基于转移概率随机模拟的DNAPL运移二维和三维数值模拟对比研究

2016年12月，第22卷，第4期，733-740页Dec2016，Vol.22，No.4，pp.733-740高校地质学报GeologicalJournalofChinaUniversities基于转移概率随机模拟的DNAPL运移二维和三维数值模拟对比研究米东1，樊皓2，罗小勇2，郑菲1，施小清1*，吴吉春11.表生地球化学教育部重点实验室，南京大学地球科学与工程学院，南京2100232.长江水资源保护科学研究所，武汉430051摘要：非均质介质的空间维度变化对重非水相流体（DNAPL）的运移具有重要的影响。在充分考虑地质体的空间连续性、不对称性以及各向异性等特征的基础上，采用基于马尔可夫链的转移概率（transitionprobability）模型来构建非均质随机场。该文通过TMVOC-MP软件来模拟DNAPL在非均质介质中的运移规律，探讨非均质随机场的水平空间连续性、空间维度变化以及侧向运移过程对DNAPL运移的影响。结果表明，介质的水平空间连续性越好，DNAPL在水平方向的迁移范围越大，在垂向的迁移范围越小；相比于三维模型，二维模型中DNAPL在水平方向的展布更大、在透镜体上的蓄积量更多，在实际应用中以二维模型代替三维模型会加大模拟结果与实际污染情况之间的误差；侧向运移过程削弱了单个平面的非均质性对DNAPL运移的控制，当存在侧向运移时，DNAPL绕过透镜体所运移的距离以及在透镜体上的蓄积量会相应减小。关键词：重非水相液体；非均质；水平空间连续性；空间维度变化；侧向运移中图分类号：P641文献标识码：A文章编号：1006-7493（2016）04-0733-08ComparisonofTwo-dimensionalandThree-dimensionalSimulationsofDNAPLMigrationinSaturatedPorousMediaMIDong1,FANHao2,LUOXiaoyong2,ZHENGFei1,SHIXiaoqing1*,WUJichun11.KeyLaboratoryofSurficialGeochemistry,MinistryofEducation;SchoolofEarthSciencesandEngineering,NanjingUniversity,Nanjing210023,China;2.ChangjiangWaterResourcesProtectionInstitute,Wuhan430051,ChinaAbstract:ThecChangeinthespatialdimensionofheterogeneousmediasignificantlyinfluencesthemigrationanddistributionofDenseNon-AqueousPhaseLiquid(DNAPL).BasedontheMarkovChaintransitionprobabilitymodel,wegeneratestochasticpermeabilityfieldsandtakeafullyaccountofhorizontalspatialcontinuity,asymmetry,andanisotropyofheterogeneousmedia.BysimulatingthemigrationanddistributionofDNAPLinheterogeneousmediawithTMVOC-MP,weinvestigatetheeffectsofhorizontalspatialcontinuity,reduceddimensionality,andlateralmigrationonthemigrationanddistributionofDNAPL.NumericalanalysisrevealsthatabetterhorizontalspatialcontinuityresultsinalargerhorizontalpollutionscopeandasmallerverticalmigrationextentofDNAPL.Comparedwiththebehaviorinthethree-dimensionalmodel,DNAPLdistributesinalargerscopeinthehorizontaldirection,accumulatesmoreonthelow-permeabilitylenses,andismostlyinapoolstateinthetwo-dimensionalmodel.LateralmigrationprocessDOI:10.16108/j.issn1006-7493.2016061_____________________________收稿日期：2016-04-24；修回日期：2016-11-01基金项目：国家自然科学基金-新疆联合基金（U1503282）；国家自然科学基金（41030746；41172206）联合资助作者简介：米东，男，1990年生，硕士研究生，主要从事地下水数值模拟研究；E-mail:[e-mail]*通讯作者：施小清，男，1979年生，副教授，博士，主要从事地下水数值模拟研究；E-mail:[e-mail]高校地质学报22卷4期canreducetheimpactofheterogeneityofasingleplaneontheDNAPLmigration.Soitisnecessarytousethethree-dimensionalmodelinpracticalapplicationsinsteadoftwo-dimensionalmodel.Keywords:DNAPL;heterogeneity;horizontalspatialcontinuity;physicaldimensionality;lateralmigrationCorrespondingauthor:SHIXiaoqing,AssociateProfessor;E-mail:[e-mail]1引言随着有机化工产品的广泛使用，大量有机溶剂在炼制、使用和储存过程中会发生泄漏，加之人类的随意排放，使得地下介质中的有机物污染问题不断加剧（崔俊芳等,2003;李宏和Ranjith,2008;杨明星等,2013）。有机污染物进入地下环境后多以非水相流体（NAPL,Non-aqueousphaseliquid）的形式赋存于地下介质中，其中尤以密度大于水的重非水相流体（DNAPL,DenseNAPL）的污染最为严重（MajiandSudicky,2008）。DNAPL在地下环境中的运移和分布受多种因素的控制，除自身的物理化学性质外，介质的非均质性对其运移具有重要的影响（施小清等,2012;张蔚等,2013）。相比传统的基于交叉变差函数（cross-variogram）的地质统计模型，基于马尔可夫链的转移概率（transitionprobability）模型能更准确的反应地质体的空间结构特征。该方法建立的模型有比较成熟的随机理论支撑，并且能够更加准确的模拟、预测DNAPL的运移和分布规律（何芳和吴吉春,2003;靳萍等,2009）。目前，国内外对DNAPL的运移和分布规律已进行了大量的研究，并取得了诸多的理论成果（DekkerandAbriola,2000;PantazidouandLiu，2008;Christetal.,2010;施小清等,2012;郑菲等,2015）。然而，相关研究多侧重于对DNAPL泄露速率以及介质非均质性的探讨，涉及水平空间连续性和空间维度变化对DNAPL运移影响的研究较少。忽略水平空间连续性和空间维度变化对污染物运移的影响，会导致模拟结果与实际污染情况之间存在误差（Christetal.,2005），从而难以真实模拟和预测实际场址中的污染情况，加大治理的难度。因此，本文采用TMVOC-MP软件来模拟DNAPL在具有不同水平空间连续性的非均质介质中的运移过程，对比分析DNAPL在二维和三维模型中的运移结果，以此来探讨介质的水平空间连续性和空间维度变化对污染物运移的影响，从而为污染物的修复治理提供科学依据。2研究方法2.1TMVOC-MP简介TMVOC-MP是由美国劳伦斯-伯克利国家实验室开发的TMVOC软件的并行版本，主要用于地下介质中环境污染问题的数值模拟研究。该软件采用积分有限差分方法进行空间离散，可模拟多种NAPL（包括挥发性有机物如原油、汽油、柴油以及有机溶剂等流体）在多维非均质介质中的迁移、溶解、吸附以及生物降解等过程，也可以用于分析水-气-NAPL三相之间的相互转化（PruessandBattistelli,2002;施小清等,2009;刘晓娜等,2012）。针对多相流控制方程具有强非线性的特点，TMVOC-MP采用Newton-Raphson迭代法求解非线性方程组，并调用并行迭代解法器库AZTEC中的Krylov子空间方法来进行并行计算，显著提高了软件的计算效率（Zhangetal.,2007;米东等,2016）。2.2二维模型和三维模型概述三维模型是一个长（X）、宽（Y）和高（Z）分别为16m、10m和12m的长方体，其水平方向和垂向的离散间距分别为0.5m和0.15m，共分为51200（32×20×80）个网格。为了满足对比条件，二维模型的所有参数均与三维模型中对应的XZ剖面相同，如图1。采用基于相元的方法将地质体概化为粘土、粉土、粉砂和粉质粘土四种岩性，分别用岩性1、2、3和4来表示（其中岩性2为背景岩性），其所占比例分别为10%、60%、20%和10%。假定研究区内岩性的孔隙度均为0.3，固体颗粒的比重均为2650kg/m3。模型顶、底部以及前后两个面（XZ剖面）均位于地下水面以下且为零通量边界，左右边界（YZ剖面）为定水头边界。模型先在水-气两相体系中达到平衡，使得研究区内的水相饱和度达到1.0，假定区域内的水力梯度为0.1，水流从左向右流动。选取四氯乙烯（PCE）为DNAPL污染物的代表，其在顶部以下7344期米东等：基于转移概率随机模拟的DNAPL运移二维和三维数值模拟对比研究0.975m处以面源方式（NX=4）×（NY=5）均匀注入，每个注入点的注入速率为5.54kg/d。模型的其他主要参数设置见表1。2.3非均质随机场非均质介质的水平空间连续性对DNAPL运移具有重要的影响。在充分考虑地质体的水平空间连续性的基础上，采用地质统计软件T-PROGS（TransitionProbabilityGeostatisticalSoftware）生成三维非均质随机场。该软件的主要方法是基于马尔可夫链的转移概率模型，其建立的三维非均质模型能够真实反映岩相的空间结构（Carle，1999；Majietal.，2006）。为了探究地质体的水平空间连续性对DNAPL运移的影响，本文构建了三组不同水平相关长度的非均质随机场，其具体参数见表2。随着水平相关长度的增大，非均质介质的水平空间连续性越好，如图2。Q=5.54kg/(d*block)Q=5.54kg/(d*block)Q=5.54kg/(d*block)Q-5.54kg/(d*block)Q-5.54kg/(d*block)注入点Q-5.54kg/(d*block)Nx=32Nz=80Nx=32Nz=80Ny=20图1概念模型示意图Fig.1Schematicdiagramshowingthe2-dand3-dinjectionmodels表1模型计算的参数设置Table1Hydrogeologicalandotherparametersusedinthesimulation岩性1234饱和渗透率/m24.0×10-154.0×10-124.0×10-114.0×10-13相对渗透率函数Stone模型Swr0.150.100.100.15Snr0.120.15