原子能院地区地下水中～3H浓度分布的数值模拟研究

【摘要】： 本文主要研究了原子能院两侧宽5km、下游10km的区域上包气带和潜水层中的人工放射性核素~3H迁移的浓度的时空分布。使用美国国家橡树岭实验室开发的FEMWATER／FEMWASTE程序对模型求解，并根据该区现场的试验资料或与该区介质特性相似的文献资料来选取程序的计算参数。FEMWATER的水流方程主要是Richards方程式及其改进形式；FEMWASTE的溶质运移机制有对流、水力学弥散和分子扩散、放射性衰变、吸附、源汇、生物降解，在计算时加进区域质量平衡，还可处理含水层多层之间的渗透问题。该程序采用迦辽金有限元法求解，在时间、空间、初始条件、源汇、边界的处理上具有很大的灵活性。 在对研究区进行矩形剖分的基础上，分别采用一维柱渗透模型和二维水平模型来模拟~3H穿透包气带和在潜水层中的迁移过程，并根据该区域的水文地质条件、水位和浓度的监测资料等来设置模型的边界和初始条件。假设~3H以某个浓度进入，分别计算了包气带和潜水层中各个时间点和各个节点的浓度值。然后将包气带的计算结果绘制成浓度穿透曲线和沿程分布曲线，将潜水层的计算结果绘制成区域的相对浓度等值线图。在这些分布图的基础上，对~3H在包气带和潜水层的迁移行为进行了分析。 模拟结果表明，该区内包气带~3H随水下渗的速度很小，为0.001 m／d，流速分布均匀，仅有一小段层面上有溶质的上下运动，方向基本一致。潜水层内流场基本由北偏南流动，流速为1～10m／d，等水位线由西北至东南等间隔均匀下降。 ~3H相对浓度分布图的分析表明，~3H在包气带中的迁移分为三个阶段，第一阶段是穿透阶段，浓度随距地面的深度增加而减小，在计算开始后的第840天穿透包气带底层；第二阶段是均衡阶段，~3H的浓度分布趋于均衡，不同深度上的浓度值相差变小；第三阶段~3H在底部沉积，这时底部的零通量边界不再适用。 ~3H在潜水层中随着水流向下游的迁移，分别模拟了点源、线源、面源三种不同的情况。结果都显示相对浓度在纵向上变化明显，横向上变化不大，这是由于纵向弥散系数比横向弥散系数大得多。并且从模拟的区域上看，~3H的迁移基本限于大石河的东侧，出现明显的~3H浓度的狭长带。当初始浓度相同时，源的形状不同，引起的迁移的快慢也不同，范围也有所差异。 【关键词】：★包气带 潜水层 FEMWATER/FEMWASTE程序 ~3H的相对浓度
【学位授予单位】：中国原子能科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TL7;P641
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 1.引言7-14
• 1.1 研究目的和意义7-8
• 1.2 研究现状8-13
• 1.2.1 水分运移和溶质运移的研究现状8-10
• 1.2.2 数值模拟的研究现状10-13
• 1.3 主要研究内容13
• 1.4 主要研究结果13-14
• 2.溶质在包气带和含水层中迁移的数学模拟14-28
• 2.1 土壤孔隙中地下水的储存状态及运动14-16
• 2.1.1 储存状态14-15
• 2.1.2 土壤含水量及土水势15
• 2.1.3 地下水运动的基本特征15-16
• 2.2 污染物在地下水中的迁移转化16-20
• 2.2.1 多孔介质16-17
• 2.2.2 溶质的对流17-18
• 2.2.3 弥散作用18-19
• 2.2.4 去除作用19-20
• 2.3 地下水流动方程20-23
• 2.3.1 地下水流动的微分方程20-23
• 2.4 污染物的迁移方程23-25
• 2.4.1 基本方程23-24
• 2.4.2 考虑除去作用的迁移方程24
• 2.4.3 定解条件24-25
• 2.5 计算程序与有限元方法25-28
• 2.5.1 FEMWATER/FEMWASTE程序特征25-26
• 2.5.2 有限元法26-28
• 3.研究区水文地质条件和参数28-32
• 3.1 地形、地貌和地层28
• 3.2 水文地质条件28-29
• 3.3 地下水的补给、径流和排泄29
• 3.4 地下水动态特征29-30
• 3.5 水文地质参数30-32
• 4.模型和计算参数32-41
• 4.1 ~3H在包气带中的渗透32-36
• 4.1.1 包气带的流场计算32-34
• 4.1.2 包气带的浓度计算34-36
• 4.2 ~3H在潜水层中的迁移36-41
• 4.2.1 潜水层的流场计算36-39
• 4.2.2 潜水层的浓度计算39-41
• 5.计算结果与分析41-57
• 5.1 包气带浓度分布41-45
• 5.2 潜水层中浓度分布45-54
• 5.2.1 线源模拟的浓度分布46-50
• 5.2.2 点源模拟的浓度分布50-53
• 5.2.3 面源模拟的浓度分布53-54
• 5.3 小结和讨论54-57
• 参考文献57-60
• 致谢60

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