补充资料_dispersion_for print

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2011-4-17
水动力弥散尺度效应—— 水动力弥散尺度效应——尺度定义 ——尺度定义
a. 孔隙尺度(pore scale): 平均孔隙大小; b.局部尺度(local scale):定 点观测或取样分析的体积大小; c.实验室尺度(lad. scale): 土柱或砂槽长度;
水动力弥散尺度效应—— 水动力弥散尺度效应——产生原因 ——产生原因? 产生原因?
∂C ∂s
D ——水动力弥散系数
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水动力弥散机理
水动力弥散系数确定
基础——基于连续理论的仅考虑对流、弥 散项的溶质运移对流-弥散方程(bear,1972): r ∂C r = ∇ ⋅ ( D∇C ) − ∇ ⋅ V ⋅ ∇C + Q ( x , t , c ) ∂t ∗ Dij = αT v + (α L − αT )v i v j / v + Dij 以对流弥散方程为基础,根 据测定的研究区内随时间变 化的浓度分布,水头信息, 结合渗流方程,可以进行系 数D的反演。 常用方法: 解析法(仅极为理想条件下 才能得到精确解的表达式); 数值方法—— 有限差分法,有限元法等 参数优化方法: 单纯形法、变尺度法、可变 容差法、遗传算法;
趋于一致的看法是:野外条件下介质的不均匀性造成了 室内试验结果与野外试验结果之间的巨大差别。Valia等 研究表明,弥散系数存在分形效应。这是由于在野外, 多孔介质的非均匀性和空间变异性导致了渗透性能的空 间变异性,而渗透性能的变异性直接影响到地下水中溶 质的运移过程。 严格证明这种看法的正确性需要进行高精度的大区域弥 散试验,但这类试验是耗资、费时和难度很大的作. 目 前在世界范围内只有很少的试验达到这种要求。
引自:成建梅,考虑可信度的弥散尺度效应分析[j],水利学报,2002,(2):90-94
α = 10−4 ~ 10−2 m
d. 含水层尺度(full aguifer scale):含水层厚度;
α = 10−1 ~ 10−0 m
e. 区域尺度(regional scale): 溶质运移距离远大于野外试验 含水层厚度的。
1.溶质再分配过程 1.溶质再分配过程 2.实验表明 2.实验表明, 实验表明,水动 力弥散系数D D是平 力弥散系数 均线速度和弥散率 α的函数 3.通常情况下 3.通常情况下, 通常情况下,在 横向上 为源汇项; v , v 分别为空隙水流速度矢量和模量,
附:参考文献
张元禧,施鑫源,地下水文学[m],北京:中国水利水电出版社,1998 叶为民等,地下水污染实验研究进展[j],水利学报,2005,36(2):251-255 成建梅,考虑可信度的弥散尺度效应分析[j],水利学报,2002,(2):90-94 吴耀国等,对弥散实验的几点新认识[j],西安地质学院学报,1995,17(4): 37-40 黄安乐,多孔介质水动力弥散尺度效应研究-现状与展望[j],水文地质工程地质, 1991,18(3):25-31 王永森等,考虑弥散系数尺度效应的溶质运移模型研究[j],人民黄河,2008,30 (11)
2011-4-17
污染物迁移转化过程—— 污染物迁移转化过程——弥散项 ——弥散项
弥散项概念介绍 水动力弥散研究介绍 水动力弥散的尺度效应
主要内容
溶质运移转化偏微分方程
∂C ∂ ∂C ∂ Rθ = (θ viC ) + qs Cs − qs′C − λ1θ C − λ2 ρbC θ Dij − ∂t ∂xi ∂ xj ∂xi
引自:吴耀国等,对弥散实验的几点新认识[j],西安地质学院学报,1995,17(4):37-40
水动力弥散尺度效应
水动力弥散随着溶质运移距离增大而增加的现象称为多孔 介质水动力弥散尺度效应(Scaledependent dispersion):
(1)同一种多孔介质, 由野外弥散试验确定的弥散度α值比室内土 柱弥散试验确定的大得多(Fried,1975,Klotz,1982,Sudicky等, 1982)。例如, 室内测得的一般为厘米级,而野外测得的弥散度 可以达到1-1000m; (2)野外同一含水层中,溶质运移距离越大,所测得的弥散度也越 大,但一定距离以外,测得的弥散度趋于常数。
资料来源致谢如下同学 资料来源致谢如下同学: 如下同学:于思洋, 于思洋,熬菲, 熬菲,姜刘志, 姜刘志, 陆晓暖
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引自:叶为民等,地下水污染实验研究进展[j],水利学报,2005,36(2):251-255
引自:叶为民等,地下水污染实验研究进展[j],水利学报,2005,36(2):251-255
水动力弥散研究
试验场地选择: 试验场地选择: 含水层的厚度、组成颗粒的大小、流速、流向等;应考虑到介质的不均匀 程度在所研究区域中也具有代表性 实验规模确定: 实验规模确定: 0~4 m 的小型试验;4~100 m 的中型试验;100 m 以上的大型试验;根据 试验目的和具体的水文地质条件选择中等乃至大型试验比较理想。 示踪剂的选取: 示踪剂的选取: 考虑其毒性小(或无毒)、价廉、易测试、可与地下水一起运动、不改变流场、 对吸附现象反应小等特点;为减少吸附作用对溶质运移的影响,所选择的 示踪剂还应在试验区内具有较大的背景值。 观测井的布置: 观测井的布置: 为得到试验区的稳定弥散度,在进行观测井布置时,最好沿主水流线多分 布几排, 以确保示踪剂扩散体积大于其临界体积。
其余符号同前。
产生机械弥散的情况: 产生机械弥散的情况: 孔隙通道弯曲性的差异; 孔隙断面上速度分布的不均匀性; 孔隙网络的不均匀性,引起溶质 质点沿主流道的先运动; 局部低压区引起的水流循环; 个别孔隙通道中产生的涡流; 死端孔隙或双重介质的影响。
I = I s + Ih = −D D = Ds + Dh
弥散项—— 弥散项——水动力弥散运移 ——水动力弥散运移
水动力弥散运移指溶质在含水介质中,由分子扩散和机械弥散两种 作用同时引起的溶质迁移。
1.溶质的分子扩散 是由分子的布朗运动所引起,只要存在浓度梯度,就会出现分子扩散,使溶 质由高浓度处向低浓度处迁移,以趋浓度均一。单位时间通过单位面积的溶 质质量 ∂C 符合Fick第一定律: I s = − Ds ∂s
vi , v j
Dij
α L ,αT
分别为流速分量; D 的分量; 为水动力弥散系数张量 分别为纵向和横向弥散率,表征孔 隙骨架的几何特征,是最重要的溶质运移 参数,一般据溶质运移试验的浓度穿透曲 线与对流-弥散方程的解拟合确定。
水动力弥散系数确定
水动力弥散研究
可分为室内弥散实验和野外弥散实验两种手段。 在进行弥散项研究时,要明确模型假定、孔隙介质的选取、含水层性质等 基本条件,同时要注意初始条件和边界条件的选取。
Ds ——溶质的机械弥散系数;
弥散项—— 弥散项——水动力弥散运移 ——水动力弥散运移
水动力弥散运移指溶质在含水介质中,由分子扩散和机械弥散两种 作用同时引起的溶质迁移。
3.相互关系 分子扩散通常情况下只在低流速下或长期作用中体现明显,分子扩散系数为 介于某一范围间的常数,在25℃时介于 1× 10−9 ~ 2 ×10−9 m 2 / s 之间,机械弥 散系数与之相比要大得多,主要控制污染物的扩展过程。 二者机理虽然不同,但一般都将两者对溶质迁移的作用,综合进行考虑,并 称之为水动力弥散。即由于水动力弥散作用引起的在单位时间内通过单位面 积的溶质质量为:
Ds ——溶质的分子扩散系数,不同溶质的分子扩散系数不同,温度不等也 不同;
∂C ——溶质浓度C沿s方向变化的浓度梯度。 ∂s
弥散项
对流项
溶解项
吸附项
弥散项—— 弥散项——水动力弥散运移 ——水动力弥散运移
水动力弥散运移指溶质在含水介质中,由分子扩散和机械弥散两种 作用同时引起的溶质迁移。
2.溶质的机械弥散 是由于污染物质点在微观尺度上因流速的变化而引起的相对于平均流速的离 散运动,通常假设弥散过程是一个不可逆过程。 通过实验和模拟研究,可以证实溶质的机械弥散也能参照Fick第一定律来描 述: ∂C 单位时间通过单位面积的溶质质量为: I h = − Dh ∂s
α = 10−0 ~ 10−3 m
总结: 总结:
弥散模型的求解问题:目前应用较为广泛的弥 散模型在数学上已归结为去解一个动力弥散方 程,这种方程不仅是非线性的而且离散化后的 系数矩阵是非对称的。这就给数值求解带来了 较大的困难。一般数学方法可能会发生解的振 荡因此在不同条件下寻求合适的方法是解决此 类问题的关键。 弥散尺度效应问题:由于尺度效应的存在,不 能把试验所得参数直接应用于现场,成为制约 水动力弥散研究的一个重要瓶颈,关于弥散系 数尺度效应问题的研究将是今后地下水污染研 究的热门问题。