塑料排水板淋洗修复污染地基的解析模型与数值模拟

作     者：周薛 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：凌道盛;王恒宇

授予年度：2022年

学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 

主      题：塑料排水板 竖井淋洗系统 交叉式布置 土体分层 解析解 三维有限元模型 

摘      要：传统的土壤淋洗技术对于受污染细粒土的修复效果不佳,原因在于淋洗液的运移和污染物的提取均受到细粒土低渗透性的限制。竖井淋洗系统将塑料排水板引入到土壤淋洗技术中,通过缩短淋洗液的渗流路径从而加速淋洗修复过程,使得淋洗技术的有效性可以拓展到低渗透性细粒土。现有研究考虑了两种排水板布置方式,并将污染土体视为均质土,所获结论适用性有限。本文提出了两种工况下的淋洗修复数学模型,并推导了相应的解析解。针对竖井淋洗系统中塑料排水板呈交叉式布置的情况,提出了简化的二维平面模型;针对竖井淋洗系统中塑料排水板呈平行式布置的情况,基于现有关于均质土的解析模型提出了考虑土体分层特性的淋洗修复数学模型。此外利用有限元软件建立了竖井淋洗系统修复污染土体的三维有限元模型。借助于这些理论模型和数值模型,分析了影响竖井淋洗系统修复效率的主要因素,取得了如下的研究成果:（1）提出了一种适用于竖井淋洗系统的新型排水板布设方式,即排水板呈交叉式布置。针对排水板呈交叉式布置的情况,建立了简化的淋洗修复二维模型并推导了该模型的解析解。与数值解的比较验证了模型假设的合理性与解析解的正确性。计算结果表明在单个排水板注液速率相同的条件下,交叉式布置对应的淋洗修复效率显著高于平行式布置。（2）排水板呈正方形图案排列是交叉式布置中淋洗效率最高的布置方式。在这一布置方式下,随着两边排水板间距的同步增大,淋洗效率相应增大。分配系数对于淋洗效率具有显著的影响,分配系数越大,达到一定修复程度所需的时间越长。纵向和横向弥散度的同步增大会造成土体剖面上污染物浓度分布更加均匀,同时也会导致污染物平均浓度的升高。（3）针对竖井淋洗系统中排水板呈平行式布置的情况,提出了考虑土体分层特性的淋洗修复二维模型并推导了模型的解析解。分别与现有解析解和数值模型结果进行比较验证了该解析解的正确性。该解析解可用于评估竖井淋洗系统在成层污染土体中的修复效果。（4）对于由砂土层和粘土层组成的三层污染场地,砂土层渗透系数或厚度的增加均会导致竖井淋洗系统对粘土层的修复效率逐渐降低,并且当砂土层渗透系数比粘土层大两个数量级时,粘土层的修复效率会由于砂土层的出现而显著降低,即使砂土层的厚度远小于粘土层。这一结果表明竖井淋洗系统不适用于修复土层间渗透系数差异较大的非均质污染场地。（5）利用有限元软件COMSOL Multiphysics 5.4建立了采用平行式布置的竖井淋洗系统修复均质污染土体的三维有限元模型。模型计算结果表明排水板轴线上的污染物浓度分布与相邻排水板中间位置的浓度分布有一定差异,这种差异的大小主要取决于土体横向弥散度。在污染物总量相同的情况下,初始污染物浓度的分布不会影响系统的修复效率。