地下水环境Ⅰ类建设项目环境影响预测.doc
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1、地下水环境类建设项目环境影响预测(一)溶质在地下水中运移的弥散理论图4-4 各向同性、一维均匀流场中示踪剂扩散示意图(a)连续供应示踪剂 (b)瞬时点源溶质在地下水中运移的数学模型是以水动力弥散理论为基础的。溶质是指可以溶解在地下水中的各种物质。溶质在多孔介质中的输运是以运动的流体为媒介的,而流体的运动又是在几何结构非常复杂的孔隙空间中进行的。因而,溶质在地下水中的分布受地下水的流动特征、多孔介质的结构特征、溶质本身的化学特性及其与多孔介质相互作用等因素的影响。水动力弥散理论主要研究多孔介质中溶质运移的机理。定量地描述可溶混流体彼此之间相互驱替的过程,以及溶质浓度在时间和空间上的变化规律。通过
2、下述两个例子,可以在宏观上了解水动力弥散现象的基本特征。1、设含水层均质各向同性,水流沿x方向均匀流动,含水层中的示踪剂物质起始浓度C0均匀分布。若在一钻孔中瞬时注入浓度为Ci的示踪剂,在钻孔下游就会发现示踪物质不仅随水流一起运动,而且逐渐分散开来,超出了按平均实际流速所预计到的范围。随着时间的推移,示踪剂占据的范围越来越大。示踪物质不仅有沿流动方向的纵向扩展,还有垂直水流方向的横向扩散。不同时刻示踪剂浓度的分布见图4-4。图4-5 一维驱替的穿透曲线2、考虑均质砂柱中饱和的水流运动。设在某一瞬时t0,用含有示踪剂浓度为C0的溶液去驱替砂柱中原来的溶液。在砂柱末端测量示踪剂的浓度变化C(t),
3、绘制示踪剂相对浓度C(t)/ C0与时间t的关系曲线(见图4-5),并称之为穿透曲线。若不存在弥散现象,那么穿透曲线应如图4-5中虚线所示的形式,即有一个以平均流速移运的直立锋面。但实际观测到的曲线都具有图4-5中实线所示的形式。穿透曲线呈S形,在两种不同浓度的流体之间存在着一个不断加宽的过渡带。由此可见,在流动过程中示踪剂物质要逐渐扩展并不断地占有流动区域越来越大的部分。就宏观扩展而言,示踪剂占据了超出按平均流速所应分布的范围;就微观的扩展而言,是由于携带不同浓度溶质的流体质点微观流速的差异使溶质逐步混合,过渡带逐渐扩展,浓度趋于平均。这是一个不稳定的、不可逆转的过程。就是说,这一过程是随时
4、间变化的,而并不能用逆转流动来返回到示踪剂分布的原始状态。水动力弥散是大量的单个溶质质点通过孔隙的实际运移与发生在孔隙中的各种物理和化学现象的宏观反映。通常,造成弥散现象的主要原因包括流体的流动、多孔介质复杂的微观结构、分子扩散、流体性质的变化(如密度和粘度变化对流速分布的影响)、液相和固相间的相互作用、溶质本身的物理化学作用等。但其中主要是机械弥散和分子扩散这两种物质运移过程同时作用的结果。实际上,机械弥散和分子扩散是同时存在的,两个过程之间的划分完全是人为的。当溶质在多孔介质中流动时,机械弥散和分子扩散以不可分割的形式共同起作用,两者的综合结果称为水动力弥散。当流速较大时,机械弥散在水动力
5、弥散中起主要作用,这是常见的情况;当流速很小时,分子扩散作用在水动力弥散中的地位变得更重要。显然,机械弥散和分子扩散都会使溶质既在平均流速方向扩散又沿垂直于平均流速的方向扩散。前者称为纵向弥散,后者称为横向弥散。(二)溶质运移方程由物理学的知识可知,溶质在自由溶液中的扩散服从Fick定律。该定律表明:单位时间通过单位面积的溶质的质量与该面积上的浓度梯度成正比,即 (4-14)式中 溶质在自由溶液中的扩散通量;溶质在自由溶液中的扩散系数,为与溶质类型、温度等因素有关的系数,当浓度较低时,可认为与浓度无关。溶质在溶液中的浓度梯度;理论和实验研究证明,在多孔介质中,溶质的扩散也可用Fick定律表示。
6、考虑到固体颗粒的存在,溶质在多孔介质中的扩散通量可以表示为 (4-15)式中 为溶质在多孔介质中的扩散通量,表示在单位时间内通过单位面积多孔介质的溶质质量。土壤体积含水率,对于饱和土壤即为土壤孔隙度;溶质在多孔介质中的扩散系数。常称为有效扩散系数;根据质量守恒原理,在均质各向同性非饱和介质中,溶质运移的基本方程可以描述为 (4-16)上式左端项表示单位体积多孔介质中溶质质量随时间的变化率。右端第一项为弥散项,表示在水动力弥散作用下单位时间内单位体积多孔介质中溶质质量的变化;右端第二项为对流项,表示在对流作用下单位时间内单位体积多孔质中溶质质量的变化;第三项为源汇项,表示除对流和弥散作用外的各种
7、物理化学作用所引起的单位体积多孔介质内溶质质量随时间的变化率。表示变量的散度。式(4-16)称为水动力弥散方程,或称对流弥散方程。在图(4-4)描述的流场中,式(4-16)可写为 (4-17)式中:污染物在液相中浓度; 方向的平均流速;有效扩散系数;源汇项的污染物浓度;单位体积的源汇项的体积流速;有效孔隙度;N个不同的反应中第k个反应的溶解污染物的产率。(三)初始条件和边界条件上述水动力弥散方程描述了溶质在多孔介质运动过程中的质量守恒,但要确定一个水动力弥散问题的解,即求得研究区域内的浓度分布C,还需具备以下条件:a、空间区域和时间区域0,T,即确定出问题的研究时空范围;b、给出研究区域内的所
8、有水流运动参数和溶质运移参数,如多孔介质的有效扩散系数(Dij)、纵向弥散度(L)、横向弥散度(T)等;c、定解条件,包括初始条件和边界条件。1、初始条件是指在初始时刻t=0时研究区域内各点上的浓度分布 (4-18)2、边界条件通常是指在研究区域的边界线上溶质浓度或浓度通量的变化情况。下面为几种常见的水动力弥散问题的边界条件。若在边界处,溶质浓度已知为,则边界条件称为已知浓度边界或称类边界,可表示为 : (4-19)对于边界流速比较大的已知浓度的入渗问题,经常可以表达为这类边界条件。若在边界处,已知浓度梯度,称为类边界,即: (4-20)式中:q是已知函数,ni是方向余玄,当多孔介质的外界为隔
9、水、隔溶质的不透水岩体时,通过边界的流量与溶质通量都为0。此时q=0。若给定边界上的浓度及梯度,称为混合边界或称类边界,即: (4-21)式中,g为已知函数。左侧第一项为弥散通量,第二项为对流通量。(四)溶质运移方程的求解方法及其应用由溶质运移方程(4-17)、初始条件(4-18)和边界条件(4-19、20、21)确定的定解问题,可以求得解析解,用于溶质在均匀一维流场中的扩散预测。但这种理想的水流在自然界中很少存在。实际工作中,常用均质、各向同性含水层中的饱和二维流来概化实际上为三维运动的地下水模型,再考虑到复杂的边界条件,对于实际的地下水污染问题,其定解问题非常复杂,解析解求取非常困难。1、
10、解析解下面介绍一个适用于承压含水层中一维稳定流二维水动力弥散平面连续点源问题的解析解,供参考使用。 (4-22)式中:x,y计算点处的坐标位置; t时间,d; C(x,y,t)t时刻点x,y处的示踪剂浓度,mg/L; M承压含水层的厚度,m; mt单位时间注入示踪剂的质量,kg/d; u水流速度,m/d; n有效孔隙度,无量纲; DL纵向弥散系数,m2/d;DT横向弥散系数,m2/d; 第二类零阶修正贝塞尔函数(查表); 第一类越流系数井函数(查表);2、数值解实际工作中常采用有限差分或有限单元等数值解法解决这些问题。溶质运移问题数值解法的基本思路是把连续的问题离散化,将描述溶质运移的偏微分方
11、程式(4-17)用一组线性方程来代替,把相应线性方程组的解作为原问题的近似解。其优点是易于处理非均质问题和具有复杂边界形状的问题。通过近二十年的研究,随着计算机技术的不断发展,国际上已经形成了一批非常有影响的地下水模拟软件,如MODFLOW、visual MODFLOW、MT3D、MODPATH、FEFLOW等,这些软件解决了以往工作中复杂的数学计算,大大提高了计算精度和计算速度,减轻了研究人员的劳动时间,提高了劳动效率,为解决问题提供了新的技术和手段,成为未来地下水研究的一个技术手段。其中,美国地质调查局(USGS)开发的MODFLOW和德国WASY公司开发的FEFLOW分别为有限差分法和有
12、限元法模拟地下水运动的代表。利用模拟软件进行地下水环境评价都是通过建立水质模型来实现的,具体工作步骤如下:(1)明确工作目标和任务 根据所要考察的实际水文地质问题确定所研究的目标和任务,进而对预计的研究成果精度提出恰当的要求。(2)收集资料与野外调查 明确水质模型的范围,对区域地质背景、水文地质背景进行调查,查明含水介质条件、地下水流动条件和研究区的边界条件三方面内容。收集研究区内的地层、岩性、构造、第四纪地质及地貌资料;收集区内地表水体相关资料,包括河流的流速、流量、含砂(泥)量、河床淤积速度,地表水的水位、水质、蓄水量及其渗漏补给地下水量;收集区域土壤、植被、农作物相关资料,分析包气带水的
13、运移特征及其水质特征;查明地下水的补给、径流、储存和排泄条件,分析地下水水动力、水化学特征及含水层富水性变化规律;分析区域大气降水和蒸发的时空分布特征及降水入渗条件;分析区内水循环特征,分析大气降水、地表水、包气带水与地下水的相互转化特征及其水均衡要素。在此基础上查明含水层(目的层)系统的结构及其内部水量分配条件、含水层系统裸露区的入渗条件、含水层系统垂向水量交换条件和侧向水量交换条件、地下水在不同时期(枯、平、丰水期)和不同开采条件下的渗透水流状态以及地下水在天然状态和开采条件下的水均衡条件、地下水水化学背景、地下水污染、水资源开发利用状况等等。根据所收集的现有资料,对模型所含的参数和定解条
14、件进行初步的分析,明确还需为获取必要信息所进行的调查研究工作。在此基础上,制定和设计出为获得这些参数和条件所必须进行的勘探和试验,包括需要增加的钻探工作量、抽水试验或野外弥散试验的布置,室内水质分析等。(3)选择模型 根据模型使用目的选择所需要的模型。对流-弥散模型考虑了水动力弥散的作用,能比较精确地刻画过渡带的浓度分布,比纯对流模型更加符合实际。对于时空范围大的水质问题,或对研究区的精度要求不太高时,可选用较简单的纯对流水质模型,这样就避免了因确定水动力弥散系数而带来的困难。对于局部的水质问题或者精度要求较高的水质问题,必须用对流-弥散模型,它能反映污染物在含水层中的时空分布规律。根据收集资
15、料和野外调查结果,分析计算区内的水文地质条件,确定计算区的范围、含水层的结构及地下水流动方程的类型。如,含水系统是单层的还是多层的;含水层是承压的、无压的,还是承压-无压的;多层结构的层间水力联系是面状越流、“岩性天窗”勾通,还是两者兼有;含水层是均质结构、二元结构,还是多层非均质结构,等等。(4)现场试验 初步确定了地下水水质模型的基本类型后,经常碰到的问题是缺乏某些资料,如长期地下水位观测资料、水质统测资料、某些水文地质参数、源汇项等。水位和水质资料的缺乏可以补充观测网点,增加观测时段来收集;水文地质参数的缺乏,根据模型的要求,选用经验值或进行抽水试验、示踪剂注入的弥散试验等方法来获得。地
16、下水补给来源主要有降雨入渗、灌溉入渗、渠系渗漏、越流补给等,主要通过经验公式计算得出;地下水的排泄方式主要有侧向径流排泄、潜水蒸发排泄和人工开采,主要利用经验公式和野外调查获得。(5)模型建立 根据研究区的基本情况和收集到的资料建立数学模型,数学模型包括研究区的水文地质条件、初始条件和边界条件。由于不同的水质模型以及不同的计算方法需要不同的计算机程序,根据具体的数学模型选用合适的计算软件程序。但由于水文地质条件的复杂性很难用一个通用的程序来解决,我们要根据实地的水文地质条件,提出能符合实际的仿真模型,结合已有的水质模型程序或软件,经过适当的修改、补充,输入研究区的主要数据,得到研究区的仿真模型
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