地下水核素遷移數(shù)值模擬簡介

1、概述

放射性核素在地下水中遷移、吸附和沉積是目前國內(nèi)核電廠特別是內(nèi)陸核電廠選址和設計過程中需特別關注的問題。研究和預測核素在地下水中的遷移擴散，能夠為核電廠環(huán)境影響評價提供支持。國內(nèi)核電廠主要以數(shù)模計算的方式開展放射性核素在地下水中的遷移擴散研究。

根據(jù)研究介質(zhì)的不同，主要分為孔隙介質(zhì)和裂隙介質(zhì)。目前，孔隙介質(zhì)中的溶質(zhì)運移理論已經(jīng)較成熟，但裂隙介質(zhì)由于巖體裂隙的空間幾何因素、滲透系數(shù)和彌散系數(shù)等具有顯著的不確定性和方向性，使得裂隙巖體的滲流和溶質(zhì)運移的研究具有較大的難度。

2、溶質(zhì)（核素）遷移的基本理論

核素在地下水中遷移的基本理論主要是溶質(zhì)運移的相關理論，其中最基本的是孔隙介質(zhì)中的溶質(zhì)運移理論，裂隙介質(zhì)中的溶質(zhì)運移主要是以孔隙介質(zhì)溶質(zhì)運移理論為基礎，考慮裂隙介質(zhì)的相關特性。

溶質(zhì)在介質(zhì)中的遷移機制主要有三方面：對流、分子擴散和機械彌散。分子擴散和機械彌散統(tǒng)稱為水動力彌散。另外，溶質(zhì)在介質(zhì)中遷移的同時，還有可能發(fā)生各種反應，包括物理反應、化學反應和生物反應等。對于放射性核素在地下水中的遷移來說，主要是考慮吸附和放射性衰變。

2.1 裂隙介質(zhì)中溶質(zhì)運移基本理論

裂隙介質(zhì)中的地下水數(shù)值模擬技術遠落后于孔隙介質(zhì)。自20世紀60年代以來，人們就開始了對裂隙巖體地下水溶質(zhì)運移的探索工作，在試驗、理論研究和計算模擬方法等方面都取得了一定的進展。然而，由于裂隙巖體中的滲流具有高度的復雜性，巖體裂隙的空間幾何因素、滲透參數(shù)、彌散系數(shù)等有顯著的不確定性，使得裂隙巖體滲流研究具有極大的難度。

3、溶質(zhì)（核素）遷移數(shù)值模擬分析和計算程序

根據(jù)溶質(zhì)運移基本方程和邊界條件，僅對于較簡單情況可得出解析解，多數(shù)情況需采用數(shù)值計算方法。國內(nèi)地下水數(shù)值模擬的研究開始于20世紀70年代，經(jīng)過30多年來的努力，取得了快速進步和發(fā)展，但至今國內(nèi)仍然未見報道具有知識產(chǎn)權的通用地下水模擬軟件。

目前，孔隙介質(zhì)溶質(zhì)運移數(shù)值模擬計算常用的軟件有：MODFLOW、MT3D、MT3DMS、GMS、FEMWATER、3DFEMWATER、FEFLOW、PMWIN和GeoStudio等。裂隙介質(zhì)溶質(zhì)運移計算常見的計算軟件有：TOUGH2（PetraSim）、Rockflow和FracMan等。

3.1 MODFLOW和Visual MODFLOW

MODFLOW是由美國地質(zhì)調(diào)查局的McDonald和Harbaugh于20世紀80年代開發(fā)的用于孔隙介質(zhì)的三維有限差分地下水流數(shù)值模擬模型。其模塊化的結(jié)構(gòu)是MODFLOW最顯著的特點，這種模塊化結(jié)構(gòu)使程序易于理解、修改和添加新的子程序包。MODFLOW因其合理的模型設計，自問世以來在全美以及全世界范圍內(nèi)的科研、生產(chǎn)、環(huán)境保護、城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃、水資源利用等行業(yè)和部門得到了廣泛的應用，成為最為普及的地下水運動數(shù)值模擬計算模型。

在MODFLOW程序廣為應用的同時，許多基于MODFLOW的可視化地下水流數(shù)值模擬軟件也相繼問世。其中，加拿大Waterloo Hydrogeologic Inc開發(fā)的Visual MODFLOW軟件，相較于MODFLOW，該軟件具備了數(shù)據(jù)前后處理能力，以及計算結(jié)果可視化、與其他軟件數(shù)據(jù)信息交互等多方面優(yōu)勢。至今，Visual MODFLOW已經(jīng)成為被一致認可并廣泛應用于三維地下水流和溶質(zhì)運移模擬評價的標準可視化專業(yè)軟件。

3.2 應用最為廣泛的溶質(zhì)運移數(shù)值模擬程序——MT3D和MT3DMS

地下水中污染物的運移過程要比地下水流本身的運動復雜得多，MT3D是由美國環(huán)境保護署資助開發(fā)并于1990年發(fā)布的一個用于地下水中污染物運移的實際應用模擬軟件。

MT3DMS是基于MT3D的第二代模擬軟件。MT3DMS不但可以同時模擬地下水中多種污染物組份的物理遷移過程（包括對流、彌散、吸附等），而且可以（或結(jié)合其它軟件如RT3D）模擬組份在運移過程中發(fā)生的簡單（或復雜）生物和化學反應。

3.3 GMS軟件

GMS綜合了MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D、NUFF、UTCHEMD等已有的地下水模型，還包含PEST、UCODE、MAP、Borehole Data、TINs、Solid等輔助模塊。

GMS模塊多，功能強大，幾乎可以模擬與地下水相關的所有水流和溶質(zhì)運移問題。由于其良好的交互界面和強大的前后處理功能以及優(yōu)良的三維可視效果，GMS也成為國際上應用較多的地下水模擬軟件。

3.4 FEFLOW軟件

FEFLOW是迄今為止功能最為齊全的地下水模擬軟件包之一。可用它建立三維空間模型，二維平面，二維剖面或者軸對稱二維模型，進行非穩(wěn)定流或穩(wěn)定流模擬、多層自由表面含水系模擬，包括滯水模擬，化學物質(zhì)遷移及熱轉(zhuǎn)遞模擬，包括溫度鹽份遷移模擬，可變密度流場模擬（鹽水或海水入侵問題），非飽和帶流場及物質(zhì)遷移模擬。

4、地下水核素遷移數(shù)值模擬在核電領域的應用

環(huán)境安全問題越來越受到人們重視，這也促使地下水的數(shù)值模擬在更廣闊的領域得到應用。核電領域也不例外，該方法用于分析事故工況下放射性核素在地下水中的遷移擴散。

首先根據(jù)已掌握的研究區(qū)域的水文地質(zhì)資料，將研究區(qū)域進行合地簡化，進而建立可以進行數(shù)值模擬的模型，這一步即模型概化。由于實際地質(zhì)情況的復雜性和多樣性，模型概化是必不可少的，也是最關鍵的一步。合理的模型概化，不但能使得模擬結(jié)果更加準確可信，而且會使計算的過程更加簡單。這就需要對研究區(qū)域的水文地質(zhì)資料進行仔細研究。

接下來就是要建立流場。初步建立的流場可能和實際測得的流場吻合性不好，需要進一步調(diào)整，即模型校準。這需要調(diào)整模型的一些輸入?yún)?shù)來實現(xiàn)，最終使模型中相應位置的流速、流向等和實際觀測值在一定程度上符合。

最后引入源項，在建立好的流場上進行核素遷移模擬，得到關心的核素在地下水中的濃度分布情況。研究者還需要對模擬結(jié)果進行一些分析，以確認模擬結(jié)果的可靠性。比如進行溶質(zhì)守恒分析，參數(shù)敏感性分析等。

參考文獻：

[1]王錦國，裂隙巖體溶質(zhì)運移模型綜述。水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004年第6期。

[2]王巖、梁冰，裂隙巖體地下水溶質(zhì)運移規(guī)律的研究，西安石油大學學報（自然科學版），2007年5月。

[3]沈媛媛等，地下水數(shù)值模型在中國的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，中國水利水電科學研究院學報，2009年3月。