施阳
安庆市生态环境保护综合行政执法支队，安徽安庆 246003
摘要：化学作用对溶质运移具有重要的影响，然而对反应性溶质运移的研究基本都在多孔介质中。为了揭示反应性溶质在裂隙介质中的运移机理，以苯胺和1,2-萘醌-4-磺酸钠双分子化学反应为例，分别开展了惰性及反应条件下不同流速和不同隙宽的溶质运移和数值模拟研究。得出的主要结论如下：（1）改进的反应性对流弥散模型（ADRE）能具有较高精度的拟合裂隙双分子反应的溶质运移行为；（2）裂隙对反应性溶质的阻隔现象不明显，在裂隙介质中能够较完全的反应；（3）模型参数敏感度分析表明ADRE模型受参数m和β的影响最大，参数D对其影响较小；（4）随着流速的增加，模型参数β0 和 D增加，参数m减小；随着裂隙隙宽的增加，参数m增加，β0 和 D减小。
关键词：平板裂隙；双分子化学反应；溶质运移；敏感度分析；模型参数
中图分类号： P641.2 文献标识码：A 文献编号：
Model research of bimolecular reactive solute transport in a single fracture based on ADE-ADRE coupling
SHI Yang
Anqing Environmental Protection Integrated Administrative Law Enforcement Detachment，Anqing, Anhui 246003
Abstract: Chemical properties have an important effect on solute transport, however，the study of reactive solute transport was almost in porous media. To study the solute transport affected by chemical reaction in fracture media, a case study of bimolecular reactive transport was conducted by using 1,2-napthoquinone-4-sulfonic acid and aniline, batch experiments and numerical simulations were conducted under different apertures and seepage velocities. The main conclusions are as follows: (1) The modified ADRE (advection-dispersion-reaction equation) model is feasible for bimolecular reactive transport in fracture media with higher accuracy. (2) There are a few blocks for reactive solute, the solute could react with the other completely. (3) Sensitivity analysis showed that the ADRE model was most sensitive by the parameters m and β0, and the hydrodynamic dispersion coefficient D has relatively insensitive to the model. (4) With the increase of seepage velocities, the values of β0 and D increase, while the values of m decrease; With the increase of fracture, the values of m increase, while the values of β0 and D decrease.
Key words: plate fracture; bimolecular reaction; solute transport; sensitivity analysis; model parameters
引言
地下水环境中的污染物运移机理对地下水污染防治、深部地下工程及放射性核废料的地质处置等有着重要的指导意义。量化地下水中溶质所发生的化学反应是对其进行科学评价和有效治理的前提[1-2]。反应性溶质运移模型参数的确定[3]和传统对流弥散方程（advection-dispersion-reaction, ADRE）会过高的预测产物浓度[4]是研究反应性溶质运移的两个难点。为此，Edery等[5]研究出一种粒子追踪模型来分析反应性溶质运移并取得较好的结果。运用ADRE模型需要两个要求[4]（1）反应进行的模型总长度远远大于多孔介质孔隙的几何特征长度；（2）两种反应物在多孔介质模型中接触瞬间完全混合反应。然而，有研究表明尽管ADRE存在一些限制，但是它仍然是一种基本的模拟方法[6]。Raje等[7]进行了苯胺（AN）和1,2-萘醌-4-磺酸钠（NQS）反应溶质运移试验的研究，将二阶反应系统采用常数处理，例如r = k，k为常数，结果表明生成物峰值浓度模拟值比实验值高出40％。Gramling等[8]开展了Na2EDTA和CuSO4的双分子反应性溶质运移试验和解析研究，二阶反应常数同样采用常系数处理，结果生成物浓度比试验值高出20％。之后Sanchez-Vila[4]提出一种新的算法，他把二阶反应率r=β0t-m变成时间函数，模拟结果有着大幅度的提高，误差仅为12％。
反应性溶质运移的研究基本都在多孔介质中，裂隙介质中的反应物溶质运移无论是在机理上还是在实验上都存在不足。Berkowitz[9]分析了在平板模型中，反应性溶质在完全层流的情况下的运移情况，三种表面反应的类型被证实：（1）不可逆的一级动力学反应；（2）瞬时可逆反应；（3）可逆的一级动力学反应。李赫男等[10]研究了光滑和粗糙裂隙中双分子反应的溶质运移研究，但是并没有完全研究流速和隙宽对模型参数的影响。在以往研究双分子在多孔介质和裂隙介质中，研究模型均涉及到3个参数，在拟合试验值的时候需要同时拟合这3个参数，难度和误差都较大。所以，本文选择AN和NQS为可反应溶质的代表，对其在更接近自然的人工粗糙大理石板裂隙中进行惰性和反应性溶质运移研究，系统分析流速和隙宽对耦合模型参数的影响，以便提高ADRE的模拟精度。
；同一流速下，随着裂隙隙宽的增加，参数m增加，β0 和 D减小。且参数m和β0随流速变化基本呈线性变化，其变化原因需要进一步研究。
参考文献
[1] 张丛志, 张佳宝, 徐绍辉,等. 反应性溶质在不同质地饱和土柱中运移的数值模拟[J]. 水科学进展, 2008, 19(4):552-558.
[2] 钱天伟, 李书绅, 武贵宾. 地下水多组分反应溶质迁移模型的研究进展[J]. 水科学进展, 2002, 13(1):116-121.
[3] Kapoor V, Jafvert C T, Lyn D A. Experimental study of a bimolecular reaction in Poiseuille Flow[J]. Water Resources Research, 1998, 34(8):1997–2004.
[4] Sanchez-Vila X, Fernàndez-Garcia D, Guadagnini A. Interpretation of column experiments of transport of solutes undergoing an irreversible bimolecular reaction using a continuum approximation[J]. Water Resources Research, 2010, 46(12).
[5] Edery Y, Scher H, Berkowitz B. Particle tracking model of bimolecular reactive transport in porous media[J]. Water Resources Research, 2010, 46(7):759-768.
[6] Sanchez-Vila X, Guadagnini A, Fernàndez-Garcia D. Conditional Probability Density Functions of Concentrations for Mixing-Controlled Reactive Transport in Heterogeneous Aquifers[J]. Mathematical Geosciences, 2009, 41(3):323-351
[7] Raje D S, Kapoor V. Experimental study of bimolecular reaction kinetics in porous media[J]. Environmental Science & Technology, 2000, 34(7):1234-1239.
[8] 李赫男. 单裂隙反应性溶质运移规律研究[D]. 合肥工业大学, 2013.
[9] 钱家忠, 刘咏, 张勇,等. 多孔介质双分子反应溶质运移实验与模拟研究[J]. 中国科学技术大学学报, 2013, 43(2):104-109.