垃圾填埋場滲濾液中c畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 發生。隨地下水流動的溶質數量是濃度與地下水量的函數。一維溶質對流傳輸方程為： （310）式中為平均線性速度，它表示通過單位面積孔隙流線的速率，可表示為 （311）式中：——有效孔隙度；K——水力傳導()；——水力梯度()；一維狀態對流傳輸下的溶質矢線Fx可表示為： （312）式中：——溶質濃度()。 水動力彌散 [11][12]考慮通過多孔介質的飽和流動。在流動區域某點緩慢地連續注入含某種示蹤劑濃度為C0的水，則在注入點周圍示蹤物質逐漸散布開，并不斷占有流動區域中越來越大的部分，超出了僅按平均流動所預測占據的范圍。而且，示蹤物質不僅有沿著流動方向的縱向擴展，還有垂直于流動方向的橫向擴展，見圖31。圖31 流體動力彌散現象 圖32 彌散過程的穿透曲線 Hydrodynamic dispersion phenomenon The diffusion process of penetrating在注入點下游某點測量示蹤跡的濃度變化ct，繪出示蹤跡相對濃度對時間t的曲線，稱為穿透曲線，見圖32。假若不存在彌散現象，那么穿透曲線應呈現圖中虛線所示的形式，即有一個以平均流速移動的直立鋒面，但實際上觀測到的穿透曲線具有圖中實線所示的形式。含示蹤跡的水超前于平均流速達到的位置，它們之間有一個流體動力彌散導致的示蹤跡濃度漸變的過渡帶。流體動力彌散就是多孔介質中兩種不同成分可溶混流體之間過渡帶發生的非穩定、不可逆轉過程。就是說，這一過程是隨時間變化的，并且不可能用逆轉流動來返回到初始分布。在研究地下水溶質運移問題中，水動力彌散系數是一個很重要的參數。流體動力彌散是一種宏觀現象，但其根源卻在于多孔介質的復雜微觀結構與流體的非均一的微觀運動。實際上，流體的動力彌散是溶質在多孔介質中的機械彌散和分子擴散兩種物質輸運過程同時作用的結果。 機械彌散由于溶質地下水流的速度不完全一致，因而在其流動過程中發生混流現象，這種混流稱為機械彌散，它主要為純力學作用的結果。沿流動方向的混流亦稱為軸向彌散，質點流速的不一樣及不同孔隙中地下水質點實際流速的差異產生了縱向機械彌散。向前彌散的溶質峰面也會沿垂直于軸向的方向彌散，這是由于固骨架的阻擋作用產生了橫向機械彌散，橫向彌散大概可以波動一個顆粒直徑大的范圍。所謂機械作用，就是由于孔隙系統的存在，使得流速在孔隙中的分布無論其大小和方向都不均一。對機械彌散的研究多采用示蹤劑的方式進行，通過觀察示蹤劑所看到的水動力彌散是一種宏觀現象，但是用Darcy水流的平均流速是不能解釋觀察到的觀測資料，而必須從微觀水平上，也就是從孔隙的內部去考察所發生的現象。在多孔介質內，通過任意孔隙橫截面上的流速分布，其大小和方向都不是相同的(圖33) 。一般可以分為三種情況:1)同一孔隙中，地下水質點流速不等于實際平均流速。由于流體的粘滯性，使得單個孔隙通道中心軸處的流速最大，而固體表面處的流速接近于零，類似于筆直的毛細管的流體速度的拋物線分布。2)不同孔隙中地下水質點的實際流速也是不同的(圖34)。 圖33 單孔隙中流速的分布圖 圖34不同孔隙中流速的差異 The distribution of the single Difference of velocity of flowhole current velocity in different holes 由于多孔介質微觀幾何結構的復雜性，實際上要從微觀水平上進行研究是很難做到的。因此只好從微觀水平上過渡到比較粗的宏觀水平上來描述地下水質點在多孔介質中發生的流動。需要引入典型單元體的概念，可將多孔介質通道中流體質點的速度平均化，即： （313）式中:——質點速度矢量；——平均速度矢量；是一個假想的速度矢量，即通過所說的某點處地下水實際流速矢量，它是在典型單元體的空隙體積內取質點速度矢量的平均值，作為典型單元體形心處的地下水平均速度矢量。由此我們可以看到地下水質點的實際流速與平均流速是完全不同的兩個概念。3)受相互連通的孔隙空間的形狀影響，即固體顆粒的阻擋，孔隙空間的流線相對于平均流動繞流(圖35),使地下水質點的實際運動曲折起伏。上述3個現象是引起機械彌散的原因。這些現象使得最初緊密排列的地下水質點散布開來。圖35中的圓點表示流體質點在t時刻到時刻的位置，由于孔隙中微觀流速的這種不均一性，使得開始時彼此靠近的地下水質點群在地下水流動過程中不是一律按照平均流速運動，而是不斷的被細分，進入更為纖細的通道分支，使得地下水質點逐漸擴展，超出僅按平均流動所預期的擴散范圍。為簡單起見，假定機械彌散現象也能用費克定律描述并且認為機械彌散量是平均線性速度的函數，那么就可引入一個機械彌散系數。例如軸向機械彌散系數，其中為主流動方向平均線性速度(L/T)，為主流動方向的動態彌散率(L)。橫向機械彌散系數為，為j流動方向的動態彌散率(L)。 圖35水質點的散布 The dispersion of the water particle 分子擴散分子擴散是物理化學作用的結果，是分子布朗運動的一種現象，亦稱物理化學彌散。當液體中溶質濃度不均勻時，則會形成化學勢，于是溶質就會在濃度梯度的作用下由濃度高處向濃度低處運動，以使液體中的溶質濃度趨于均勻。在多孔介質中的分子擴散作用受孔隙的不均勻性、孔隙的大小與結構及介質中擴散離子的電價等綜合影響，變化十分復雜，亦存在縱向擴散和橫向擴散兩種形式。分子擴散在多孔介質的整個彌散過程是永遠存在的。即使在地下水處于靜止狀態的時候，如地下水與污水在不發生相對流動時，污水中的污染物質亦會因為有分子擴散作用而進入地下水中。在靜止的重力水中，污染物質從濃度高處向濃度低處的分子擴散，可用Fick第一定律描述。Fick第一定律可表示為: （314）式中：F——單位面積單位時間通過的溶質；——擴散系數()；C——溶質濃度()；——溶質濃度梯度()。 式中負號表示溶質從高濃度向低濃度方向擴散。擴散系數Dd受濃度影響不大但與溫度有一定關系。Dd　的值當溫度為25 ℃時在1109至2109 m2/s之間，但當溫度為5 ℃時其值減少約50%。在多孔介質中，液體中污染物的分子擴散可用Fick第一定律描述，但污染物在多孔介質中的分子擴散系數一般小于其在重力水中的分子擴散系數，這主要由于多孔介質中的一部分體積被固體顆粒所占據，液相只占介質體積的一部分，最大是土體飽和時等于介質的孔隙率。實際上，機械彌散和分子這兩個過程之間的劃分完全是人為的。當多孔介質中的流體流動時，機械彌散與分子擴散以不可分開的形式同時起作用，合起來就形成了流體動力彌散。溶質與水流合起來流動可用一個水動力彌散系數D描述，并以下式表示: （315） （316）式中:——平行于主軸流動方向的水動力彌散系數；——垂直于主軸流動方向的水動力彌散系數；、——分別為縱軸和橫軸水動力彌散度；——分子擴散系數。縱軸和橫軸水動力彌散系數，是僅與介質特性有關的參數，可定義如下: （317） （318）式中:t ——時間；、——分別為縱向和橫向延展毛細流動的方差。 滲濾液中Cl遷移的滯后現象及吸附作用[8][13]Cl隨著水流進入包氣帶，進而進入含水層的水動力場的過程中，由于產生各種物理、化學及生物作用，使得Cl遷移與其周圍地下水運動產生差異，出現前者比后者滯后的現象。這種滯后現象常用遲滯因子（Rd）來定量描述。遲滯因子（Rd）來源于對流彌散吸附方程： (319）式中:v——沿x方向地下水的線形平均流速；——地下水中Cl的濃度；——水流方向的距離；——彌散系數； ——含水層介質容量；——含水層有效孔隙度；——每單位重量介質吸附的Cl重量；——時間。方程(319)右邊的第三項為由于吸附引起的Cl的損失量。如果污染物被吸附的速度比較快（相對于水流速度來說），很快達到吸附平衡，則其液態污染物平衡時的濃度（）與固態吸附污染物平衡時的濃度（）有如下關系： （320）式中Kd定義為分配系數，即達到吸附平衡時固相和液相污染物的分配情況,其值可用實驗的方法測得。如果是線形吸附，則Kd值為吸附等溫線的斜率。對于特定的固相介質來說，某一污染物的Kd值為一常數。在這樣的情況下，可用Kd值衡量各種污染物的相對遷移能力，Kd值越大，越易于吸附，越不易遷移；反之，Kd值越小，越不易被吸附，越易于遷移。Cl遷移能力高，不易被吸附。若變換(320)式得： （321）將（321）式代入 (319)式得： （322）若令= Rd ，于是，（319）式可寫成： （323） 式中符號同前。于是，遲滯因子（Rd）亦可表示為： （324）式中：v——地下水流的線形流速； ——污染帶鋒面的流速。由(324)式得： （325)（325）式中的稱為污染物的相對速度。遲滯因子（Rd）是具體測量地下水滲濾液中Cl滯后現象的量度。4 滲濾液中Cl遷移的數學模型滲濾液中Cl小部分可以直接通過垃圾堆體孔隙和土壤顆粒空隙進入地下水，大部分污染物都是隨著補給地下水的水源一道進入地下水中的。從上面的討論中，我們看到，滲濾液中的Cl既可隨地下水做對流運動，也可以隨水分子濃度擴散做擴散運動。為了進行地下水污染預測，須同時求解地下水流模型和滲濾液中的Cl在地下水中遷移的模型。本部分運用地下水動力學、多孔介質流體力學學等多學科相關理論，依據滲濾液中的Cl在地下水環境中的遷移機理，在考慮上述對流、水動力彌散、吸附條件下，建立滲濾液中的Cl在地下水中遷移的耦合數學模型。 水流方程 考慮密度變化的水流運動方程[14]在地下水含水層中，滲濾液中的Cl主要依賴地下水來傳播，作為其遷移的載體—地下水，其物理特性（如密度）在溫度、壓強和溶質濃度的作用下表現較為敏感，因此成為影響Cl濃度分布的關鍵因素。此外，地下水與滲濾液中的Cl之間也存在著密度反差，不僅加速了Cl的傳播，還會導致其與地下水（低密度）之間的水動力混合進一步增強。因此，模擬變密度影響地下水流的運動規律，對滲濾液中的Cl安全性能評價有重要的現實意義。在考慮壓強和濃度的影響下，滲濾液中的Cl在地下含水層流動方程為： （41）定義參考水頭為： （42）于是有： （43）把式（43）代入運動方程式（42）中，得： （44）定義： （45）將式（45）代入（44），得： （46）式中：——參考水頭，量綱為；——滲濾液中Cl的參考密度；——相對密度；——濃度的函數，(C)；——表示水流方向的符號，代表水平方向，當代表垂直方向。 水流連續性方程我們在各向異性含水介質中取一微小立方體（見圖41），使它的三組平行面分別垂直于、和軸。它的棱長分別為、和，各側面面積分別為、和。我們以上述微小立方體的多孔介質為均衡體，以為均衡時間段，建立其質量守恒方程。在時段內，沿方向通過下側斷面流入的質量為，同一時段內，沿方向通過上側斷面流出的質量為。 圖41 滲流區中的單元體 The element of seepage flow zone在方向上，上下側面凈流入微小均衡體的質量為：同理，在時段內，沿和方向凈流入均衡體的質量分別為：和因此，時段內，上述三個方向流入均衡體的質量分別為： （47）當地下水為不穩定流動時，這個增量將表現為均衡體內所儲存的地下水質量的變化，即： （48）對上式采用Taylor級數定理，可得到： （49）依據質量守恒原理，令式（49）和（48）相等，方程兩端除以，并取、和，則得到滲流的連續性方程為： （410）考慮到液體，同時假設含水層只存在垂向變形，即和為常量，有： （411）根據地下水動力學的有關公式： （412） （413） （414） （415）式中：——多孔介質的壓縮系數；——液體體積的壓縮系數。把式（412）、（413）和（414）代入（411）,得： （416）式中，是多孔介質的儲水率。代回式（410），并約去方程兩邊的，得： （417）將式（41）代入上式，得： （418）對式（42）求導，得： （419）將式（43）、（45）、（415）和（419）代入（418），得： （420）將式（33）和式（34）代入（420）得： （421）4．2 滲濾液中Cl的遷移方程[14