课件4_污染运移模拟mt3d的原理及应用

1、VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月污染运移模拟污染运移模拟(MT3D)的原理及应用的原理及应用王旭升博士王旭升博士2VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月目录目录1.可溶污染物的迁移机理可溶污染物的迁移机理2.污染运移的数学模型及参数污染运移的数学模型及参数3.对流对流-弥散弥散-反应模型反应模型MT3D4.MT3D的应用的应用3VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月1.可溶污染物的迁移机理可溶污染物的迁移机理基本点基本点:可溶污染物以水为载体在地下迁移，并和其它可溶物质、岩土发生化学反应。污染物有自然衰减、降解的趋势可溶污染物以水为载体在地下迁移，并和其它可溶物质、岩土发生化学反应。污染物有自然衰减、降解的趋势随着迁移距离和迁移时间的增加，浓度逐渐降低。迁移路径强烈的受到含水层介质非均匀性的影响。一般不适合使用稳定态概念，但可存在平衡态。随着迁移距离和迁移时间的增加，浓度逐渐降低。迁移路径强烈的受到含水层介质非均匀性的影响。一般不适合使用稳定态概念，但可存在平衡态。4VMODFLOW4

2、.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月1.可溶污染物的迁移机理可溶污染物的迁移机理污染源污染源（1）点源：点源：污染源的面积相对研究尺度很小，垃圾填埋场、加油站、核废料等；（污染源的面积相对研究尺度很小，垃圾填埋场、加油站、核废料等；（2）线源：线源：条带状的污染源，排污河沟等；（条带状的污染源，排污河沟等；（3）面源：面源：污染源面积很大，耕地农田。污染源面积很大，耕地农田。5VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月1.可溶污染物的迁移机理可溶污染物的迁移机理污染源污染源6VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月1.可溶污染物的迁移机理可溶污染物的迁移机理3种迁移转化方式种迁移转化方式（1）对流：对流：被水携带，以水流速度迁移（被水携带，以水流速度迁移（2）弥散：弥散：机械弥散和分子扩散（机械弥散和分子扩散（3）反应：反应：吸附、放射性衰变、组分反应、生物降解吸附、放射性衰变、组分反应、生物降解7VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月1.可溶污染物的迁移机理可溶污染物的迁移机理对

3、流：对流：对流迁移速率对流迁移速率=平均实际流速平均实际流速=Darcy流速有效孔隙度cxt=0t=t1“活塞式迁移活塞式迁移”源源x=vtt迁移迁移“脉冲脉冲”源源“定浓度定浓度”源源V=KJ8VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月1.可溶污染物的迁移机理可溶污染物的迁移机理弥散：弥散：锋面迁移速率锋面迁移速率对流迁移速率对流迁移速率机械弥散和分子扩散纵向弥散和横向弥散补给含水层补给含水层源源污染羽污染羽A放大的弥散带放大的弥散带9VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月1.可溶污染物的迁移机理可溶污染物的迁移机理弥散：弥散：机械弥散机械弥散，弥散系数为，弥散系数为Dm(cm2d)机械弥散是流速反向和大小不均匀导致的主要的弥散方式。Dm=V为弥散度(cm)快快快快慢慢慢慢孔隙大小孔隙大小路径长度路径长度短短短短长长长长摩擦摩擦慢慢慢慢快快快快慢慢慢慢10VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月1.可溶污染物的迁移机理可溶污染物的迁移机理弥散：弥散：机械弥散机械弥散，弥散系数为，弥散系数为Dm(

4、cm2d)Dm=V为弥散度(cm)L纵向弥散度T横向弥散度一般TL=0.1具有尺度效应(Gelhar1986)11VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月1.可溶污染物的迁移机理可溶污染物的迁移机理弥散：弥散：分子扩散分子扩散，弥散系数为，弥散系数为D(cm2d)分子的不规则运动（布朗运动）；分子扩散相对十分缓慢，常常被忽略不计；长时间问题需要考虑：如核废料的千年尺度问题；12VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月1.可溶污染物的迁移机理可溶污染物的迁移机理化学反应：化学反应：吸附作用衰变作用（生物降解）简单多组分反应复杂的水岩相互作用吸附作用衰变作用（生物降解）简单多组分反应复杂的水岩相互作用13VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月1.可溶污染物的迁移机理可溶污染物的迁移机理化学反应：化学反应：吸附作用吸附作用污染物可以被含水层颗粒表面吸附吸附作用阻碍污染羽的迁移吸附作用是可逆的：可从颗粒表面释放出来(解吸)水流14VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月1.

5、可溶污染物的迁移机理可溶污染物的迁移机理化学反应：化学反应：吸附作用，吸附作用，线性平衡吸附线性平衡吸附S=KdCS=S=吸附相吸附相吸附相吸附相MMC=MMC=溶解相溶解相溶解相溶解相MVMVKKdd吸附浓度：吸附浓度：kgkg溶解浓度：溶解浓度：kgm3分配系数：分配系数：m3kg15VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月1.可溶污染物的迁移机理可溶污染物的迁移机理化学反应：化学反应：吸附作用，吸附作用，非线性平衡吸附非线性平衡吸附（1）Freundlich等温吸附（2）Langmuir等温吸附S=KFC1n；例如：；例如：KF=3.5cm3g，1n=0.56例如：例如：K=1.5，Smax=30mggSmaxKC1+KCS=16VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月1.可溶污染物的迁移机理可溶污染物的迁移机理化学反应：化学反应：衰变，衰变，一阶动力学衰变一阶动力学衰变化学物质不可逆的减少：放射性；降解CdtdC=050100150200250020406080100time(yr)Concentration(mgL)

6、=0.00032day-1=0.12yr-1)exp(0tCC=半衰期t12=0.693浓度越高衰变越快浓度越高衰变越快17VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月1.可溶污染物的迁移机理可溶污染物的迁移机理化学反应：化学反应：衰变，衰变，Monod动力学衰变动力学衰变一般用于生物降解，微生物的种群生长存在极限需要两个参数KsumaxCKCuuSmax+=CKCuMdtdCsmaxt+=18VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月1.可溶污染物的迁移机理可溶污染物的迁移机理化学反应：化学反应：多组分反应，多组分反应，一阶不可逆反应一阶不可逆反应假设化学反应是瞬时达到平衡态，以假设化学反应是瞬时达到平衡态，以A为降解目标的反应为降解目标的反应:A+rB=F反应速率为：数学描述为：反应速率为：数学描述为：rBAV=rBAACCdtdC=一阶反应速率常数一阶反应速率常数1dBA配比系数配比系数模拟A，B的浓度变化19VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月2.污染运移的数学模型及其参数污染运移的数学模型

7、及其参数控制方程：控制方程：对流对流-弥散方程弥散方程对流弥散反应弥散反应源汇项存贮项存贮项()tCRCqSCxCDxCvxssbjijiii=+其中:vi实际渗流速度(md)Dij弥散系数分量(m2d)S吸附相浓度(kgkg)Cs源汇项浓度(kgm3)有效孔隙度(-)R阻滞系数(-)b体积密度(kgm3)20VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月2.污染运移的数学模型及其参数污染运移的数学模型及其参数对流项：对流项：iiixHKv=需要先模拟得到地下水的水头分布利用MODFLOW根据水头分布计算Darcy流速利用Darcy定律将Darcy流速孔隙度孔隙度21VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月2.污染运移的数学模型及其参数污染运移的数学模型及其参数弥散项：弥散系数弥散项：弥散系数|DVVVDikTijTiiLii+=计算出各个方向的绝对流速根据以下参数计算弥散系数L纵向弥散度纵向弥散度(m)TL横纵弥散度比值横纵弥散度比值(-)D，分子扩散系数分子扩散系数(m2d)|)(ijTLijVD=22VMODFLOW4.1中文

8、版培训北京中文版培训北京2008年年12月月2.污染运移的数学模型及其参数污染运移的数学模型及其参数反应项：反应项：SCb21+SCb溶解相的一阶反应速率常数(1d)吸附相的一阶反应速率常数(1d)rBAACCdtdC=BA配比系数配比系数只用于确定另一种化学组分的反应速率常数只用于确定另一种化学组分的反应速率常数包括放射性衰变包括放射性衰变23VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月2.污染运移的数学模型及其参数污染运移的数学模型及其参数存贮项：存贮项：tCR阻滞系数(-)阻滞系数使运移速率降低Rvv=dbKR+=1吸附作用的分配系数m3kg24VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月2.污染运移的数学模型及其参数污染运移的数学模型及其参数源汇项：源汇项：ssCq+进入含水层的补给强度(m3d)m3污染源污染源的浓度Kgm3cellsCq排泄离开含水层的排泄强度(m3d)m3模型算出的地下水的浓度25VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月2.污染运移的数学模型及其参数污染运移的数学模型及其参数

9、初始条件：初始条件：地下水的化学背景边界条件：边界条件：定浓度边界；入渗补给浓度边界（面源输入的浓度）；蒸发浓度边界（蒸发带走的浓度，也可0）；点源边界。26VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月3.对流对流-弥散弥散-反应模型反应模型MT3DMT3D：基于MODFLOW的，模拟一种污染物的对流-弥散-反应过程的数值计算程序；1990年，美国；ChunmiaoZheng郑春苗.MT3DMS：MT3D的扩展程序；模拟多种污染物的对流-弥散-反应过程；1999年，美国；ChunmiaoZhengP.PatrickWang.27VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月3.对流对流-弥散弥散-反应模型反应模型MT3DMT3DMS郑春苗.28VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月3.对流对流-弥散弥散-反应模型反应模型MT3D数值模型的网格数值模型的网格与与MODFLOW一致一致29VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月3.对流对流-弥散弥散-反应模型反应模型MT3D时间剖分时间剖分比比MODFLOW短短StressPeriod1StressPeriod2MODFLOW123123FlowTimestepsMT3D1234TransportSteps30VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月3.对流对流-弥散弥散-反应模型反应模型MT3D求解方法求解方法先用分解技术求出对流项先用分解技术求出对流项然后用有限差分法求出其它项。然后用有限差分法求出其它项。对流项的求解方法包括对流项的求解方法包括:有限差分法有限差分法:显式和隐式显式和隐式特征值法特征值法修正特征值法修正特征值法混合特征值法混合特征值法3阶显式阶显式TVD法法粒子追踪技术粒子追踪技术31VMODFLOW4.1中文版培训北京中文版培训北京2008年年12月月3.对流对流-弥散弥散-反应模型反应

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