基于非线性吸附-解吸模型的污染物迁移过程数值模拟

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为了防治地下水污染,需要对污染物在多孔介质中的迁移做出预测。多孔介质关于污染物的吸附与解吸附作用影响了污染物的整体迁移规律,准确的吸附-解吸附模型将更有利于污染物迁移预测。本文通过对各类吸附模型的研究,验证了考虑吸附历史的非线性吸附模型(Bai模型)更符合实际情况,该模型考虑了多孔介质吸附能力的衰减现象,利用COMSOL Multiphysics(5.4)软件完成了数值模型的建立。通过理论分析与数值分析相结合的方法,研究了各个模型下污染物的运移规律,对一维模型和三维模型进行了特征分析。主要研究内容如下:(1)利用Laplace变换及逆变换得到线性均衡吸附模型下控制方程的解析解。利用有限元软件COMSOL Multiphysics(5.4)建立了数值模型,将数值解与解析解进行对比,验证数值解的正确性。建立线性非均衡吸附数值模型,对该模型进行参数分析,随着迂曲度数值的增加,模型的浓度峰值有一个先增加后减小的过程。解吸平衡系数的减小,浓度峰值逐渐减小,峰值时刻逐渐提前,最终穿透率减小。吸附分配系数主要影响吸附过程,吸附分配系数增加,浓度峰值降低,峰值时刻滞后,穿透率降低。对非线性非均衡模型进行参数分析,修正系数增大,浓度峰值增大,并且峰值时刻提前,修正系数增大会减弱模型的吸附能力。在研究了以上模型的基础上,发展了吸附历史模型(Bai模型),该模型在非线性非均衡模型的基础上考虑了多孔介质非原始吸附时吸附能力的衰减。(2)利用COMSOL Multiphysics(5.4)中的“多孔介质稀物质传递”物理场和“域常微分和微分代数方程”数学场,通过特殊求解设置完成了一维吸附历史模型的建立。利用悬浮颗粒穿透土柱试验的试验结果与数值模拟结果进行对比,试验结果与数值模拟结果能够较好的吻合,说明吸附历史模型能吻合实际的污染物迁移情况。(3)对吸附历史模型控制方程中的对流项、弥散项、吸附项进行了三维扩展,得到三维情形下的控制方程。利用COMSOL Multiphysics(5.4)建立三维吸附历史模型。对点源污染模型进行分析,与非线性非均衡模型对比,吸附历史模型的浓度峰值要高于非线性非均衡模型,并且浓度峰值出现时刻略有提前。污染物倾向于顺着水流方向进行水平的迁移扩散,在垂直方向上扩散能力较弱,并且由于重力作用的影响,底部浓度要高于上部浓度。随着水平距离的增加,污染源的中心影响能力越来越弱。污染物(点源衰减)迁移的前期过程中,浓度峰值较高,但是污染物分布范围较小,而污染物分布范围增加后,浓度的峰值降低。相较于吸附历史模型,非线性非均衡模型对污染物迁移的阻滞能力更强,时间越长,两模型的差距越大。污染源衰减周期越长,污染物扩散范围越广。对模型进行参数化分析,体积干密度越大,浓度值越小,污染范围越大,说明体积干密度越大的多孔介质对污染物迁移扩散的阻滞能力越强。孔隙率越大,污染物面积越大,也说明了孔隙率增大会对污染物的迁移起到促进作用。水头差越大,主渗流方向污染物扩散面积越大,而对横向的扩散无促进作用。对体源模型而言,其污染物浓度要高于点源模型,在各个截面的扩散范围更广。越靠近污染源中心,弥散作用对主渗流方向的污染物扩散影响越弱,污染物会沿逆流方向传播,对上游造成污染。
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