地下水核素遷移數值模擬簡介

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核電廠特別是內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，能夠為核電廠環境影響評價提供支持。國內核電廠主要以數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。

根據研究介質的不同，主要分為孔隙介質和裂隙介質。目前，孔隙介質中的溶質運移理論已經較成熟，但裂隙介質由于巖體裂隙的空間幾何因素、滲透系數和彌散系數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運移的研究具有較大的難度。

2、溶質（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運移的相關理論，其中最基本的是孔隙介質中的溶質運移理論，裂隙介質中的溶質運移主要是以孔隙介質溶質運移理論為基礎，考慮裂隙介質的相關特性。

溶質在介質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稱為水動力彌散。另外，溶質在介質中遷移的同時，還有可能發生各種反應，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 裂隙介質中溶質運移基本理論

裂隙介質中的地下水數值模擬技術遠落后于孔隙介質。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、彌散系數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（核素）遷移數值模擬分析和計算程序

根據溶質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，多數情況需采用數值計算方法。國內地下水數值模擬的研究開始于20世紀70年代，經過30多年來的努力，取得了快速進步和發展，但至今國內仍然未見報道具有知識產權的通用地下水模擬軟件。

目前，孔隙介質溶質運移數值模擬計算常用的軟件有：MODFLOW、MT3D、MT3DMS、GMS、FEMWATER、3DFEMWATER、FEFLOW、PMWIN和GeoStudio等。裂隙介質溶質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是由美國地質調查局的McDonald和Harbaugh于20世紀80年代開發的用于孔隙介質的三維有限差分地下水流數值模擬模型。其模塊化的結構是MODFLOW最顯著的特點，這種模塊化結構使程序易于理解、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的科研、生產、環境保護、城鄉發展規劃、水資源利用等行業和部門得到了廣泛的應用，成為最為普及的地下水運動數值模擬計算模型。

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值模擬軟件也相繼問世。其中，加拿大Waterloo Hydrogeologic Inc開發的Visual MODFLOW軟件，相較于MODFLOW，該軟件具備了數據前后處理能力，以及計算結果可視化、與其他軟件數據信息交互等多方面優勢。至今，Visual MODFLOW已經成為被一致認可并廣泛應用于三維地下水流和溶質運移模擬評價的標準可視化專業軟件。

3.2 應用最為廣泛的溶質運移數值模擬程序——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是由美國環境保護署資助開發并于1990年發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（或結合其它軟件如RT3D）模擬組份在運移過程中發生的簡單（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，進行非穩定流或穩定流模擬、多層自由表面含水系模擬，包括滯水模擬，化學物質遷移及熱轉遞模擬，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遷移模擬。

4、地下水核素遷移數值模擬在核電領域的應用

環境安全問題越來越受到人們重視，這也促使地下水的數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。

首先根據已掌握的研究區域的水文地質資料，將研究區域進行合地簡化，進而建立可以進行數值模擬的模型，這一步即模型概化。由于實際地質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。這就需要對研究區域的水文地質資料進行仔細研究。

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，需要進一步調整，即模型校準。這需要調整模型的一些輸入參數來實現，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果進行一些分析，以確認模擬結果的可靠性。比如進行溶質守恒分析，參數敏感性分析等。

參考文獻：

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

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

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