迁移的工业废水基于Thermal-Hydraulic-Mechanical破碎岩体耦合模型

文摘

工业废水可能长期影响环境和人类生活不断地下,造成严重的污染。好理解迁移的废水是工业废水处理的基本任务以及工业设计。研究工业废水的迁移机制在岩层中,控制方程如力学、渗流,热,和传质进行了综述,引用,并提出。热(T)液压(H)机械(M)耦合模型,建立了matrix-fault和matrix-fracture-fault多媒体。断层和裂缝的影响压力分布和污染物迁移进行了分析。断层的影响长度、宽度、倾角、渗透率和温度的废水污染物迁移参数化研究。可以得到以下结果。(1)裂缝特征影响的浓度分布,断层在浓度分布和污染物迁移。(2)污染物的迁移可以几何分为3区沿着错误的方向:饱和区,快速扩散区,浓度降低。(3)有一个峰值浓度的模型的底部。 The position of the peak is the projection of the endpoint of the fault. (4) The fault length has the most significant effect on contaminant accumulation. The temperature of the wastewater has the minimum effect on the contaminant accumulation. (5) The accumulation of concentrations can be divided into 2 stages, the slow growth stage (before 20 years) and the rapid growth stage (after 20 years). The main channel of contaminant migration in the slow growth stage is a fault. During the rapid growth stage, the contaminants penetrate through the rock matrix as well as the fault.

1。介绍

中国巨大的社会和经济发展带来的快速增长的行业。然而,工业的发展不可避免地随着污水排放导致环境问题不可避免。包含污染物会导致长期的废水污染和对社会生活与生态风险,因为它迁移不断地下,如土壤和岩石。受污染的土壤或岩石等因此变得有毒、有害、对环境和人类生活造成不利影响1- - - - - -3]。因此,研究工业废水中污染物的迁移过程岩层学者一直是一个热门话题在过去几十年。

同时存在的不同尺度的物理结构在岩层,如矩阵,裂缝网络,和错误,导致强烈非齐次的行为(4- - - - - -7]。污染物在迁移过程中渗透甚至微尺度到宏观尺度。从达西线性渗流流动状态也改变岩石和天然微裂缝网络的复杂非线性的缺点。与此同时,工业废水中污染物的运输岩层是多个物理领域的结合的结果,包括温度场、液压领域,和应力场。流体压力的变化在液压领域由于流体流动行为和影响岩层的应力分布,即:,它对应力场的影响。同时,热特性是受流的速度变化的影响。岩层的孔隙度和渗透率的变化由于应力场的变化也会影响液压领域。温度的变化温度场影响水动力粘性系数和流体密度,从而影响液压领域。热应力的影响应力场的应力分布。

如上所述,工业废水的迁移的过程是一个复杂的多重物理量耦合问题,如热工(TH),热化学(TC),胎面和(TM)和THM耦合8- - - - - -14]。基于节能模型,孔隙流体质量守恒方程,和弹塑性本构模型,更全面的多组分THM耦合模型建立了非饱和多孔介质由Seetharam et al。15,16]。然而,强的岩层的贡献没有考虑流体运动的不均匀性。等人建立了一个THMC耦合模型粘土壁垒高放射性废物存储[17]。然而,孔隙流体流动和溶质扩散特征由合并后的温度梯度和浓度梯度不包括在内。研究流体渗流的数学模型,许多研究已经开展。提出了三种典型岩石渗流的基本模型,即。,the equivalent continuous medium seepage model, the fracture network discontinuous medium seepage model, and the dual medium seepage model [18- - - - - -20.]。雷森指出pore-fissure和interfracture渗流问题可以解决由达西定律和一个各向异性渗透率张量,提出了一种方法来描述裂隙岩体的各向异性渗流利用连续介质理论(21]。这样等效模型不适用,当裂隙岩体不能被视为连续介质,和不连续介质方法应采用(22]。谢长廷等人水动力学引入裂缝孔隙介质通过计算方程和连续性方程作为控制方程,提供了一种新的方法来解决这个困难的问题(23]。

大多数现有的研究不同时考虑岩体的不均匀性和多重物理量的耦合效应在污染物的迁移。因此,THM耦合模型的考虑多媒体,即。、matrix-fracture-fault提出。断层的影响和自然裂缝压力分布和污染物浓度在迁移过程中首先进行了分析。其次,断层的影响长度、宽度、倾角、渗透率,流入温度的废水污染物迁移进行了研究。本文的工业废水中污染物不指定为这是一个理论和参数研究。污染物可以被称为常见的重金属离子,如铅(铅)或汞(水银)。

2。THM耦合模型

岩层中污染物的渗透的结果结合物理、化学、生物、和其他因素。因此,研究岩层中污染物迁移需要建立控制方程的耦合下multifield等化学领域,温度场、应力场和液压领域。同时,污染物的迁移包括对流、吸附、解吸、水动力弥散,化学作用,微生物分解,研究造成很大的困难。

本文研究的重点是渗流机制下的岩层中污染物THM耦合效应。工业废水被认为是单向流动的,和吸附的影响,解吸,化学交互作用,微生物分解污染物的迁移期间不考虑。

此外,开展数值模拟,下面的极其复杂的流程的简化和假设提出了THM耦合仍然需要建立理论模型。(1)岩石饱和,各向同性,均匀,小变形多孔弹性介质。(2)不考虑相变,即。,the transformation between gas and liquid phases due to temperature is not considered. (3) Only the heat conduction mode is considered in the rock mass, and thermal radiation is not considered. (4) The thermal strain in the rock mass due to temperature is isotropic.

2.1。等效连续介质模型理论

2.1.1。液压领域

废水的密度定义为温度和压力的函数(24),可以表示为 在哪里是流体的压缩系数,的热膨胀系数是液体,液体参考密度,孔隙水压力和初始孔隙水压力,分别和分别是流体温度和初始温度。

一般地面温度梯度的平均值是3°C / 100;因此,污水流的温度在岩层低于40°C。

水动力粘度随着温度增加而减小,水动力粘度与温度的关系符合幂函数。废水的动态粘度与温度的表达如下(25,26]:

岩层中的工业废水流可以被假定为多孔介质中流体的流动。根据质量守恒定律和达西定律,液压领域方程可以表示为 在哪里 , , 孔隙度,废水的密度,矩阵的渗透性,重力加速度, , 代表了水头,源项。

2.1.2。温度场

岩体中的流体流动在热平衡假设。不考虑岩体之间的热交换和废水,流体流动过程的温度场方程在饱和多孔介质可以获得27] 在哪里 是有效的热容, 有效导热系数,是岩石的热膨胀系数矩阵,是岩石的体积应变矩阵,比热容的废水,是废水的导热系数,岩体的密度,是岩石的比热容矩阵,然后呢是岩石的导热系数矩阵。

2.1.3。应力场

岩体的本构关系是理想的各向同性,均匀、线性与小变形介质。岩体的变形将造成的3个因素:岩体的应力,流体的压力岩体,岩体的温度变化。因此,岩体的应力-应变关系和考虑孔隙压力和温度是获得基于线性原则: 在哪里应力张量,有效应力张量,剪切模量, , 应变张量,是瘸腿的常数, ,和毕奥系数: 在哪里是岩石的体积变形模量矩阵, ,和岩石颗粒的体积变形模量。

基于柯西应变理论和静力平衡,平衡方程的几何关系,可以得到:

结合方程(5),我们可以得到的方程下岩体的应力场应力、孔隙压力和温度: 在哪里岩体的体积力和吗是岩体的位移分量。

2.1.4。孔隙度模型

孔隙度是孔隙压力的关键因素;因此,有必要选择一个岩体的孔隙度模型。根据孔隙度的定义,推导了岩体的动态孔隙度方程定义如下(28]:

2.1.5节讨论。渗透率模型

Kozeny-Carman (KC)方程(29日)是一种半经验的公式广泛应用于多孔介质的渗透率演化的研究。基于孔隙度模型、渗透率模型可以表示为

2.2。THM耦合关系

基于定义的THM耦合模型如图以上提供的场方程1。(1)液压领域影响机械领域通过改变流体的压力。(2)机械领域的渗透率和孔隙度的影响通过体积应变的变化,从而影响液压领域。(3)液压领域影响温度场的热对流项通过流体速度矢量的变化。(4)温度场影响流体密度通过改变温度,然后影响液压领域。(5)机械领域改变了热变形能量影响温度场。(6)温度场的温度变化产生的热应力,然后影响机械领域。

2.3。Matrix-Fracture-Fault (MFF)多媒体模型

matrix-fracture-fault (MFF)多媒体模型不同于等效连续介质模型。它分开考虑多孔介质断裂裂缝介质和离散化的每一个裂缝的影响在液压和热能领域。裂缝网络的持续改进,MFF多媒体模型趋势走向完美的建模(30.]。

2.3.1。液压领域

控制裂缝的渗流方程可以表示如下(28]: 在哪里裂缝宽度,裂缝的储水系数,是切向裂缝边界方向的梯度算子,即边界上的切向分化的功能 - - - - - -方向和 - - - - - -方向,裂缝渗透率。

2.3.2。温度场

与等效连续介质情况下,当离散裂缝模型中,离散裂缝成为主要的流体流动通道矩阵。因此,对流的影响作用在矩阵模型的温度场可以被忽视。热传导效应被认为是矩阵中,因此,裂缝中的温度场的控制方程可以表示如下:

2.3.3。应力场

一样的压力控制方程的等效连续介质,断裂的应力场控制方程可以表示为一部分

由于本文研究的是一个二维扩散模型,离散骨折被视为线的几何模型。因此,骨折的变形是被忽视的。骨折的渗透率与应力之间的关系可以建立基于水的井下测试压力测量(31日]: 在哪里裂缝的渗透率是什么时候 , 相对应的正常力的断裂表面是影响系数,它决定了断裂状态。

2.4。污染物迁移模型

多孔介质中污染物的迁移机制由3部分组成:对流,即。,污染物是由下游水流迁移;扩散,污染物从高浓度区向低浓度区扩散在浓度梯度的影响;和分散,这是由于多孔介质的存在,和多孔介质导致污染物的迁移速度不同的平均流速的大小和方向。尽管扩散和机械分散的机制是不同的,他们仍然难以区分。他们通常命名为水动力弥散。污染物在多孔介质中迁移的机制可以表示如下: 在哪里是溶质浓度,水动力弥散系数,是对流速度。

3所示。迁移在多媒体THM耦合效应

调查THM耦合下的污染物的迁移效果的影响以及故障和骨折,2模型被使用,例如,(1)matrix-fault (MF)模型(2)MFF模型

MF模型考虑了岩石矩阵和故障,和MFF模型考虑了岩石矩阵,断层和骨折。

模型的上边界的边界流入废水。岩层的初始温度为318 K。流入污染物的温度上限是293 K。污染物的浓度是1摩尔/ m³。水头压力的上限是9000。参数表中列出的数值研究中使用1。

研究断层周围的污染物的浓度分布和浓度的积累,2监测线(和 )被选中。的线沿着错误的方向。的线底部的几何模型。端点的坐标 (23.66米、30米),(6.34,0米),(0,0)和(30 m, 0米)。

3.1。MF模型

如图2的几何模型的大小 建立了。故障是60°的倾斜角度,断层的宽度是0.002米,断层的中点的坐标是(15米,15米)。

如图3显然不同,断层周围的压力等值线集中。模型中的压力分布行为非齐次由于错。断层和岩石的渗透性的差异矩阵可能是这一现象的原因,因为它可能会导致渗流场的不均匀性。

图4是二十年后污染物浓度的分布。污染物主要集中在模型的上半部分,沿着断层。这可能意味着污染物迁移非常缓慢,和扩散是更重要的错比矩阵。

正如上面提到的,故障可能会影响的流动大大废水和污染物的迁移。流矢量是用来说明。如图5两向量的方向和密度变化显然在断层;因此,它可以是另一个方面反映出角色的断层分布的不均匀性。

虽然故障有一个戏剧性的影响流场,污染物的浓度监测沿断层方向,即。的线 。重要的是要注意的长度本文基于计算的起点 。如图6,污染物达到饱和浓度接近1摩尔/ m³在3 m向错误方向的长度。和污染物的扩散变得显著沿着断层大约3米到15米。因此,可以找到快速扩散区。从15米到模型的底部(点 ),浓度迅速降低。因此,污染物的迁移可分为3区沿着错误的方向,即。,饱和区,快速扩散区,浓度降低。

它也可以观察到浓度随时间增加。点的浓度到达 摩尔/ m³, 摩尔/ m³, 摩尔/ m³0.012摩尔/ m³0.074摩尔/ m³和0.138摩尔/ m³的5年,10年,15年,20年,25年,30年,分别。

图7的情节是浓度沿行吗 ,即。,the bottom of the model. Similarly, the concentration increases with time, and it becomes the maximum after 30 years. Meanwhile, it can be found that this is a peak in each line of the plot. And the peak occurs at the point of the projection of the endpoint of the fault. The reason may be as follows. The fault has a significant effect on the migration of the contaminants as its permeability is much higher than that of the rock matrix. The projection of the endpoint of the fault is the point which is the nearest to the fault; therefore, the peak value of the concentration occurs around such a point.

3.2。MFF模型

在本节中,MFF模型(图8)考虑岩石的矩阵,采用故障,骨折研究骨折的效果。50骨折随机生成通过使用MATLAB代码(32]。骨折的长度从0.8米到4米不等。骨折不同的方向从0°- 360°。每个断裂的孔径是0.0005米。

相比之下,图3有更激烈的压力变化模型(图9)。MFF模型的压力分布的不均匀性更明显比MF模型。周围的压力轮廓变化自然骨折。然而,主要的压力分布模式MFF MF模型的相似模型。它也可以发现,MFF的浓度的分布模型(图10)是MF模型的相似。上述现象可能表明断层具有主导作用的浓度分布和污染物迁移。

基于图11,它可以发现还有3个典型区域的污染物浓度,饱和区,快速扩散区,浓度降低。3区域的几何尺度也类似于MF模型。点的浓度到达 摩尔/ m³, 摩尔/ m³, 摩尔/ m³0.016摩尔/ m³0.086摩尔/ m³和0.157摩尔/ m³的5年,10年,15年,20年,25年,30年,分别。

图12浓度分布的情节沿着MFF模型(底部的线吗 );还有一个峰的每一行的阴谋。每个峰值MFF高于相应的MF模型之一。峰值出现的位置是几乎一样的MFF模型。因此,2的浓度分布模型是相似的,MFF模型的大小是高于MF模型。

4所示。断层的影响参数对污染物迁移

作为讨论的部分3,污染物迁移的故障具有主导作用。错误的参数研究是在这一节中进行。长度、宽度、倾斜、渗透性和宽度选择错误的参数。此外,工业废水的初始温度的影响也进行了研究。

4.1。断层的长度

基于部分的结果3.1,断层的长度可能控制污染物的分布;因此影响污染物迁移的一个重要因素。在本节中,与不同的断层长度(表3模型2)是用来探索断层长度对污染物的迁移的影响。

图13沿着线显示了污染物的积累根据不同的断层的长度。线的污染物的积累随着时间的推移,逐渐增加。30年后,积累的污染物到达 摩尔(模型L1), 0.064摩尔(L2)模型,分别和1.58摩尔(L3)模型。断层的长度对污染物的积累具有明显的影响。更长的故障将导致更多的积累的污染物。

4.2。断层的宽度

断层的宽度可能没有显著影响污染物的迁移模式虽然与渗透率有关。它也可能对污染物积累有重要影响。在本节中,与不同的断层宽度(表3模型3)建立研究断层宽度对污染物的累积的影响。

沿线的污染物的积累根据不同的断层宽度绘制在图14。30年后,线的污染物的积累达到0.69摩尔(W1)模型,1.58摩尔(W2)模型,分别和1.83摩尔(模型W3)。更大的断层宽度可能导致一个更大的积累。这表明断层的宽度可以增加当地的模型的渗透率,提高污染物的扩散。

4.3。断层倾角

污染物的迁移过程中,断层的倾角可以确定断层的长度;因此,污染物的迁移距离以及污染物的分布可能受这种倾角的影响。三个模型(表4)与断层的不同倾斜角度考虑污染物的积累。

图15是污染物的积累的情节沿着行吗根据不同的断层倾斜角度。30年后,沿线的污染物的积累达到0.67摩尔(模型D1), 1.25摩尔(D2)模型,分别和1.58摩尔(D3)模型。60°倾角的故障可能引起的最大污染物积累。

4.4。断层渗透率

渗透系数是一个指数的渗透性岩层和关键影响污染物的迁移。在本节中,初始渗透率故障设置的 米²。三个模型(表5)与断层的不同渗透率是用来调查断层渗透率的影响污染物的积累。

图16沿着线显示了污染物的积累随着时间的推移,不同渗透率下。30年后,污染物的积累达到0.67摩尔(P1)模型,1.58摩尔(P2)模型,分别和1.84摩尔(P3)模型。更大的渗透导致一个更大的污染物的积累。

4.5。工业废水流入温度

废水流入岩层时,流入温度会影响温度场的岩层,和intereffect THM耦合从而影响迁移的废水。在本节中,污水的流入温度(表6)被选中作为一个参数来研究污染物积累。

沿线的污染物的积累在不同流入温度绘制在图17。污染物的累积的随着时间的推移,逐渐增加。30年后,沿线的污染物的积累达到1.58摩尔(模型T1), 1.69摩尔(T2)模型,分别和1.76摩尔(T3)模型。流入水的温度有一个积极的积累与污染物的关系,虽然不影响断层参数。

4.6。讨论

从数据13- - - - - -17,我们可以推断,断层长度最显著影响污染物积累,而废水的温度最低影响污染物积累。

同时,积累的污染物分为2个阶段,缓慢增长阶段,快速发展阶段。和所有的模型,缓慢增长阶段是前20年,20年后开始快速增长阶段。2阶段的原因可能是污染物运移的主要通道缓慢增长阶段是错;因此,浓度积累增加缓慢。在长期快速增长阶段,规模渗流导致整个污染物通过岩石的渗透矩阵以及断层;因此,浓度积累迅速增加。

5。结论

控制方程的基础上THM耦合理论,提出了多媒体的MF和MFF。污染物的迁移进行了分析。参数研究断层的几何和废水的温度。结论可以概括如下:(1)周围的压力分布强烈非齐次的错。断裂特征影响浓度分布,断层主导浓度分布和污染物迁移(2)污染物的迁移可以几何分为3区沿着错误的方向,饱和区,快速扩散区,浓度降低(3)有一个峰值浓度的模型的底部。这样的峰值出现在端点上的投影点的错,因为这个位置最近的故障(4)污染物的积累呈正相关的断层长度、宽度、倾角、渗透率和温度的废水。断层长度对污染物积累最重要的影响。废水的温度最低影响污染物积累(5)的积累浓度可分为2个阶段,缓慢增长阶段(前20年)和快速增长阶段(20年后)。污染物运移的主要通道缓慢增长阶段是一个错。在快速增长阶段,污染物穿透岩石矩阵以及断层

符号

:	流体压缩系数
:	液体的热膨胀系数
:	流体的参考密度(公斤/米3)
:	废水的密度(公斤/米3)
:	岩体的密度(公斤/米3)
:	孔隙压力(MPa)
:	初始孔隙压力(MPa)
:	流体温度(°C)
:	初始温度(°C)
:	的孔隙度
:	初始孔隙度
:	矩阵的渗透率(m2)
:	的初始渗透矩阵(m2)
:	故障的初始渗透率(m2)
:	的初始渗透率骨折(m2)
:	重力加速度(m / s2)
:	源项
:	岩石的热膨胀系数矩阵
:	岩石的导热系数矩阵(W / (m·°C))
:	废水的导热系数(W / (m·°C))
:	水的比热容(J /(公斤·°C))
:	岩石的比热容矩阵(J /(公斤·°C))
:	岩石的体积变形模量矩阵(Pa)
:	岩石颗粒的体积变形模量(Pa)
:	岩石的杨氏模量矩阵(Pa)
:	杨氏模量的岩石颗粒(Pa)
:	岩石的泊松比矩阵
:	岩石的体积应变矩阵
:	断层的宽度(米)
:	骨折(m)的光圈。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从第一作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这个项目是由中国国家自然科学基金(52078477和52078477号),深地球科学与工程重点实验室(四川大学),教育部(DESE202106和DESE202004),广东省重点实验室地球科学和地热能开发利用(深圳大学)(2020 - 3)。作者承认上述资助机构的支持。

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版权

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