地下水环境影响评价

地下水环境影响评价2评价方法类比法由于污染物的迁移除取决于污染物本身特征外，还取决于环境水文地质条件和水文地球化学条件环境水文地质和地球化学条件的相似性决定了其污染影响的可比性在查明相似工程项目及其所处地区的环境水文地质条件和地球化学基础上，通过量化处理，即可对拟建项目的环境影响范围、大小做出评估在量化处理中将开发因素与环境后果都概化为数值指标，并确定出类比系数。依此，即可进行环境影响预测3实例：利用稳定铬同位素（53Cr/52Cr）在Cr（VI）被还原过程中发生的同位素分馏机理可定量评价含水层对Cr（VI）的还原速率和还原能力这样，只要我们掌握了一个地区特定含水层中铬同位素（53Cr/52Cr）的变化规律，就可以定量预测Cr（VI）在该含水层中的被还原情况4评价方法数学模拟法在区域水文地质特征调查基础上，根据污染途径分析，通过建立数学模型，获取计算参数等步骤进行的数学模式包括污染物迁移和水质评价两大类在污染物迁移模式中，可视情况和条件采用数值方法或解析法，而模式中所需参数需要经过现场调查、现场试验及实验室测量来获取2004-11-115污染物迁移的数学模型运移方程•(i,j=1,2,3)ICuxxCDxtCiijiji)()(2004-11-116污染物迁移的数学模型初始条件•区域(Ω)上所有点在某一初始时刻t=0时的浓度分布),,(),,,(00zyxCtzyxCt2004-11-117污染物迁移的数学模型边界条件•第一类边界条件，边界上浓度是已知的•第二类边界条件，边界上弥散通量是已知•第三类边界条件，边界上溶质通量是已知•),,,(),,,(11tzyxftzyxC),,,(22tzyxfxCDjij),,,()(33tzyxfnxCDCuiiiji2004-11-118数学模型的求解方法解析法•简单条件下的溶质运移模型•表达式过于复杂而难于实际应用数值模拟法•有限差分法（FiniteDifferenceMethod）•有限单元法(FiniteElementMethod)•边界元法(BoundaryElementMethod)2004-11-1191、有限差分法(FDM)基本思想按时间步长和空间步长将时间和空间区域剖分成若干网格用未知函数在网格结(节)点上的值所构成的差分近似代替所用偏微分方程中出现的各阶导数把表示变量连续变化关系的偏微分方程离散为有限个代数方程求解此线性代数方程组，以求出溶质在各网格结(节)点上不同时刻的浓度2004-11-1110有限差分法(FDM)基本步骤（1）剖分渗流区，确定离散点（2）建立水动力弥散问题的差分方程组（3）求解差分方程组•点逐次超松驰方法(SOR)•线逐次超松驰方法(LSOR)•交替方向隐式迭代法(IADI)及强隐式方法(SID)等2004-11-1111差分与导数（Tarley级数）几种导数的差分近似1、一阶向前差分2、一阶向后差分3、一阶中心差分4、二阶导数的差分xxfxxfdxdf)()(xxxfxfdxdf)()(xxxfxxfdxdf2)()(222)()(2)(xxxfxfxxfdxfd2004-11-1112差分方程的相容性、收敛性、稳定性相容性•导数与其差分近似式之间存在截断误差•当时间步长△t和空间步长△x都趋近于零时，差分方程的截断误差也趋近于零，差分方程的极限形式就是原偏微分方程•这时，认为差分方程与偏微分方程是相容的，这种相容性表示差分方程“收敛”于原偏微分方程2004-11-1113差分方程的相容性、收敛性、稳定性收敛性•指差分方程的解，即当步长△t、△x→0时收敛于原偏微分方程的解稳定性•差分方程的求解是以步进方式进行的，在逐步推进的过程中，误差也逐步积累•若这种误差积累保持有界，则差分方程是稳定的；若这种误差积累无界，则差分方程是不稳定的2004-11-1114差分格式格式不同，其截断误差、稳定性条件不同1、显式差分格式2、隐式差分格式3、Crank-Nicolson差分格式ninininiECBCACC111ninininiCECBCAC11111ninininininiECFCACECBCAC1111111浓度取tn,浓度取tn+1,O(△t+△x2)212xtDL1xtuxDuL2O(△t+△x2)O(△t2+△x2)TtLxxCuxCDtCL0,0222004-11-1115有限元法(FDM)基本思想把研究区域剖分为有限个子区域在每个子区域上用某种插值函数来近似待求解的未知函数得到求解相应偏微分方程的线性代数方程组2004-11-1116有限元法(FDM)种类里兹(Ritz)有限单元法•基于变分原理，从泛函取极小的变分问题出发进行离散化的•寻找泛函往往较为困难，常对原方程进行适当变换，但这种变换常引起较大的误差，而导致计算失败伽辽金(Galerkin)有限单元法2004-11-1117有限元法(FDM)基本步骤——加权余量法(MethodofWeightedResiduals)设微分方程：L(u)—f＝01、用一组有限级数Ũ代替未知函数uMjjjuu1~试探函数基函数形状函数插值函数2004-11-1118有限元法(FDM)加权余量法•余量R：R＝L(Ũ)—f2、使余量R在某种意义下达到最小，找出待求参数uj•简单的办法是使R在区域平均意义下为零•但是，这对于M个未知数来说仅能得到一个方程。为了得到M个方程：通过选取权函数W(i＝1，2，…，M)，使每个加权的余量在积分意义下为零0Rd),,2,1(0MidRWi2004-11-1119有限元法(FDM)加权余量法•根据权函数Wi的选择方法不同，可以得到各种计算方法•伽辽金法选取权函数Wi为基函数Φi，即Wi=Φi•当待求函数为浓度C时),,2,1(0)~(MidfuLienjjjCC1~2004-11-1120有限元法(FDM)加权余量法3、将试探函数式代入权剩余方程，把权剩余在整个区域上的积分化为在各个单元上的积分，然后求和，便得到一个方程组0)~()~(1MMeejidfCLdfCL2004-11-1121有限元中的基函数线单元试探函数单元e的基函数122112)()()(~xxCxxCxxxC2112121221xxxxxxxxxxxee2004-11-1122有限元中的基函数三角形单元试探函数基函数（结点i，j，m按逆时针编号）yaxaaC321~),,()(21mjilydxballllijjimmiimjjmmjiyxyxayxyxayxyxajimimjmjiyybyybyybijmmijjmixxdxxdxxdmmjjiiyxyxyx1112004-11-1123有限元中的基函数三角形单元基函数的性质•—φl在结点l上为1，在其它两个结点上为0•—φl沿着三角形的边随距离作线性变化•—φl在三角形中心处的值等于1/3•—在结点l的对边上，φl＝0•—在单元上任一点处都有：φi+φj+φm＝1矩形单元l=i,j,m2004-11-1124边界元法(BEM)基本思想基于Green公式和Green函数把问题的解表示为沿区域边界的积分在计算上把三维问题约化为二维问题，把二维问题约化为一维问题能方便并且精确地处理作为奇点的井点2004-11-1125边界元法(BEM)基本原理Green公式•表示平面上的曲线积分与二重积分之间的关系dsynQxnPdxdyyQxP),cos(),cos(2004-11-1126边界元法(BEM)基本原理Green第一公式、第二公式•令yvuQxvuPdsnuudxdyvudxdyyvyuxvxuGreen第一公式：dsnuvnvudxdyuvvu)()(Green第二公式：2004-11-1127边界元法(BEM)基本关系若取C为浓度G称为Green函数，为区域Ω中任意一固定点（即基本点）M0（x0，y0）至动点M（x，y）的距离GrvCuMM0ln若M与M0重合，G在M0点产生的奇异性，不能应用Green第二公式。为此，可做一个以M0为圆心，ε为半径的园，把M0包围起来，余下的区域使用第二公式2004-11-1128边界元法(BEM)基本关系如果点M0位于边界上，也可作类似处理，即以M0为圆心，ε为半径作一半园（园缺）。CdxdyGdsnCGnGCMCMM)(00)()(0对于折线边界边界夹角的弧度对于光滑边界M2004-11-1129边界元法(BEM)基本关系可以统一写为CdxdyGdsnCGnGCMCMM)(00)()()(20000位于边界的转折点上位于光滑边界上内部位于MMMM2004-11-1130边界元法(BEM)基本步骤1、先把边界离散为N个结点，每个结点用直线相连，该联线称为边界单元，外边界上的结点编号顺序为顺时针，内边界上结点编号顺序为逆时针。然后把区域Ω离散为NT个三角形单元。2004-11-1131边界元法(BEM)基本步骤2、在任意边界段上，引进局部坐标系（ξ，η），找出浓度及其法向导数的表达式；在区域内部的浓度可用线性插值基函数表示31)(),(),,(jjjtCyxNtyxC2004-11-1132边界元法(BEM)基本步骤3、离散形式的边界元积分方程：把2中的各表达式代入边界元法的基本关系方程4、依次把每一边界结点和内部结点当作基本点i，写出上式的形式，便得到一方程组2004-11-1133改进的数值法必要性大量的计算实践表明•当弥散作用占优时，能取得较为满意的计算结果•对流作用占优的问题时，都会遇到两个数值困难，即数值弥散和过量2004-11-1134改进的数值法过量现象一维流动一维水动力弥散问题的纯对流解析解与有限差分数值解C-x曲线在浓度锋面附近数值计算的浓度超过最大浓度值1和小于最小浓度0。这种计算结果违背了基本的物理意义。我们称这种现象为“过量现象”2004-11-1135改进的数值法数值弥散精确解析解的峰面是直立的，没有过渡带，但有限差分的数值解却存在一个过渡带这个过渡带在物理上显然是不存在的，它是由于数值计算过程中的误差产生的，通常称之为数值弥散2004-11-1136改进的数值法改进方法上游加权法特征值法动坐标法网格变形法随机步行法引入人工扩散量法实例淋滤作用下铀水冶尾矿库中核素在地下水中迁移的反应-输运藕合模拟2004-11-3038研究区概况湘江2004-11-3039库区地质结构剖面示意图更新统棕红色砾石层，呈透镜状发育，单个透镜体厚1～2m，透镜体重迭部位厚3～5m，砾石磨圆度高，分选性好，砾径多为2～5cm，多呈孔隙式胶结更新统棕红色网纹状亚粘土厚5～10m，多呈厚层状，胶结紧密，抗风化能力强，具有清晰的黄白或白色蠕虫状条纹全新统砂卵石全新统亚粘土湘江上更新统棕黄色、红色粘土、亚粘土3-12米厚上更新统砂卵石始新统流市组茶山坳段下部岩段，主要由紫红色、暗紫色泥岩、粉砂质泥岩和泥岩、粉砂岩夹薄层状灰色钙泥质页岩和泥灰岩等组成，灰色夹层厚度一般为10～30cm，发育不稳定。接近岩层顶部的岩石中普遍发育有峰窝