本發(fā)明涉及一種基于comsol的生物滯留池中污染物運(yùn)移模擬方法，屬于多孔介質(zhì)中污染物運(yùn)移模擬的。

背景技術(shù)：

1、生物滯留池作為海綿城市建設(shè)的重要措施之一，在截留地表徑流、降低峰值流量、改善徑流質(zhì)量、補(bǔ)充地下水資源等方面具有顯著優(yōu)勢。如何有效地設(shè)計(jì)生物截留系統(tǒng)，并預(yù)測其在運(yùn)行過程中對(duì)不同污染物的處理效果和雨水截留能力，仍然是需要探索和完善的研究方向。

2、近些年，comsol?multiphysics作為通過多物理場耦合解決流體流動(dòng)、化學(xué)物質(zhì)傳遞、反應(yīng)工程等領(lǐng)域仿真模擬問題的強(qiáng)大有限元仿真軟件，在溶質(zhì)運(yùn)移模擬方面有極大的應(yīng)用前景。由于生物滯留池通常由多種填料組成，且污染物遷移機(jī)制復(fù)雜多樣，污染物去除效率受多種因素影響，包括污染物的性質(zhì)、填料種類及性質(zhì)、設(shè)計(jì)參數(shù)、操作變量等，目前對(duì)于利用comsol模擬污染物在生物滯留池中遷移轉(zhuǎn)化的研究仍相對(duì)較少，缺乏能為生物滯留池在不同設(shè)計(jì)目標(biāo)、建設(shè)背景下的最優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)指導(dǎo)和設(shè)計(jì)建議的理論依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述存在的問題，本發(fā)明公開了一種基于comsol的生物滯留池中污染物運(yùn)移模擬方法，其具體技術(shù)方案如下：

2、一種基于comsol的生物滯留池中污染物運(yùn)移模擬方法，包括如下步驟：

3、步驟1：依據(jù)氣象數(shù)據(jù)和降雨徑流數(shù)據(jù)分析待研究地區(qū)雨水徑流污染特征，確定雨水徑流污染控制目標(biāo)，通過實(shí)驗(yàn)測定或經(jīng)驗(yàn)取值方法確定污染物運(yùn)移模型運(yùn)行參數(shù)，污染物運(yùn)移模型運(yùn)行參數(shù)包括污染物累積特征、污染物在填料中的吸附等溫線、填料孔隙率、儲(chǔ)水系數(shù)、飽和導(dǎo)水率、污染物在填料中的分配系數(shù)、分子擴(kuò)散系數(shù)、污染物衰減率、污染物入流初始濃度、橫向及縱向彌散系數(shù)；

4、步驟2：利用richards方程模擬生物滯留池中變飽和的多孔介質(zhì)環(huán)境，在對(duì)流-彌散方程的基礎(chǔ)上考慮吸附作用、污染物反應(yīng)及污染物的源匯項(xiàng)，建立溶解相污染物運(yùn)移模擬的控制方程，溶解相污染物運(yùn)移模擬包括兩個(gè)模擬過程，分別是對(duì)流體流場的模擬，以及對(duì)污染物運(yùn)移的模擬；

5、步驟3：基于溶解相污染物運(yùn)移模擬的控制方程，利用comsol?multiphysics軟件構(gòu)建生物滯留池中污染物運(yùn)移模型，通過計(jì)算及后處理得到生物滯留池內(nèi)流場、壓力、污染物濃度分布、阻滯系數(shù)分布、有效飽和度結(jié)果圖，并在出水處設(shè)置二維截點(diǎn)得到截點(diǎn)處污染物濃度隨時(shí)間變化的結(jié)果圖，后續(xù)通過對(duì)生物滯留池中污染物運(yùn)移模型參數(shù)調(diào)整，考察不同填料組合和設(shè)計(jì)規(guī)模對(duì)生物滯留池污染物去除效率的影響，根據(jù)模型模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)要求，調(diào)整生物滯留池的填料組合、設(shè)計(jì)規(guī)模等參數(shù)，比選并確定最優(yōu)設(shè)計(jì)的參數(shù)組合，為生物滯留池污染物處理效果的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

6、進(jìn)一步的，所述步驟2中，考慮生物滯留池中的非飽和多孔介質(zhì)填料環(huán)境，利用richards方程接口構(gòu)建非飽和多孔介質(zhì)中流體流動(dòng)的控制方程，richards方程以達(dá)西定律為基礎(chǔ)：

7、

8、式中：t為時(shí)間，s；ρ為土壤流體密度，kg/m3；∈p為介質(zhì)孔隙率，無量綱；為拉普拉斯算子；qm為質(zhì)量源，kg/m3/s；u為達(dá)西速度或單位流量矢量，m/s；k為多孔介質(zhì)滲透率，m2，定義為k＝kskr(se)，其中ks為介質(zhì)飽和滲透系數(shù)，m2，kr為相對(duì)滲透系數(shù)，無量綱，是關(guān)于有效飽和度se的函數(shù)；p為壓強(qiáng)，pa；g為重力加速度常數(shù)，取9.8m/s2；g為重力加速度矢量，m/s2；d為高程，m，為重力方向上的單位矢量，m；

9、考慮多孔介質(zhì)中的非飽和條件、流體流動(dòng)的連續(xù)性，在達(dá)西定律的基礎(chǔ)上得到以下非飽和流控制方程，即richards方程：

10、

11、式中：cm為容水度，m-1；se為土體的相對(duì)飽和度；sp為彈性貯水率，pa-1。

12、進(jìn)一步的，采用van?genuchten模型描述土壤水力函數(shù)，表示θ、cm、se和kr四種滯留和滲透性質(zhì)：

13、θ＝θr+se(θs-θr)?(5)

14、

15、式中：θr為殘余含水率，m3/m3；θs為飽和含水率，m3/m3；hp為壓力水頭，m；α為水分特征曲線進(jìn)氣值的倒數(shù)，m-1；β為水分特征曲線坡度的指示參數(shù)，通過擬合土壤水分特征曲線得到；m＝1-1/β；

16、因此，步驟2所建立的生物滯留池流場模擬控制方程，即流體流場的模擬，為：

17、

18、進(jìn)一步的，所述步驟2中，基于對(duì)流-彌散方程構(gòu)建溶質(zhì)運(yùn)移模型，考慮吸附、彌散及反應(yīng)降解作用，控制生物滯留池多孔介質(zhì)填料中污染物吸附、彌散及反應(yīng)降解的方程如下：

19、

20、式中：ci為液體中物質(zhì)i的濃度，mol/m3，cp,i是單位重量干固體吸附污染物的質(zhì)量，mg/kg；ri為物質(zhì)i反應(yīng)降解速率表達(dá)式；si為源匯項(xiàng)；ji為擴(kuò)散通量矢量，mol/m2/s/；dd,i為物質(zhì)i的機(jī)械彌散張量，m2/s；de,i為物質(zhì)i的有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。

21、進(jìn)一步的，所述步驟2中，在非飽和帶中，土壤固體顆粒之間的孔隙將由空氣和水共同組成，即∈p＝θl+θg，其中θl為土壤中水的體積分?jǐn)?shù)，θg為土壤中氣體的體積分?jǐn)?shù)，同時(shí)，需要在飽和帶的基礎(chǔ)上添加對(duì)于土壤空氣的考慮，從而使得生物滯留池填料中的物質(zhì)濃度變化項(xiàng)改變?yōu)槿芙庥谕寥酪后w中、吸附于土壤固體顆粒中以及揮發(fā)于多孔介質(zhì)空氣中的物質(zhì)濃度變化項(xiàng)，公式表達(dá)相應(yīng)的改變?yōu)椋?/p>

22、

23、式中：cg,i為物質(zhì)i在氣相中的濃度，mol/m3，cg,i＝kg,ic，kg,i為氣相中物質(zhì)i所占的比例；

24、因此，步驟2所述生物滯留池中溶解相污染物運(yùn)移模擬的控制方程如下：

25、

26、θg＝∈p-θl?(16)

27、cg,i＝kg,ic?(17)。

28、進(jìn)一步的，所述步驟2中，在污染物遷移轉(zhuǎn)化過程中考慮污染物的吸附過程，采用langmuir模型或freundlich模型，或者通過實(shí)驗(yàn)測定自定義吸附曲線；

29、langmuir模型采用以下控制方程：

30、

31、式中：cp,i,l是吸附物質(zhì)中物質(zhì)i的langmuir溶質(zhì)平衡吸附量，mg/g；kl,i是langmuir吸附常數(shù)，l/mg；cpmax,i是吸附物質(zhì)的最大吸附量，mg/g；ci是溶液中的物質(zhì)i的濃度，mg/l；

32、freundlich模型采用以下控制方程：

33、

34、式中：cp,i,f是吸附物質(zhì)上物質(zhì)i的freundlich平衡吸附量，mg/g；kf,i、nf,i是物質(zhì)i的freundlich常數(shù)，mg/g；ci是溶液中的物質(zhì)i的濃度，mg/l；cref,i是溶液中的物質(zhì)i的標(biāo)準(zhǔn)樣品濃度，mg/l。

35、進(jìn)一步的，所述步驟3中基于comsolmultiphysics的建模過程，包括以下步驟：

36、3.1：基于步驟1中的雨水徑流污染特征、建設(shè)區(qū)域雨水徑流控制目標(biāo)，確定所需生物滯留池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定所需模擬的污染物，建立生物滯留池幾何模型；

37、3.2：添加多物理場接口：采用“理查茲方程(dl)”接口來模擬多孔介質(zhì)填料中的流場，采用“多孔介質(zhì)中的稀物質(zhì)傳遞(tds)”來模擬溶解相污染物在填料中的遷移轉(zhuǎn)化過程，設(shè)置參數(shù)屬性并利用初始條件、邊界條件對(duì)方程進(jìn)行約束，其中生物滯留池左右邊界設(shè)置為無流動(dòng)邊界；底部邊界設(shè)置為透水層邊界；

38、3.3：對(duì)生物滯留池幾何模型進(jìn)行自定義網(wǎng)格劃分；

39、3.4：添加瞬態(tài)研究，根據(jù)需求調(diào)整求解器當(dāng)中的絕對(duì)容差、時(shí)間步進(jìn)、終止方法和準(zhǔn)則配置，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，分別展示達(dá)西速度場、壓力水頭、溶解相污染物濃度、有效飽和度、阻滯系數(shù)視圖；

40、3.5：利用數(shù)據(jù)集中的二維截點(diǎn)，創(chuàng)建一維繪圖組，對(duì)流出位置某點(diǎn)不同時(shí)間濃度變化數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，展現(xiàn)污染物流出濃度變化；

41、3.6：根據(jù)模型模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)要求，調(diào)整生物滯留池模型的填料組合、設(shè)計(jì)規(guī)模等設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)調(diào)試后的模擬結(jié)果，比選并確定針對(duì)不同設(shè)計(jì)目標(biāo)(如污染物控制、徑流量控制等)最優(yōu)設(shè)計(jì)的參數(shù)組合，為生物滯留池污染物處理效果的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

42、本發(fā)明的有益效果是：

43、本發(fā)明通過生物滯留池建設(shè)環(huán)境的雨水徑流污染物數(shù)據(jù)收集，確定研究區(qū)域污染物輸入環(huán)節(jié)和排放通量，為模型構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。

44、本發(fā)明在生物滯留池溶質(zhì)運(yùn)移模擬過程中考慮吸附、彌散及降解等環(huán)節(jié)，在相應(yīng)物理場節(jié)點(diǎn)下分別置入非飽和流場、溶解相污染物運(yùn)移的控制方程，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物滯留池非飽和條件下溶解相污染物遷移轉(zhuǎn)化的模擬。

45、本發(fā)明利用二維旋轉(zhuǎn)，基于構(gòu)建的二維模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維柱狀生物滯留池模型的模擬，將傳統(tǒng)柱狀實(shí)驗(yàn)與模型模擬結(jié)合，便于與實(shí)驗(yàn)條件下的柱狀生物滯留池進(jìn)行擬合，同時(shí)有利于模型的調(diào)試。

46、本發(fā)明在出口處設(shè)置二維截點(diǎn)，得到出口處污染物濃度隨時(shí)間變化的曲線圖，可以直觀地理解生物滯留池對(duì)污染物的處理效率，通過對(duì)生物滯留池設(shè)計(jì)參數(shù)和操作變量的改變，分析生物滯留池處理效率的變化，并通過模型調(diào)試總結(jié)生物滯留池的最優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同建設(shè)背景、不同處理目標(biāo)下生物滯留池的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，為其在實(shí)際工程中的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。