一种地下水原位化学氧化系统过硫酸盐影响半径的预测模型技术方案

本发明专利技术提供了一种地下水原位化学氧化系统过硫酸盐影响半径的预测模型，属于地下水有机污染修复领域。基于目前对氧化药剂影响半径预测困难，并且对氧化药剂影响半径随时间变化规律缺乏理论认识，本发明专利技术综合考虑含水层介质、氧化剂消耗及输送技术参数对未活化过硫酸盐在未污染含水层介质中的运移影响规律，建立了过硫酸盐影响半径的预测模型。根据文献实验结果，对过硫酸盐在地下水中运移的对流

【技术实现步骤摘要】
Contaminant Hydrology 128(2012):33
‑
46.)构建了地下水中高锰酸盐及四氯乙烯(PCE)运移的二维数值模拟模型，考虑了含水层介质间渗透系数、地下水水力梯度、天然氧化剂需求量(NOD)和污染物浓度等参数的差异，分析了不同高锰酸盐注入体积、注入浓度和注入井距对污染修复效率的影响。但上述模型均未涉及对氧化剂影响半径变化的研究。专利(CN202010791765.7)公开了一种原位注入高压旋喷注射修复地下水污染注入药剂扩散半径的确定方法。该方法考虑了影响药剂扩散半径的注入技术、药剂扩散及药剂与污染反应过程等相关因素，将药剂扩散半径表示为注入半径与迁移半径之和。首先借鉴注浆理论公式计算药剂注入半径，之后采用GMS(Groundwater Modeling System地下水模拟系统)软件进行药剂在地下水中迁移转化模拟，确定迁移半径。该方法虽然能够获得药剂的扩散半径，但注浆理论主要适用于粘度较大的浆液，常见氧化剂溶液粘度远小于浆液粘度，并且在注入过程氧化剂主要受地下水对流、弥散作用的影响，而注浆理论无法考虑地下水弥散作用对氧化剂运移的影响。因此，利用注浆理论计算药剂注入半径适用性差。此外，该方法也没有给出氧化药剂迁移半径的理论预测公式，药剂迁移半径的确定必须通过设定场地岩层特征、地下水水文条件，开展实时的软件模拟才能完成，不能给出批量预测评价结果。
[0006]因此，本专利技术围绕地下水ISCO修复中氧化药剂影响半径难以预测的问题，提供了一种地下水原位化学氧化系统过硫酸盐影响半径的预测模型。首先开展过硫酸盐在代表性场地含水层中运移数值模拟研究，获得不同含水层介质、氧化剂消耗及输送技术参数下未活化过硫酸盐在未污染含水层介质中影响半径数据，然后确定影响过硫酸盐影响半径变化的主要参数，最终利用这些参数构建过硫酸盐影响半径变化的预测模型。所构建的影响半径预测模型适用于高压旋喷注射、注入井和直压式注射法等注射技术的氧化药剂影响半径的预测和评价，且同样可用于污染含水层情景，能够为过硫酸盐ISCO技术应用优化提供技术参考。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有方法中存在的对氧化药剂影响半径预测的缺陷和不足，构建一种地下水原位化学氧化系统过硫酸盐影响半径的预测模型，从而能够直接利用该预测模型获得不同含水层介质、氧化剂消耗及输送技术参数下过硫酸盐影响半径随时间的变化规律。
[0008]本专利技术的上述目的是通过以下技术方案实现的：
[0009](1)基于ISCO系统过硫酸盐在地下水中运移的数值模拟
[0010]过硫酸盐在地下水中的运移遵循对流—弥散方程(式1)。过硫酸盐浓度的变化包括了由地下水对流作用引起的浓度变化(等式右端第二项)、地下水弥散作用引起的浓度变化(等式右端第一项)和过硫酸盐衰减作用引起的浓度变化(等式右端第三项)，是由三部分加和所组成。
[0011][0012]式中：C为过硫酸盐的质量浓度，g/L；t为时间，d；x
i
为距离，m；D
ij
为弥散系数张量，m2/d；v
i
为地下水流速，m/d；n为有效孔隙度；Γ为过硫酸盐由于反应所造成的消耗项。
[0031]Y2与注入阶段地下水弥散作用强弱有关，地下水弥散作用强弱可基于弥散通量J(式6)来判断。
[0032][0033][0034]式中：v
r
为注射过程所产生的径向流速，m/d；r为径向距离，m；为径向浓度梯度。
[0035]综上，与Y2变化相关的参数有含水层介质厚度(M)、有效孔隙度(n)、纵向弥散度(α
L
)、注入过硫酸盐流量(Q)和浓度(C0)。
[0036]③
扩散阶段地下水对流作用引起的过硫酸盐影响半径变化Y
L1
[0037]Y
L1
的值即为扩散阶段地下水对流作用使过硫酸盐整体沿地下水流向发生平移的距离，与Y
L1
变化相关的参数有地下水流速(v)、扩散时间(t)，Y
L1
可表示为(式8)：
[0038]Y
L1
＝vt
ꢀꢀ
(8)
[0039]④
扩散阶段地下水弥散作用引起的过硫酸盐影响半径变化Y
L2
[0040]根据(式1)，在扩散阶段地下水弥散作用导致的过硫酸盐浓度变化可用式(9)表示；
[0041][0042]式中：D
L
为纵向弥散系数，m2/d，D
L
＝α
L
v；D
T
为横向弥散系数，m2/d，D
T
＝α
L
βv，β为含水层介质横纵弥散度比值。
[0043]因此，与Y
L2
有关的参数为D
L
、D
T
、和其中，后两个参数分别为平行于地下水流向(x方向)、垂直于地下水流向(y方向)上过硫酸盐浓度梯度的变化率，取决于注射阶段结束后含水层中过硫酸盐的浓度梯度分布，随时间、空间发生变化，难以被直接表征。根据文献(Tang,D.H.,et al."New Analytical and Numerical Solutions for the Radial Convection
‑
Dispersion Problem"Spe Reservoir Engineering02(1987):343
‑
359.)所得单井连续注射条件下含水层中溶质的浓度梯度分布结果，注射结束后过硫酸盐浓度梯度分布与C0、α
L
和t
D
等参数有关，其中t
D
为无量纲时间，t
D
的计算见式(10)：
[0044]t
D
＝Qt
inj
/(2πMnα
L2
)
ꢀꢀ
(10)
[0045]综上，与Y
L2
参数有含水层介质纵向弥散系数(D
L
)、横向弥散系数(D
T
)、纵向弥散度(α
L
)，注入过硫酸盐浓度(C0)和无量纲时间(t
D
)。
[0046]⑤
扩散阶段过硫酸盐衰减作用引起的过硫酸盐影响半径变化Y
L3
[0047]在扩散阶段，过硫酸盐与含水层介质中有机质反应而不断被消耗，相较于过硫酸盐的消耗，有机质的消耗量很小。故可忽略含水层中有机质的氧化消耗，即设定有机质含量不变，采用伪一级动力学方程来描述过硫酸盐的氧化消耗；定义k'为伪一级速率系数(式11)，其中k
NOM
为过硫酸盐与有机质反应的二级速率系数，C
NOM
为含水层介质中有机质含量。
[0048]k'＝k
NOM C
NOM
ꢀꢀ
(11)
[0049]k'的大小影响过硫酸盐衰本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种地下水原位化学氧化系统过硫酸盐影响半径的预测模型，其特征在于，步骤如下：(1)基于ISCO系统对过硫酸盐在地下水中运移的数值模拟过硫酸盐在地下水中的运移遵循对流—弥散方程，如式(1)；过硫酸盐浓度的变化包括由地下水对流作用引起的浓度变化、地下水弥散作用引起的浓度变化和过硫酸盐衰减作用引起的浓度变化三部分加和组成；式中：C为过硫酸盐的质量浓度，g/L；t为时间，d；x
i
为距离，m；D
ij
为弥散系数张量，m2/d；v
i
为地下水流速，m/d；n为有效孔隙度；Γ为过硫酸盐由于反应所造成的消耗项；过硫酸盐影响半径在连续注入阶段和扩散阶段的变化；
①
连续注入阶段的过硫酸盐影响半径连续注入阶段持续时间很短，过硫酸盐衰减作用被忽略，则连续注入阶段过硫酸盐影响半径为地下水对流作用引起的过硫酸盐影响半径变化与地下水弥散作用引起的过硫酸盐影响半径变化之和，见式(2)：Y
inj
＝Y1+Y2ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中：Y
inj
为注入阶段过硫酸盐影响半径，m；Y1为注入阶段地下水对流作用引起的过硫酸盐影响半径变化，m；Y2为注入阶段地下水弥散作用引起的过硫酸盐影响半径变化，m；
②
扩散阶段过硫酸盐影响半径在扩散阶段，过硫酸盐影响半径是在连续注入阶段结束后形成的过硫酸盐影响半径基础上发生变化；地下水对流作用使过硫酸盐整体沿地下水流动方向发生平移，不影响过硫酸盐整体的浓度分布；而过硫酸盐衰减作用使过硫酸盐浓度分布发生改变，间接影响过硫酸盐所受地下水弥散作用；所以，需额外考虑过硫酸盐衰减和地下水弥散的复合作用对过硫酸盐影响半径变化的影响；因此，过硫酸盐影响半径的变化包括Y
inj
、Y
L1
、Y
L2
、Y
L3
、Y
L4
的贡献，见式(3)：Y
L
＝Y
inj
+Y
L1
+Y
L2
+Y
L3
+Y
L4
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中：Y
L
为扩散阶段过硫酸盐影响半径，m；Y
L1
为地下水对流作用引起的过硫酸盐影响半径变化，m；Y
L2
为地下水弥散作用引起的过硫酸盐影响半径变化，m；Y
L3
为过硫酸盐衰减作用引起的过硫酸盐影响半径变化，m；Y
L4
为过硫酸盐衰减与地下水弥散复合作用引起的过硫酸盐影响半径变化，m；通过地下水水流和溶质运移模拟软件，基于公式(1)对过硫酸盐在地下水中的运移进行数值模拟，以获得不同含水层介质、过硫酸盐消耗和输送技术参数下过硫酸盐影响半径随时间的变化结果；(2)过硫酸盐影响半径预测模型的构建基于数值模拟结果，分别确定与Y1、Y2、Y
L1
、Y
L2
、Y
L3
和Y
L4
相关的参数；
①
注入阶段地下水对流作用引起的过硫酸盐影响半径变化Y1仅考虑地下水对流作用时，根据质量守恒，注入过硫酸盐溶液的总体积等于过硫酸盐影响区域中所被过硫酸盐溶液填充的有效孔隙体积，见式(4)，Y1与含水层介质厚度M、有效
孔隙度n、注入过硫酸盐流量Q和时间t
inj
有关，Y1表示为式(5)：Qt
inj
＝πY
12
Mn
ꢀꢀꢀ
(4)
②
注入阶段地下水弥散作用引起的过硫酸盐影响半径变化Y2Y2与注入阶段地下水弥散作用强弱有关，地下水弥散作用强弱可基于弥散通量J来判断，见式(6)；见式(6)；式中：v
r
为注射过程所产生的径向流速，m/d；r为径向距离，m；为径向浓度梯度；与Y2变化相关的参数有含水层介质厚度M、有效孔隙度n、纵向弥散度α
L
、注入过硫酸盐流量Q和浓度C0；
③
扩散阶段地下水对流作用引起的过硫酸盐影响半径变化Y
L1
Y
L1
的值即为扩散阶段地下水对流作用使过硫酸盐整体沿地下水流向发生平移的距离，与Y
L1
变化相关的参数有地下水流速v、扩散时间t，Y
L1
表示为式(8)：Y
L1
＝vt

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡喜运，司明睿，卢阳阳，谢晴，荣泽明，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：