飽和多孔介質(zhì)中顆粒遷移和沉積特性研究.pdf

1、飽和多孔介質(zhì)中顆粒遷移特性的研究在地下污染物擴(kuò)散、核廢料處置、石油開采、地下水回灌和水工結(jié)構(gòu)的內(nèi)部侵蝕破壞等方面有很重要的研究意義。
　　本文通過對(duì)經(jīng)典的一維顆粒過濾模型進(jìn)行修正，求得了不同的注入方式以及含有源匯項(xiàng)的解析解。其次，建立了考慮彌散作用和沉積顆粒再釋放作用影響的顆粒遷移的三維模型，將顆粒遷移問題的研究從一維向三維空間進(jìn)行拓展。求得的解析解可以預(yù)測(cè)多孔介質(zhì)中顆粒濃度、驗(yàn)證更加復(fù)雜的數(shù)值模型以及確定試驗(yàn)參數(shù)等。另一方面，通

2、過室內(nèi)土柱試驗(yàn)研究了滲流速度、滲流方向、顆粒濃度以及顆粒粒徑分布等對(duì)顆粒遷移和沉積特性的影響。其次，探究了滲流速度增量和顆粒粒徑對(duì)沉積顆粒再釋放特性的影響。主要的研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)將多孔介質(zhì)視為飽和、均質(zhì)和各向同性介質(zhì)，通過在顆粒沉積動(dòng)力方程中考慮彌散作用，建立了飽和多孔介質(zhì)中顆粒遷移的一維模型，求得了三種不同的顆粒注入方式（短時(shí)注入、瞬時(shí)注入以及注入濃度衰減）和含有源匯項(xiàng)時(shí)的相應(yīng)的解析解，并且對(duì)解析解中各種遷移參數(shù)進(jìn)行了

3、討論。對(duì)不同情況的解析解的分析可知，隨著時(shí)間、沉積系數(shù)、遷移距離或者線源寬度等參數(shù)中任意參數(shù)的增大，顆粒的濃度峰值逐漸減小。沉積動(dòng)力方程中忽略彌散作用會(huì)對(duì)顆粒濃度有很大的影響，不同的情況下的影響規(guī)律大不相同。
　　(2)以求得的一維解析解為基礎(chǔ)，建立三維空間的顆粒遷移模型，模型分別在沉積動(dòng)力方程中考慮彌散作用和沉積顆粒再釋放作用的影響，并通過Laplace變換和Fourier變換求得了相應(yīng)解析解的通解形式。其次，利用推導(dǎo)出的解析解

4、的通解形式求出了點(diǎn)源和面源形式下的瞬時(shí)注入和周期性注入的具體形式的解析解。最后，以點(diǎn)源瞬時(shí)注入情況下的解析解為例，對(duì)各種遷移參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的討論。對(duì)于考慮彌散作用的三維遷移模型的解析解來說，隨著時(shí)間的增大，低濃度等高線的范圍逐漸向四周擴(kuò)大，高濃度等高線的范圍逐漸縮小。隨著沉積系數(shù)的增大，濃度等高線的范圍逐漸縮小。對(duì)于考慮顆粒釋放作用的三維遷移模型來說，釋放系數(shù)越大，相應(yīng)的濃度等高線的范圍越大。
　　(3)通過土柱試驗(yàn)研究顆粒粒徑、

5、顆粒濃度和水動(dòng)力對(duì)顆粒遷移和沉積特性的影響，開展了4種不同粒徑和4種不同濃度的試驗(yàn)系列，每個(gè)系列中進(jìn)行了3種不同的滲流速度的試驗(yàn)。結(jié)果表明:對(duì)于大小和形狀一定的顆粒來說，通過測(cè)試顆粒濁度來反映其濃度的變化能取得較好的結(jié)果。其次，對(duì)于同一粒徑的顆粒，滲流速度越大，流出液中顆粒的濃度峰值越大。在同一滲流速度條件下，顆粒粒徑越大，流出液中其濃度峰值越小。另外，滲流速度一定時(shí)，顆粒的濃度存在一個(gè)和滲流速度相關(guān)的臨界值，顆粒的臨界濃度隨著滲流速度

6、增加也逐漸增大。
　　(4)通過試驗(yàn)的手段研究粒徑和滲流速度對(duì)多孔介質(zhì)中顆粒釋放特性的影響。根據(jù)滲流速度增量的不同，試驗(yàn)分為兩種不同的試驗(yàn)系列，在每一個(gè)試驗(yàn)系列中分別對(duì)兩種不同粒徑的顆粒進(jìn)行試驗(yàn)。其次，研究了滲流速度增量和顆粒粒徑對(duì)沉積顆粒釋放規(guī)律的影響。最后，對(duì)試驗(yàn)完成后石英砂中沉積顆粒量隨深度變化的特性進(jìn)行了定量分析。一般來說，中位粒徑小的顆粒的釋放量要大于相應(yīng)的中位粒徑較大的顆粒。滲流速度的增量不同，沉積的顆粒的特征也大不相

7、同。
　　(5)利用室內(nèi)土柱試驗(yàn)探究了滲流速度、滲流方向以及顆粒分布對(duì)飽和多孔介質(zhì)中顆粒遷移和沉積特性的影響機(jī)制。試驗(yàn)包括三種不同的滲流方向的試驗(yàn)系列（向下流，水平流和向上流）。同時(shí)，以修正后的對(duì)流彌散方程求得的解析解對(duì)試驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合，對(duì)3種不同粒徑分布的顆粒的遷移參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，揭示了不同水力條件下顆粒的粒徑分布對(duì)其遷移和沉積特性的影響機(jī)制。顆粒的彌散度和滲流方向有很大的關(guān)系，在滲流自上至下時(shí)彌散度的變化最明顯。另外，隨著滲