弥散系数远远大于分子扩散系数。因此,可以认为当水力梯度小于i_0时,渗沥液不渗透或渗透很小,污染物运移以分子扩散为主;当水力梯度大于i_0时,污染物运移逐渐转为以对流为主。     

气泡墙对垃圾填埋场黏土衬垫中典型VOCs迁移的影响

为提高垃圾填埋场防渗衬垫对可挥发性有机污染物(VOCs)的阻挡效果,在对流-扩散-吸附机理的基础上,考虑了夹气泡压实黏土的固结变形、VOCs固有生物降解和VOCs气液相转化效应,建立了VOCs在夹气泡的填埋场黏土衬垫系统中的传输数学模型,并针对某工程实例,利用多物理场有限元数值软件对数学模型进行求解,研究了填埋场黏土衬垫中典型VOCs的传输与转化。结果表明,夹气泡形成的蒸汽阻滞作用能在一定程度上延缓VOCs的穿透过程;当封闭气体为氧气时,氧气的存在所促发的固有生物降解能有效阻断VOCs的传输,且在垃圾填埋场现场常见污染物浓度水平下所需气泡墙厚度相对较薄。     

成层介质中渗滤液最大饱和深度的简易解法

基于McEnroe给出的衬里上排水层饱和深度的解析解,分析了垃圾填埋场衬里上渗滤液最大饱和深度和设计参数入流量、排水层渗透系数和衬里坡度之间的函数关系;给出了渗滤液最大饱和深度及其在衬里上出现位置之间的关系,分析了衬里坡度对最大饱和深度出现位置的影响。在此基础上给出了在成层介质中适用于扩展Dupuit假定的一种简化计算渗滤液最大饱和深度的方法。算例结果表明该方法简单,便于在工程中使用。     

Contaminant transport through fractured-porous media: An experimental study

In this paper, an experimental study has been carried out to investigate the behavior of solute transport through fractured-porous media. Experimental set-up consists of fractured-porous media which has been created with clay (matrix) and a single fracture is created in middle of the clay matrix in flow direction. During experiment, the clay matrix is saturated with fresh water and solute tracer is injected in the fracture at inlet and the samples are collected from out let for different times of interval. Concentration profiles of experimental data of chloride and fluoride are simulated with developed numerical model to estimate transport parameters. Results show that the value of matrix-diffusion coefficient depends on fracture velocity and residence time till to reach in equilibrium condition. It is also found that higher value of diffusion coefficient leads to reduce the magnitude of solute concentration in the fracture. The experimental results indicate that there is substantial diffusion and sorption in the fractured-porous matrix. The estimated parameters and numerical model can be used for design of waste disposal system in the fractured matrix system. Finally, numerical results of various temporal moments have been predicted to study the behavior of reactive solute in the fracture, and it was found that the behavior of solute mass recovers, mean arrival time and second time moment are nonlinear along the travel distance for solute in the fracture in the presence of matrix-diffusion and decay rate coefficient.     

Effects of leachate infiltration and desiccation cracks on hydraulic conductivity of compacted clay

Both cracks in clay liner and the complex composition of landfill leachate might have effects on the hydraulic conductivity of a compacted clay liner. In this study, the hydraulic conductivities of natural clay and bentonite-modified clay with and without desiccation cracks were measured, respectively, using three types of liquids as permeating liquid: 2 500 mg/L acetic acid solution, 0.5 mol/L Ca Cl2 solution, and tap water. When tap water was adopted as the permeating liquid, desiccation cracks resulted in increases in the average value of hydraulic conductivity: a 25-fold increase for the natural clay and a 5.7-fold increase for the bentonite-modified clay. It was also found out that the strong selfhealing capability of bentonite helped to reduce the adverse impact of cracks on hydraulic performance. In contrast to tap water, simulated leachates(acetic acid and Ca Cl2solutions) show no adverse effect on the hydraulic conductivities of natural and bentonite-modified clays. It is concluded that desiccation cracks and bentonite have more significant effects on hydraulic performance than simulated leachates.     

基于Visual MODFLOW的某尾矿库地下水污染模拟

以甘肃省合作市某尾矿库库区作为研究区,应用Visual MODFLOW建立了地下水水流模型和溶质运移模型,模拟了4种特征污染物在尾矿库无防渗和尾矿库人工防渗层破损两种非正常工况下的运移情况。数值模拟预测了污染物的影响范围、超标范围和最大运移距离。由预测结果可知:污染物主要沿水流方向运移,对水环境的影响随时间逐渐增大;氨氮和总磷对水环境的影响较大,总砷和六价铬影响较小;两种工况中,尾矿库无防渗对水环境造成的影响更为恶劣。     

两河口水电站心墙防渗料掺砾试验

为改善作为心墙防渗料的含砾低液限黏土的强度和变形性质,对两河口水电站300 m级心墙堆石坝防渗料进行掺砾研究,分别进行了击实试验和力学性质试验。试验结果表明:随着掺砾比增大,心墙防渗料的最大干密度逐渐增大,最优含水率逐渐减小;掺砾比为40%的心墙防渗料的变形和强度性质较好,临界水力梯度最高;掺砾比为30%和40%的心墙防渗料的渗透系数更接近规范要求。推荐两河口水电站心墙堆石坝心墙防渗料的掺砾比为40%。