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Hydrodynamics Modelling & Environmental Remediation Research Group

水动力过程模拟与环境修复研究团队

叶逾副教授在《Water Resources Research》上发表通过多筛孔井增大地下水溶质混合及反应的研究论文
来源: | 作者:wshi | 发布时间: 2021-02-09 | 269 次浏览 | 分享到:

 近日,课题组在《Water Resources Research》上发表题为“Effective Chemical Delivery Through Multi-Screen Wells to Enhance Mixing and Reaction of Solute Plumes in Porous Media”的学术论文。叶逾副教授为论文的第一作者,硕士生张宇为第二作者(论文链接: https://doi.org/10.1029/2020WR028551 )。

       近年来,由于工业非法排放、过度使用农药、垃圾填埋场渗漏等人类活动,地下水水质不断遭受威胁。随着地下水的流动,污染物在含水层中形成持久性污染羽,长期污染地下水。目前一种常用的原位修复方法就是通过修复井向污染的含水层中注入修复液,使污染物和修复液反应生成无害物质,从而达到修复目标。但由于地下水中近似层流的流动特性,注入到含水层中的修复液和污染物并不能充分混合,导致地下水修复效率低。

       为增大含水层中修复液和污染物的混合,本文提出了一种通过多筛孔井(Multi-Screen Wells)有效输送化学物质的新方法,可以在不增加能源或人工成本的前提下提高地下水原位修复效率。多筛孔井的基本思想是将注入的修复液分离成多条羽流,利用横向弥散增大污染物和修复液的接触面积,从而增强污染物和修复液的混合反应。

     
图1. 二维多筛孔井系统(a)和单筛孔井系统(b)的概念模型

      本文采用室内砂槽试验和数值模拟研究二维均质多孔介质中的稳态瞬时反应,并将多筛孔井得到的结果和传统的单筛孔井系统进行比较。实验结果证实了多筛孔井系统确实能有效增大污染物和修复液间的反应,且反应效率与修复液的注入间距密切相关。

图2. 不同注入间距下修复液的羽流分布:实验结果(a-c)和数值模拟(d-f)


      利用解析和数值两种方法推导出多筛孔井系统中修复液的最优注入间距,此时污染物和修复液的混合最充分。当修复液的注入间距小于最优注入间距时,会导致注入修复液羽流间的污染物不足,羽流很快交汇,接触面积减小,从而降低修复效率,而大于最优注入间距会导致污染物反应不完全。


图3. 不同注入间距下修复液A、污染物B和生成物C的浓度分布图


图4. 不同注入间距下修复液A、污染物B和生成物C沿着流动方向物质的量

      本文还研究了多筛孔井设计参数以及不同地质条件对地下水修复效率的影响,在实际场地修复中,可参考敏感性分析得到的结果设计多筛孔修复井。

      本研究得到了国家自然科学基金(51709085、51679067、51879088和41702243)、中央高校基础研究基金(B200202158、B210202018)等项目的资助。