地下水核素遷移數(shù)值模擬簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)核電廠特別是內(nèi)陸核電廠選址和設(shè)計(jì)過程中需特別關(guān)注的問題。研究和預(yù)測(cè)核素在地下水中的遷移擴(kuò)散，能夠?yàn)楹穗姀S環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供支持。國(guó)內(nèi)核電廠主要以數(shù)模計(jì)算的方式開展放射性核素在地下水中的遷移擴(kuò)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(yùn)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(yùn)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(yùn)移的相關(guān)理論，其中最基本的是孔隙介質(zhì)中的溶質(zhì)運(yùn)移理論，裂隙介質(zhì)中的溶質(zhì)運(yùn)移主要是以孔隙介質(zhì)溶質(zhì)運(yùn)移理論為基礎(chǔ)，考慮裂隙介質(zhì)的相關(guān)特性。

溶質(zhì)在介質(zhì)中的遷移機(jī)制主要有三方面：對(duì)流、分子擴(kuò)散和機(jī)械彌散。分子擴(kuò)散和機(jī)械彌散統(tǒng)稱為水動(dòng)力彌散。另外，溶質(zhì)在介質(zhì)中遷移的同時(shí)，還有可能發(fā)生各種反應(yīng)，包括物理反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)等。對(duì)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(yùn)移基本理論

裂隙介質(zhì)中的地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)遠(yuǎn)落后于孔隙介質(zhì)。自20世紀(jì)60年代以來，人們就開始了對(duì)裂隙巖體地下水溶質(zhì)運(yùn)移的探索工作，在試驗(yàn)、理論研究和計(jì)算模擬方法等方面都取得了一定的進(jìn)展。然而，由于裂隙巖體中的滲流具有高度的復(fù)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(jì)算程序

根據(jù)溶質(zhì)運(yùn)移基本方程和邊界條件，僅對(duì)于較簡(jiǎn)單情況可得出解析解，多數(shù)情況需采用數(shù)值計(jì)算方法。國(guó)內(nèi)地下水?dāng)?shù)值模擬的研究開始于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過30多年來的努力，取得了快速進(jìn)步和發(fā)展，但至今國(guó)內(nèi)仍然未見報(bào)道具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的通用地下水模擬軟件。

目前，孔隙介質(zhì)溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬計(jì)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(yùn)移計(jì)算常見的計(jì)算軟件有：TOUGH2（PetraSim）、Rockflow和FracMan等。

3.1 MODFLOW和Visual MODFLOW

MODFLOW是由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的McDonald和Harbaugh于20世紀(jì)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(diǎn)，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(shè)計(jì)，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(hù)、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(yīng)用，成為最為普及的地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算模型。

在MODFLOW程序廣為應(yīng)用的同時(shí)，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(jì)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(shì)。至今，Visual MODFLOW已經(jīng)成為被一致認(rèn)可并廣泛應(yīng)用于三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)可視化專業(yè)軟件。

3.2 應(yīng)用最為廣泛的溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬程序——MT3D和MT3DMS

地下水中污染物的運(yùn)移過程要比地下水流本身的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜得多，MT3D是由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署資助開發(fā)并于1990年發(fā)布的一個(gè)用于地下水中污染物運(yùn)移的實(shí)際應(yīng)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(shí)模擬地下水中多種污染物組份的物理遷移過程（包括對(duì)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(yùn)移過程中發(fā)生的簡(jiǎn)單（或復(fù)雜）生物和化學(xué)反應(yīng)。

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(qiáng)大，幾乎可以模擬與地下水相關(guān)的所有水流和溶質(zhì)運(yùn)移問題。由于其良好的交互界面和強(qiáng)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(guó)際上應(yīng)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?？捎盟⑷S空間模型，二維平面，二維剖面或者軸對(duì)稱二維模型，進(jìn)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(xué)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(chǎng)模擬（鹽水或海水入侵問題），非飽和帶流場(chǎng)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(lǐng)域的應(yīng)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(lǐng)域得到應(yīng)用。核電領(lǐng)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(kuò)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(jìn)行合地簡(jiǎn)化，進(jìn)而建立可以進(jìn)行數(shù)值模擬的模型，這一步即模型概化。由于實(shí)際地質(zhì)情況的復(fù)雜性和多樣性，模型概化是必不可少的，也是最關(guān)鍵的一步。合理的模型概化，不但能使得模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確可信，而且會(huì)使計(jì)算的過程更加簡(jiǎn)單。這就需要對(duì)研究區(qū)域的水文地質(zhì)資料進(jìn)行仔細(xì)研究。

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

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

參考文獻(xiàn)：

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