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基本信息

項(xiàng)目名稱：
地下水污染的物理模擬研究及實(shí)踐應(yīng)用分析
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
水動(dòng)力彌散理論是分析地下水污染物在多孔介質(zhì)中遷移的經(jīng)典理論，但由于彌散機(jī)理和物理模擬研究不足等原因，水污染預(yù)測(cè)和防治仍然是水文地質(zhì)學(xué)科的世界性難題。本作品在學(xué)習(xí)大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)和完成室內(nèi)二維水動(dòng)力彌散試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)致水動(dòng)力彌散理論應(yīng)用困難的原因進(jìn)行了分析，探索室內(nèi)物理模擬分析求解的新方法，并對(duì)影響彌散過(guò)程的溫度、重力場(chǎng)等條件進(jìn)行定性分析，進(jìn)一步完善彌散理論，探索其實(shí)踐應(yīng)用。
詳細(xì)介紹：
物理模擬是地下水污染預(yù)測(cè)和防治的重要研究手段。在美國(guó)和日本比較重視物理模擬的砂箱模型（Sand Tank Models）的應(yīng)用，在研究污染物質(zhì)遷移規(guī)律方面有良好的效果。本作品在學(xué)習(xí)大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)和完成室內(nèi)二維水動(dòng)力彌散試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)致水動(dòng)力彌散理論應(yīng)用困難的原因進(jìn)行了分析。在完善彌散理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)概化一維流三維彌散的概念模型，設(shè)計(jì)制作了“一種測(cè)定三維水動(dòng)力彌散系數(shù)的地下水污染模擬裝置”，進(jìn)行了一維流三維水動(dòng)力彌散試驗(yàn)，對(duì)三維水動(dòng)力彌散系數(shù)進(jìn)行了求解，分析了污染物在三維空間上的運(yùn)移規(guī)律，并討論了重力場(chǎng)、溫度場(chǎng)對(duì)水動(dòng)力彌散作用的影響。并在此研究基礎(chǔ)上，對(duì)華北平原的水文地質(zhì)情況和水動(dòng)力條件進(jìn)行概化，設(shè)計(jì)了適用于模擬華北平原咸淡水界面下移的物理模型，由室內(nèi)理想介質(zhì)條件及簡(jiǎn)單含水層系統(tǒng)，結(jié)合華北平原野外實(shí)際地質(zhì)條件，通過(guò)實(shí)例探討了水動(dòng)力彌散理論的應(yīng)用，成果創(chuàng)新顯著，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

作品圖片

  • 地下水污染的物理模擬研究及實(shí)踐應(yīng)用分析
  • 地下水污染的物理模擬研究及實(shí)踐應(yīng)用分析
  • 地下水污染的物理模擬研究及實(shí)踐應(yīng)用分析

作品專業(yè)信息

撰寫(xiě)目的和基本思路

1、探索物理模擬求解三維彌散系數(shù)的新方法，降低彌散系數(shù)的求解難度，推廣彌散理論的實(shí)際應(yīng)用；2、正對(duì)彌散理論機(jī)制分析，結(jié)合我國(guó)南北方及不同深度地下水溫度差異、重力差異等，對(duì)彌散作用的影響進(jìn)行定性分析，完善彌散理論； 3、探索物理模擬結(jié)合野外實(shí)踐分析方法，由室內(nèi)研究探索野外工程研究，開(kāi)創(chuàng)實(shí)踐運(yùn)用彌散理論成功進(jìn)行地下水污染分析的應(yīng)用先例。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

1、首次完成一維流三維水動(dòng)力彌散實(shí)驗(yàn)，并利用逐點(diǎn)求參法推導(dǎo)出了橫縱向彌散系數(shù)的解析解，計(jì)算出了三維水動(dòng)力彌散系數(shù)； 2、定性分析溫度場(chǎng)和重力場(chǎng)對(duì)三維水動(dòng)力彌散作用的影響，并討論了分子擴(kuò)散作用和機(jī)械彌散作用在橫縱向彌散中的作用機(jī)制； 3、對(duì)水動(dòng)力彌散理論及物理模擬方法進(jìn)行探討研究，通過(guò)概化華北平原水動(dòng)力條件，設(shè)計(jì)概念模型，在物理模型的設(shè)計(jì)中基于地下水系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

1、通過(guò)該裝置室內(nèi)三維模擬試驗(yàn)確定污染物運(yùn)移的相關(guān)參數(shù)，為研究污染物的運(yùn)移提供一種新方法； 2、考慮了溫度及重力場(chǎng)對(duì)彌散作用影響，完善彌散理論，在污染物的擴(kuò)散范圍及運(yùn)移速度確定上增加了科學(xué)性與準(zhǔn)確度； 3、設(shè)計(jì)了應(yīng)用實(shí)例，物理模擬與野外實(shí)際相互結(jié)合，使物理模擬分析預(yù)測(cè)地下水污染成為可能。方法創(chuàng)新，有重要推廣前景； 4、試驗(yàn)方法可用于溶質(zhì)運(yùn)移理論及模型課程教學(xué)中，加深學(xué)生對(duì)水動(dòng)力彌散概念理解。

學(xué)術(shù)論文摘要

日本核泄漏發(fā)生后，有關(guān)核污染在大氣和海水中運(yùn)移速度和范圍的報(bào)道比比皆是，而在土壤層、地下水中遷移情況的數(shù)據(jù)信息卻是空白，這再次說(shuō)明水污染預(yù)測(cè)和防治仍然是水文地質(zhì)學(xué)科的世界性難題。 本作品在學(xué)習(xí)大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)和完成室內(nèi)二維水動(dòng)力彌散試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)致水動(dòng)力彌散理論應(yīng)用困難的原因進(jìn)行了分析。通過(guò)概化一維流三維彌散的概念模型，設(shè)計(jì)物理模型，并制作“一種測(cè)定三維水動(dòng)力彌散系數(shù)的地下水污染模擬裝置”，進(jìn)行了一維流三維水動(dòng)力彌散試驗(yàn)，分析求解污染物在三維空間上的運(yùn)移規(guī)律，討論了重力場(chǎng)、溫度場(chǎng)對(duì)水動(dòng)力彌散作用的影響。并在此研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適用于模擬華北平原咸淡水界面下移的物理模型，進(jìn)一步在實(shí)踐中應(yīng)用水動(dòng)力彌散理論。 創(chuàng)新之處： （1）首次完成了一維流三維水動(dòng)力彌散實(shí)驗(yàn)，并利用逐點(diǎn)求參法推導(dǎo)出橫縱向彌散系數(shù)的解析解，計(jì)算出三維水動(dòng)力彌散系數(shù)； （2）定性分析了溫度場(chǎng)和重力場(chǎng)對(duì)三維水動(dòng)力彌散作用的影響，并討論了分子擴(kuò)散作用和機(jī)械彌散作用在橫縱向彌散中的作用機(jī)制； （3）針對(duì)華北平原的水文地質(zhì)情況和水動(dòng)力條件進(jìn)行了概化，設(shè)計(jì)了應(yīng)用實(shí)例,對(duì)水動(dòng)力彌散理論及物理模擬方法進(jìn)行了探討研究。

獲獎(jiǎng)情況

1.2011年4月《結(jié)合平面和剖面測(cè)定的低流速二維砂槽水動(dòng)力彌散實(shí)驗(yàn)研究》已被核心期刊《湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》錄用； 2.2011年4月獲“一種測(cè)定三維水動(dòng)力彌散系數(shù)的地下水污染模擬裝置”國(guó)家發(fā)明專利申請(qǐng)一項(xiàng)； 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月獲得“湖北省大學(xué)生優(yōu)秀科研成果獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)”一項(xiàng)。

鑒定結(jié)果

作品首次完成一維流三維水動(dòng)力彌散試驗(yàn)，測(cè)定彌散系數(shù)，評(píng)價(jià)了重力場(chǎng)和溫度因子對(duì)彌散作用影響，對(duì)完善彌散理論有重要意義，設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)華北平原咸淡水界面下移的方案具有可行性，具有顯著的創(chuàng)新性。

參考文獻(xiàn)

[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] 陳建峰，王政友.大同地區(qū)地下水彌散實(shí)驗(yàn)研究. 工程勘察，2000,12 （4）：198-199. [5] 陳崇希，李國(guó)敏.地下水溶質(zhì)運(yùn)移理論及模型.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1996：1-73.

同類課題研究水平概述

1、水動(dòng)力彌散分析模擬方法---缺乏室內(nèi)三維物理模擬的研究 國(guó)內(nèi)外測(cè)定土壤中水動(dòng)力彌散系數(shù)的計(jì)算方法主要有三種，即數(shù)值模型法，野外實(shí)驗(yàn)法，室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)法。 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的模擬研究只要以一維彌散為主，采用滲流柱作為彌散裝置。其次是二維彌散實(shí)驗(yàn)，一般采用矩形彌散槽，當(dāng)模擬徑向彌散時(shí)也可采用輻射狀彌散槽，對(duì)X、Y方向彌散系數(shù)進(jìn)行求解。但由于三維裝置的復(fù)雜性，目前對(duì)國(guó)內(nèi)外室內(nèi)三維彌散裝置的研究缺乏。葉為民等曾在《地下水污染室內(nèi)研究進(jìn)程》（2008）中指出，目前室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究主要是一維、二維彌散實(shí)驗(yàn)，缺少能夠真正反映污染物運(yùn)移的三維彌散實(shí)驗(yàn)研究。 2、水動(dòng)力彌散系數(shù)求解方法---缺少三維彌散系數(shù)物理模擬求解 在目前研究進(jìn)展中，國(guó)內(nèi)外研究中較為普遍的是對(duì)一維、二維水動(dòng)力彌散系數(shù)的求解上，不論是數(shù)值模擬還是物理模擬，求解方法都已經(jīng)很成熟。但由于三維彌散的復(fù)雜性，求其解析解仍然較為困難。但在很多情況下，數(shù)值模型求解由于其純數(shù)學(xué)的理想計(jì)算模式下，往往誤差較大。而物理模擬求解，近年來(lái)，一些學(xué)者對(duì)簡(jiǎn)單的三維模型進(jìn)行了求解，但是仍然缺少實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，尤其是對(duì)物理模擬的三維求解，也缺少利用三維解析解計(jì)算三維彌散系數(shù)的實(shí)例。 3、水動(dòng)力彌散系數(shù)的影響因素---缺乏對(duì)溫度場(chǎng)及重力場(chǎng)的研究 在實(shí)際的多孔介質(zhì)中，影響水動(dòng)力彌散系數(shù)的因素很多，且相互之間的關(guān)系也非常復(fù)雜。目前研究進(jìn)展中，所提到的影響因素主要有水流速度、運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)、介質(zhì)有效孔隙率、介質(zhì)分選度、磨圓度和尺度效應(yīng)等。例如陳崇希曾在《溶質(zhì)運(yùn)移理論中》對(duì)以上因素做出了較為系統(tǒng)的分析，在不同的流速條件下水動(dòng)力彌散可劃分為五個(gè)區(qū)域，水動(dòng)力彌散系數(shù)則對(duì)應(yīng)不同的解析表達(dá)式。國(guó)外學(xué)者則將注意力集中在了包括石油在內(nèi)的非清水性液體(Nonaqueous phase liquid，簡(jiǎn)稱 NAPL)，對(duì) NAPL在地下水中的運(yùn)移、控制、修復(fù)等方面開(kāi)展了大量的研究工作。 但在目前研究中，關(guān)于地下水中水動(dòng)力彌散系數(shù)在溫度場(chǎng)及重力場(chǎng)影響下的研究尚是空白，而水動(dòng)力彌散中垂直方向的分子擴(kuò)散受溫度影響其擴(kuò)散速度不同，重力場(chǎng)下的影響尚未可知。作為水動(dòng)力彌散的重要組成部分，其對(duì)污染物運(yùn)移速度的影響不可忽略。
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