基于流固耦合的垃圾污染物运移模型及模拟

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维普资讯http://www.cqvip.com第19卷第1期JournalofW水at资er源Res与ou水rces工&程W学ate报rEngineeringVo1．19No．12008年2月Feb．，2OO8基于流固耦合的垃圾污染物运移模型及模拟狄军贞，殷志祥，刘建军，肖利萍(1．辽宁工程技术大学土木建筑工程学院，辽宁阜新123000；2．武汉工业学院多孔介质力学研究所，湖北武汉430023)摘要：基于流固耦合和溶质运移理论，建立了垃圾渗滤液有机污染物运移耦合模型，用SOM法对所建的模型进行数值求解，利用该数值模型对垃圾渗滤液在地下水中迁移行为进行模拟，预测了污染物浓度的时空分布特征，对耦合、非耦合模拟结果结合实际监测数据进行对比，并对污染晕的大小、分布范围进行了数值模拟分析。结果表明，耦合模型模拟的污染物浓度变化趋势与监测值基本吻合，从而验证了耦合模型的可靠性和实用性。关键词；流固耦合；垃圾渗滤液；污染物迁移中圈分类号：X705；X131．3文献标识码：A文章编号：1672—643X(2008)01—0028—04Basedonfluid—solidcouplingthelandfillcontaminanttransportmodelanditssimulationDIJun—zhen，YINZhi-xiang，LIUJian-jun。，XIAOLl-ping(1．College0l，CivilArchitectureEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin，Liaoning123000，China；2．InstituteofPoromechanics，WuhanPolytechnicUniversity，Wuhan，Hubei430023，China)Abstract：Basedonthefluid-solidcouplingandsolutiontransporttheory，thetransportcouplingmodeloforganiccontaminantinlandfillleachatewasestablished．ThemodelwasnumericallysolvedbySOMmethod，whichsimulatedthetransportbehaviorsoforganiccontaminantofland—fillleachateingroundwater．Itpredictedthetemporalandspatialdistributionfeaturesofcontam—inantconcentration．Themodelingresultsofcouplinganduncouplingwerecomparedwithmea—sureddatarespectively．Andthecontaminantplumeareasanddistributionrangewerenumerical—lysimulated．Theresultshaveshownthatthechangingtrendofcontaminantconcentrationsimu—latedbythecouplingmodelbasicallyagreedwiththemeasureddata．Thuswasverifiedthatthecouplingmodelwasreliableandpractica1．Keywords：fluid—solidcoupling；landfillleachate；contaminanttransport随着社会经济的发展，来自城镇居民和工业部变了渗滤液的浓度分布；其二，孔隙介质中浓度场的门的固体垃圾将会越来越多，对环境产生了严重的变化，导致横向和纵向浓度梯度的改变，特别是扩散影响。有关垃圾填埋场污染水源，导致场地周边地区速率的变化，使流体的平均流速发生改变，进而改变饮用水困难、农作物绝收甚至引起人畜中毒事件时孑L隙中的压力分布，同时改变了骨架结构特性，即应有发生。垃圾渗滤液是垃圾对环境污染的主要因素力场内部平衡被打破。随着耦合作用的循环往复，各之一，垃圾渗滤液污染物的运移受水动力弥散、吸附参数之间的相互影响趋于缓和，从而使整个系统达解吸和生物降解等多因素的控制，在这方面的数到一种动态平衡＆]。因此在研究污染物运移时，考虑值模拟研究已有报道，但是很少有人考虑固体颗粒流固耦合作用能更准确地预测污染情况，更科学地对溶质运移的影响；研究表明垃圾填埋场污染物在揭示溶质运移规律。多孑L介质中运移是一个流固耦合的动态过程。渗流1基本理论场、应力场与浓度场之间的耦合作用主要表现在以下两个方面，其一，当多孑L介质中的渗流发生作用土壤含水层是一种多孑L介质，地下水的溶质运时，固体颗粒也将伴随发生运动，多孔介质原有的应移属于流一固耦合问题，因此该问题要用流一固耦力场发生变化，导致孔隙渗透性能发生变化，进而改合方程来描述。在建立方程前首先引入两个假设：①收稿日期：2007—10—17；修稿日期：2007—12—04基金项目：湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队项目(T200603)作者简介：狄军贞(1979一)，男(汉族)，甘肃甘谷人，讲师，博士研究生，研究方向地下水污染与防治及流固耦合渗流力学。 维普资讯http://www.cqvip.com第1期狄军贞，等：基于流固耦合的垃圾污染物运移模型及模拟含水层是各向同性的线弹性材料；②固体骨架变形K，分别为固体骨架和水的体积弹性模量；K一遵从Terzaghi有效应力原理引。E／3(1—2u)，MPa。1．1应力场方程2渗滤液污染物运移数学模型用位移和应力表示的含水层应力平衡方程：有机污染物在土壤水环境中运移过程往往伴随+GV。·V+口Vp+Fj一0(1)有物理、化学和生物的作用，因此在建立有机污染物式中：G为剪切模量，G—E／Z(1+V)，MPa；E为弹溶质运移方程时综合考虑扩散、吸附解吸和生物降性模量，MPa；V为泊松比；V骨架颗粒运动的绝对解，建立如下动力学控制方程[4]。速度，m／s；口为Biot常数；P为孔隙压力，MPa；F，Rd+·[一DLf+]=kcRd+S(1o)为体积力，体应变满足￡一++。式中：R：l+ID为迟滞因子；为土壤干密1．2渗流场方程度，kg／m。；五为吸附系数，rrl。／kg；f为污染物浓度，运动方程：用线性Darcy定律来描述其运动规kg／m。；为水中和土壤中污染物衰减系数，d-1；S律，方程为：为污染物源汇项，kg／(m。·d)；D为水动力弥散系V一一K(P一gD)(2)流、固质量守恒方程：数，rrl／d，一V／，m／s。弥散系数的表达式为：．(pw~o)++％一0(3)一]+⋯)式中：a表示纵、横向弥散度，，，rrl；D为分子扩．EP,(1一矿]+一o(4)散系数，rrl。／d；为多孔介质的弯曲度。式中：K为绝对渗透系数，m／d；、分别为流体3定解条件和固体的密度；为孔隙度；q为的汇项；V为Darcy流速，m／s。通过以上分析得出污染物迁移的控制方程，但1．3流固耦合数学模型是对于特定的问题必需加上定解条件才能构成完整根据流体一固体颗粒速度关系式：V一V一的耦合动力学数学模型，定解条件如下：√将方程(3)变形如下：(1)水分运移的初始边界条件：．+矿．(~opw)+—a(~opw)+初始条件：P(z，，，f)I。=P。(15)fP(z，，，f)I／'1一P1．[V]+q一0(5)边界条件：1一K(户+，gD)—o(16)方程(4)变形如下：(2)污染物运移的初始边界条件：(1一·+·[(1一]+初始条件：c(x，，，f)I，一。：f。(17)一l二一=0(I6h)Jff(z，，，f)I／'t=f1作(5)／+(6)／运算忽略二阶小量，并将·边界条件：1一D+一0(18一／at代入得：4耦合模型的求解及数值模拟Pw(5-i+簧)+4．1模型求解方法．[V]+q=0(7)方程(9)、(10)加上相应的定解条件(15)～(18)对方程(1)分别求z，，的导数，然后相加得：通过速度方程耦合起来，构成完整污染物在地下水+G)。￡+。P一0(8)中运移的数学模型，由于上述建立的数学模型是一个二阶强非线性方程组，无法求出解析解，只能通过对上式两边积分，然后求时间导数将其代入(7)中数值解进行计算[5]。本文采用SOM方法进行数值得流固耦合简化模型：求解[6]，该方程的解耦过程为：通过求解流固耦合方at+2G+。K+。K卜，程(9)，求出压力P，进而求出流速场分布通过耦·E／<(P一gD)]+q一0(9)合项将溶质运移方程(10)进行求解。得出污染物式中：为拉梅常数，=EV／(1+V)(1—2u)；K、浓度分布，通过两次时间步长的变换即可求得污染 维普资讯http://www.cqvip.com30水资源与水工程学报物在地下水含水层中的浓度值。界_8]。本模型对垃圾渗滤液中的有机污染物进行了4．2物理模型及模型参数模拟与预测，地下水中有机污染物的初值近似为零。根据阜新垃圾填埋场地所处地质条件和水文地4．3结果分析质条件口]，研究区可概化为非均质各向同性的潜水图2是流固耦合、非耦合时有机污染物浓度在含水层系统，因此建立如图1的纵剖面物理模型，模监测点A的分布曲线及该点5年来实际监测数据拟区域径向长50000ra，左高10ra，右高8ra，上层拟合曲线(以C0D记，每年有四次监测，取平均值，弱透水层，渗透系数为，下层为透水性较好的砂共得五个监测值)，实际监测数据与耦合模拟曲线有层，渗透系数为。。模型参数主要利用参考文献较好的吻合性，说明所建模型及所取参数的正确性。E83和实际地质情况等进行选取，如表1。A为监测耦合模型曲线较非耦合模型曲线平缓，最大浓度值井其坐标为(2000，6)，Q为降雨入渗量，m／d。出现比非耦合模拟时迟2年，而且要小9mg／I，说表1模型基本参数明用非耦合模型模拟使预测结果偏大，其原因主要是在渗流场和浓度场作用下固体骨架会发生变形，参数取值参数取值使得孔隙度减小，导致渗流速度减慢，从而延缓了污1I(m·d一)0．43／9．／(m·d一)0．00012I(m·d一)8．6，／GPa0．2染物运移的对流扩散机制。由此可见，应力场耦合作一0．3QI(m·d)0．00015用对污染物传输起抑制作用。R1．5h6／(m·kg一)0．001同时图2曲线升降趋势表明，随着时间的推移，0．32Id一0．022A点有机污染物浓度先增大后又减小，表明有机污aL／m0．01I(kg·m一)I400染物在土壤一地下水环境中由于吸附和生物降解而aT／m0．005E／GPa0．8衰减，但曲线下降是在12年之后，说明了土壤一地下水环境污染的隐蔽性和自净的长期性，该结果与通过该地区地下水水位等值线图分析可知，研文献E9J研究成果一样，进一步证明了模型及其参数究区的北部和南部均有地下水通量存在，地下水水的合理性。基于以上参数利用耦合模型对2O年后渗流方向由北向南，是侧向补给与排泄。东部和西部地下水的等水位线基本上与边界垂直，为零通量边滤液有机污染物浓度时空分布进行预测(图3)。图1物理模型图2流固耦合非耦合浓度分布曲线图3耦合时2O年污染浓度分布(rag／L)随着时间的推移，污染物浓度分布呈污染晕逐在垃圾填埋场中对渗透性极小的防渗层的重要性，渐下移，且范围不断扩大；浓度等值线间的间隔由紧在该层污染物迁移主要靠弥散，污染范围小，一旦穿密逐渐变的松散，浓度值逐层递减，表明有机污染物过防渗层，即进入渗透性较好的砂层，其污染范围会逐渐被吸收、降解，也反映了对地下水污染程度与垃扩大，污染下游的地下水和土壤。圾填埋场的距离成反比，距离垃圾填埋场越远，污染5结语物的浓度越低，因此很容易在等值线图中圈定污染范围。图3中还表明，在渗透性小的上层土，污染物(1)本文通过流固耦合和溶质运移理论，建立主要向下运移，侧向运移较少，污染晕较窄，呈条带了溶质运移流固耦合方程，并采用了S0M方法对状分布，说明污染物迁移主要受纵向弥散的影响；在该方程进行数值求解；通过对监测点有机污染物浓渗透性较好的下层，污染物以横向运移为主，渗流起度数值模拟结果与实测数据对比分析，其预测值与主要的运移作用，污染晕呈羽状形分布；由此可知，实际监测值基本吻合，从而验证了所建耦合模型的 维普资讯http://www.cqvip.com第1期狄军贞，等：基于流固耦合的垃圾污染物运移模型及模拟31可靠性。行为及数值模拟[J1．岩土力学与工程学报，2005，8(2)模拟分析表明，非耦合模型较耦合模型预(24)：4951—4955(增刊)．[3]梁冰，孙可明．低渗透煤层气开采理论及其应用[M]．北测值偏大，且浓度值较早出现，耦合模型的应用避免京：科学出版社，2006：61—67．了预测值偏大失真的可能。[4]SimunekJVogelT，VanGenuchtenMTh．TheSWMS(3)有机污染物在同一位置的浓度于2O年中——2Dcodeforsimulatingwaterflowandsolutetrans—呈现出先增大后减小的变化趋势，表明了渗滤液污portintwo—dimensionalvariablysaturatedmedia[C]／／．染物污染土壤的长期性和土壤的自净功能。ResearchReport，U．S．SalinityLaboratory，USDA，(4)数值模拟中概化了不同渗透性的含水层，1994：12—16．表明土壤渗透性的大小对污染物迁移有很大的影[5]金龙，赵有才．计算机与数学模型在固体废物处理与资响，从而反映了垃圾防渗层中污染物迁移的机理及源化中的应用[M]．北京：化学工业出版社，2006：88—其防渗的重要性。94．(5)通过污染物浓度分布图可定量化预测、预[6]薛强，梁冰．有机污染物运移的动力学预测模型及模型参数分析口]．工程勘察，2003，(6)：18—21．报研究污染物浓度变化趋势及为污染防治措施的采[7]钱振华．阜新市城市垃圾无害化综合处理工程环境影响取提供一定的理论依据。报告书[R]．2000，8．[8]肖利萍．煤矸石林溶液对地下水系统污染规律的研究参考文献：[D]．辽宁工程技术大学，2007．5：9O一97．[1]赵勇胜，苏玉明，王翊红．城市垃圾填埋场地下水污染的[9]张金利．填埋场污染物运移数值分析及安全防渗系统设模拟与控制[J1．环境科学，2002，12(23)：83—88(增计方法探讨[D]．大连理工大学，2005．5：42—46．刊)．[2]刘雷，梁冰，薛强，等．垃圾渗滤液污染的耦合动力学(上接第27页)手，综合考虑各环节包括技术、经济、管理水平和条参考文献：件等，制定大多数单位和部门都能实施的各种更具[1]陈家琦，王浩．水资源学概论[M]．dr,F,：中国水利水电体的有关标准。如按产品、品种制定单耗(水、能、物出版社，1995·料)标准；按产品、品种制定流失(水、能、物料)总量[2]伊武军·资源环境与可持续发展[M]·北京：海洋出版标准；按产品、品种制定排放物的经济、可行、有效的社，20O1·1·按环境容量制定物苎孥标节约用水理论1北~vvv．准等。~．一1~-·一一m⋯～一z率，但是属于强制性管理[4]．题及对策[M]．北京：中国环境科学措施，应逐步纳人生产管理体系中，违者应按轻重受出版社，l984．到行政和经济上的处罚。[5]翁焕新．城市水资源控制与管理[M]．杭州：浙江大学出3结语_6]水资源化可行性研究[D]．硕士研究生学位阜新的水资源形势已经相当严峻，供需矛盾特论文，2000．别尖锐，实现水资源可持续利用追在眉睫。这是提高[7]钱正英·中[]2FJf1][M-]·中国水利电力出版社，1991·全市人民生活水平、加快经济转型、振兴阜新的唯一[8]水利部辽宁水利勘测设计研究院，阜新市引白工作办公市水资源的形势：竺；篡~⋯[R-]．⋯1997．1。2．，本着“开源节流并重，以节水为本”⋯’⋯⋯⋯⋯⋯⋯～⋯⋯⋯⋯⋯一的原则，采取合理利用和有效保护相结合的举措。在[10-]水利电力部水文局．中国水资源评价[M]．北京：水利政府的统一规划、统筹安排下进行，切实做到以行政水电出版社，1987．为手段、经济为杠杆、法律为保障、技术求改进来实[11-]刘正英．中国可持续发展问题研究[M]．dr,F,：中国农现水资源的可持续利用，同时也需要全方位、全民众业出版社2001，9．