[發明專利]一種半透明顆粒材料中重非水相有機污染物遷移模擬方法

有效

• 申請號: 201611195366.4
• 申請日: 2016-12-22
• 公開（公告）號: CN106644848B
• 公開（公告）日: 2019-03-15
• 發明（設計）人: 吳劍鋒;吳鳴;吳吉春
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01N15/00
• 分類號: G01N15/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 徐瑩

1.一種半透明顆粒材料中重非水相有機污染物遷移模擬方法，其特征在于：包括以下步驟：

(1)可見光掃描二維半透明顆粒材料，CCD相機接收透射光信號；

(2)基于菲德爾定律計算半透明顆粒材料的孔隙度；

(3)通過得到的孔隙度，以半透明顆粒材料的微觀顆粒結構基于分形模型建立孔隙度和滲透率、毛管進入壓力的數學關系；

(4)基于BC模型建立刻畫DNAPL在顆粒材料中長期遷移的相對滲透率-飽和度模型；

(5)將相對滲透率-飽和度模型融入UTCHEM并把半透明顆粒材料的孔隙度、滲透率和毛管進入壓力輸入到UTCHEM中，利用UTCHEM對DNAPL的長期遷移進行精確模擬，并與用光透法測定的DNAPL長期遷移過程中DNAPL的飽和度進行對比；

其中，步驟(2)通過菲德爾定律建立透射光與孔隙度之間的關系，得到

lnI_s＝β+nξ

其中，I_s是可見光穿透飽水的半透明材料后的透射光強，I_o是光源的強度，C是一個用于校正透射光強的常數，α_s是材料固相顆粒的與波長相關的吸光系數，d_s是固相顆粒的平均直徑，L_T是可見光穿過的二維半透明材料厚度，τ_s,w是材料的固相顆粒和液相水之間界面的透射率，d_o是孔隙的平均直徑；當確定β和ξ的數值后，每個像素上的半透明顆粒材料的孔隙度n通過上式進行定量計算。

2.根據權利要求1所述的半透明顆粒材料中重非水相有機污染物遷移模擬方法，其特征在于：步驟(1)在二維砂箱中填充不同粒徑的半透明石英砂，使石英砂處于飽水狀態，用可見光光源從一側照射二維砂箱，使可見光穿透石英砂，另一側用CCD相機接收透射光信號，然后向砂箱中注入DNAPL，使DNAPL在砂箱中進行長時間遷移，整個過程中均用CCD相機對透射光信號進行監測。

3.根據權利要求1所述的半透明顆粒材料中重非水相有機污染物遷移模擬方法，其特征在于：步驟(3)從分形的角度，將半透明顆粒材料看做毛管束的集合，從二維半透明顆粒材料中任取一個研究單元，流體路徑長度為L，單元的橫截面積為A_L，研究單元中直徑大于等于λ的毛管束的數量及其導數為：

其中，D_f是分形維數，λ是毛管束直徑，δ是與一個常數參數，λ_max是最大毛細管直徑；

研究單元中最小毛細管直徑為λ_min，流體的粘度為μ，流動路徑兩頭的壓力差為ΔP，根據泊肅葉方程，流量為：

把上式代入達西定律并考慮的比值趨近于0，從而得到滲透率和孔隙度之間的關系：

其中

4.根據權利要求1所述的半透明顆粒材料中重非水相有機污染物遷移模擬方法，其特征在于：在微觀尺度，由于半透明顆粒材料是由固相顆粒和它們之間的孔隙組成的，步驟(3)從中任選一個正三角形的研究單元，計算這個單元的孔隙度和孔隙面積：

其中，R_V是固相材料顆粒的平均半徑，A是三角形單元的總面積，A_p是單元內的孔隙面積；

把單元內的孔隙近似為一個圓并計算圓的直徑λ_l：

孔隙直徑是圓的直徑和固相顆粒間隙距離的平均值：

其中，L₁是三角形單元的邊長，ΔL_g是固相顆粒間隙的距離；

基于孔隙直徑d_o，計算毛管進入壓力：

其中，P_b是毛管進入壓力，ω＝Fσcosθ，θ是流體和固體顆粒界面的接觸角，σ是表面張力，F是與毛細管形狀和流動方向相關的參數。

5.根據權利要求1所述的半透明顆粒材料中重非水相有機污染物遷移模擬方法，其特征在于：步驟(4)相對滲透率-飽和度模型中驅替過程的相對滲透率為：

其中，l是相的符號，l＝1表示液相水，l＝2表示油相DNAPL，k_rl是相態l的相對滲透率，是相對滲透率端點，n_l是相對滲透率的指數，S_l是l相的飽和度，S_lr是l相的殘留飽和度；

DNAPL再分布過程中的相對滲透率為：

其中，

用滯后模型計算相對滲透率端點、指數和相態的殘留飽和度：

其中，l和l’分別表示被驅替的相和驅替相，T_l是一個根據殘留飽和度數據擬合的參數，是滯后參數，是l相在低滯參數條件中的殘留飽和度，是l相在高滯參數條件中的殘留飽和度，是l’相在低滯參數條件中的殘留飽和度，是l’相在高滯參數條件中的殘留飽和度，S_l'r是l’相的殘留飽和度，是l相在低滯參數條件中的相對滲透率端點，是l相在低滯參數條件中的相對滲透率指數，是l相在高滯參數條件中的相對滲透率端點，是l相在高滯參數條件中的相對滲透率指數。