冻融过程中硝酸盐在包气带中运移特征的数值模拟研究

来源 :中国地质大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:lizhicong521
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随着我国对地下水资源的开发和利用,地下水污染问题逐渐凸显出来。如今,地下水污染带来的生态环境影响和饮用水安全问题已成为社会关注的热点环境问题之一。包气带是地表污染物进入饱和带地下水的必经区域,在多年冻土区,季节性的冻融变化改变了水分的分布特征,也控制了盐分在垂向上的迁移行为。硝酸盐是土壤地下水中常见的污染组分,由于其来源广泛、化学性质稳定,能够长期赋存于地下岩土介质中,对土壤-地下水环境构成了广泛的、长期的影响。本文选择硝酸钾为主要特征组分,通过室内冻结实验,模拟硝酸钾在包气带中的迁移特征,在此基础上利用HYDRUS-1D建立一维的水-热-盐耦合模型,分析不同冻结条件下包气带中水分、热量和溶质的变化特征和规律。本次研究主要得到以下结论:冻结过程中,水分在垂向剖面上产生明显的再分配特征:单向冻结情况下,冻结锋面由从土柱顶端向下部移动,土柱上部发生冻结,液态水含量降低,毛细负压减小,毛细力增强,导致下部的水分向上部运移;双向冻结情况下,冻结锋面从土柱两端向中间移动,冻结过程中,土柱中间水分向两端运移。同时,冻结温度影响着液态水含量和硝酸钾在冰-水中的再分配,温度控制液态水含量的变化,液态水含量影响硝酸钾浓度。温度降到零下以后,液态水变为固态冰,而液态水含量的减小会使得硝酸钾往液态水中迁移,导致硝酸钾浓度增大,液态水含量和硝酸钾浓度呈反比关系。模型模拟结果表明,初始含水量越大,冻结速度越慢,冻结锋面的迁移速率越小,冻结结束后冻结终端硝酸钾浓度也越大;温度的日变化速率对硝酸钾平均排盐速率有影响,但是对冻结终端硝酸钾浓度基本无影响;冻融作用会加速近地表浅部污染组分的向下运移,扩大了垂向污染范围。对三个主要模型输入参数的敏感性分析结果表明,经过一次冻融作用后,剖面上硝酸盐的浓度分布计算结果影响的大小顺序依次为:孔隙度>热弥散度>溶质纵向弥散度。
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