基本信息
- 项目名称：
- 地下水污染的物理模拟研究及实践应用分析
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 水动力弥散理论是分析地下水污染物在多孔介质中迁移的经典理论，但由于弥散机理和物理模拟研究不足等原因，水污染预测和防治仍然是水文地质学科的世界性难题。本作品在学习大量国内外文献和完成室内二维水动力弥散试验的基础上，对导致水动力弥散理论应用困难的原因进行了分析，探索室内物理模拟分析求解的新方法，并对影响弥散过程的温度、重力场等条件进行定性分析，进一步完善弥散理论，探索其实践应用。
- 详细介绍：
- 物理模拟是地下水污染预测和防治的重要研究手段。在美国和日本比较重视物理模拟的砂箱模型（Sand Tank Models）的应用，在研究污染物质迁移规律方面有良好的效果。本作品在学习大量国内外文献和完成室内二维水动力弥散试验的基础上，对导致水动力弥散理论应用困难的原因进行了分析。在完善弥散理论的基础上，通过概化一维流三维弥散的概念模型，设计制作了“一种测定三维水动力弥散系数的地下水污染模拟装置”，进行了一维流三维水动力弥散试验，对三维水动力弥散系数进行了求解，分析了污染物在三维空间上的运移规律，并讨论了重力场、温度场对水动力弥散作用的影响。并在此研究基础上，对华北平原的水文地质情况和水动力条件进行概化，设计了适用于模拟华北平原咸淡水界面下移的物理模型，由室内理想介质条件及简单含水层系统，结合华北平原野外实际地质条件，通过实例探讨了水动力弥散理论的应用，成果创新显著，具有重要的应用价值。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 1、探索物理模拟求解三维弥散系数的新方法，降低弥散系数的求解难度，推广弥散理论的实际应用；2、正对弥散理论机制分析，结合我国南北方及不同深度地下水温度差异、重力差异等，对弥散作用的影响进行定性分析，完善弥散理论； 3、探索物理模拟结合野外实践分析方法，由室内研究探索野外工程研究，开创实践运用弥散理论成功进行地下水污染分析的应用先例。
科学性、先进性及独特之处
- 1、首次完成一维流三维水动力弥散实验，并利用逐点求参法推导出了横纵向弥散系数的解析解，计算出了三维水动力弥散系数； 2、定性分析温度场和重力场对三维水动力弥散作用的影响，并讨论了分子扩散作用和机械弥散作用在横纵向弥散中的作用机制； 3、对水动力弥散理论及物理模拟方法进行探讨研究，通过概化华北平原水动力条件，设计概念模型，在物理模型的设计中基于地下水系统理论设计了实验装置。
应用价值和现实意义
- 1、通过该装置室内三维模拟试验确定污染物运移的相关参数，为研究污染物的运移提供一种新方法； 2、考虑了温度及重力场对弥散作用影响，完善弥散理论，在污染物的扩散范围及运移速度确定上增加了科学性与准确度； 3、设计了应用实例，物理模拟与野外实际相互结合，使物理模拟分析预测地下水污染成为可能。方法创新，有重要推广前景； 4、试验方法可用于溶质运移理论及模型课程教学中，加深学生对水动力弥散概念理解。
学术论文摘要
- 日本核泄漏发生后，有关核污染在大气和海水中运移速度和范围的报道比比皆是，而在土壤层、地下水中迁移情况的数据信息却是空白，这再次说明水污染预测和防治仍然是水文地质学科的世界性难题。 本作品在学习大量国内外文献和完成室内二维水动力弥散试验的基础上，对导致水动力弥散理论应用困难的原因进行了分析。通过概化一维流三维弥散的概念模型，设计物理模型，并制作“一种测定三维水动力弥散系数的地下水污染模拟装置”，进行了一维流三维水动力弥散试验，分析求解污染物在三维空间上的运移规律，讨论了重力场、温度场对水动力弥散作用的影响。并在此研究基础上，设计了适用于模拟华北平原咸淡水界面下移的物理模型，进一步在实践中应用水动力弥散理论。 创新之处： （1）首次完成了一维流三维水动力弥散实验，并利用逐点求参法推导出横纵向弥散系数的解析解，计算出三维水动力弥散系数； （2）定性分析了温度场和重力场对三维水动力弥散作用的影响，并讨论了分子扩散作用和机械弥散作用在横纵向弥散中的作用机制； （3）针对华北平原的水文地质情况和水动力条件进行了概化，设计了应用实例,对水动力弥散理论及物理模拟方法进行了探讨研究。
获奖情况
- 1.2011年4月《结合平面和剖面测定的低流速二维砂槽水动力弥散实验研究》已被核心期刊《湖南科技大学学报（自然科学版）》录用； 2.2011年4月获“一种测定三维水动力弥散系数的地下水污染模拟装置”国家发明专利申请一项； 3.2011年4月《Development of 3-D Dynamical Dispersion Measurement Instrument on the basis of 1-D Flow》已投稿至《Enviromental Engineering Science； 4.2011年4月《The Research of Three-Dimensional Sand Launder Hydrodynamic Dispersion Experiment in Laboratory》已投稿至《International Journal of Environmental Research； 5.2010年11月获得“湖北省大学生优秀科研成果奖三等奖”一项。
鉴定结果
- 作品首次完成一维流三维水动力弥散试验，测定弥散系数，评价了重力场和温度因子对弥散作用影响，对完善弥散理论有重要意义，设计的评价华北平原咸淡水界面下移的方案具有可行性，具有显著的创新性。
参考文献
- [1] Brian Cooke.Centrifuge Modelling of LNAP Infiltration[M].Physical Modelling and Testing in Environmental Geotechnics.France: Laboratoire Central des Ponts et Chaussées,May 2000. [2] Chu H S,Salehzadeh A,Demond A H, Woods R D.Mechanisms of Removal of Residual Dodecane Using Surfactant Foam [J].ASCE National Convention, Washington D.C.(Reddi,L.N.,Ed.),November 12-14,New York,ASCE.2000,269-280. [3] Coumoulos H, K Soga, Tissa H Illangasekare.1g and Centrifuge Tests on DNAPL Migration in Saturated Porous Media with Inclined Layers-Modelling techniques[M].Physical Modelling and Testing in Environmental Geotechnics. France: Laboratoire Central des Ponts et Chaussées,May 2000. [4] 陈建峰，王政友.大同地区地下水弥散实验研究. 工程勘察，2000,12 （4）：198-199. [5] 陈崇希，李国敏.地下水溶质运移理论及模型.武汉：中国地质大学出版社，1996：1-73.
同类课题研究水平概述
- 1、水动力弥散分析模拟方法---缺乏室内三维物理模拟的研究 国内外测定土壤中水动力弥散系数的计算方法主要有三种，即数值模型法，野外实验法，室内模拟实验法。 目前国内外对室内实验的模拟研究只要以一维弥散为主，采用渗流柱作为弥散装置。其次是二维弥散实验，一般采用矩形弥散槽，当模拟径向弥散时也可采用辐射状弥散槽，对X、Y方向弥散系数进行求解。但由于三维装置的复杂性，目前对国内外室内三维弥散装置的研究缺乏。叶为民等曾在《地下水污染室内研究进程》（2008）中指出，目前室内实验研究主要是一维、二维弥散实验，缺少能够真正反映污染物运移的三维弥散实验研究。 2、水动力弥散系数求解方法---缺少三维弥散系数物理模拟求解 在目前研究进展中，国内外研究中较为普遍的是对一维、二维水动力弥散系数的求解上，不论是数值模拟还是物理模拟，求解方法都已经很成熟。但由于三维弥散的复杂性，求其解析解仍然较为困难。但在很多情况下，数值模型求解由于其纯数学的理想计算模式下，往往误差较大。而物理模拟求解，近年来，一些学者对简单的三维模型进行了求解，但是仍然缺少实验的验证，尤其是对物理模拟的三维求解，也缺少利用三维解析解计算三维弥散系数的实例。 3、水动力弥散系数的影响因素---缺乏对温度场及重力场的研究 在实际的多孔介质中，影响水动力弥散系数的因素很多，且相互之间的关系也非常复杂。目前研究进展中，所提到的影响因素主要有水流速度、运动粘滞系数、介质有效孔隙率、介质分选度、磨圆度和尺度效应等。例如陈崇希曾在《溶质运移理论中》对以上因素做出了较为系统的分析，在不同的流速条件下水动力弥散可划分为五个区域，水动力弥散系数则对应不同的解析表达式。国外学者则将注意力集中在了包括石油在内的非清水性液体(Nonaqueous phase liquid，简称 NAPL)，对 NAPL在地下水中的运移、控制、修复等方面开展了大量的研究工作。 但在目前研究中，关于地下水中水动力弥散系数在温度场及重力场影响下的研究尚是空白，而水动力弥散中垂直方向的分子扩散受温度影响其扩散速度不同，重力场下的影响尚未可知。作为水动力弥散的重要组成部分，其对污染物运移速度的影响不可忽略。
