人工冻结土中温度梯度对重金属离子的驱动机理研究

The interaction between permafrost and pollutant has become an important research topic in environmental geology, but the research on the permafrost development key factors of temperature gradient in this field is urgent. Understanding the blocking mechanism of permafrost is a prerequisite for the scientific use of frozen soil. The project is based on the artificial frozen soil barriers, and the mechanism of migration and the mechanism of the study are analyzed by using the “theory - test - simulation” research methods. Firstly, the influence of the temperature gradient on the hydrodynamic parameters of the frozen soil is obtained by numerical experiment, and the mathematical expression of parameters is established to provide the basic data for the future study. Secondly, its distribution and migration of heavy metal pollutants in the barrier are obtained by soil column tests, and a reflection of the temperature gradient of the pollutant migration equation is set up. Considering the seepage-concentrate coupling, theoretical model contaminant transport in the cryogenic barriers is established. Finally, based on COMSOL software, the mathematical model is numerically solved to analyze the block effect of barrier on heavy metal ions and verify the effectiveness of the mechanism model. The research can contribute to the popularization and application of artificial freezing technology, and provide theoretical support for heavy metal pollution disposal technologies.

冻土与污染物相互作用已经成为环境岩土一个重要研究课题，但是在该领域针对温度梯度这一冻土发育关键因素的研究亟待加强。认识冻土对污染物的阻滞机理是科学利用冻土的前提，该项目以人工冻结土屏障为研究对象，采用试验-理论模型-数值分析-对比验证的研究方法进行迁移规律和阻滞机理研究。首先，通过实验获得温度梯度对冻土水动力参数的影响规律，并建立体现温度梯度响应的参数表达形式。其次，通过土柱试验了解重金属污染物在屏障中的迁移分布规律，建立反映温度梯度影响的污染物运移方程，同时考虑与渗流场和温度场的耦合作用，建立冻结土屏障中污染物运移理论模型。最后，对数学模型进行数值求解，分析屏障对重金属离子的阻滞效果，验证机理模型的有效性。研究可以为重金属污染处置技术提供理论支持。

冻土与污染物相互作用已经成为环境岩土一个重要研究课题，但是在该领域针对温度梯度这一冻土发育关键因素的研究亟待加强。认识冻土对污染物的阻滞机理是科学利用冻土的前提，该项目以人工冻结土屏障为研究对象，采用试验-理论模型-数值分析的研究方法进行迁移规律和阻滞机理研究。首先，通过实验获得温度梯度对冻土水动力参数的影响规律，并建立体现温度梯度响应的参数表达形式。建立了基于SFCC表达的冻土渗透系数k表达式，提出了试验得到了土样中污染物的分布曲线和溶液中污染物浓度的时间曲线，可以方便的通过SFCC曲线建立孔隙率随温度变化的经验系数，使用上述方程对扩散系数和分配系数进行反演。其次，对冻土屏障开展了自然扩散、渗流两种条件下的试验研究，得到了不同因素影响下的冻土污染物运移的系列规律，均发现上层污染液浓度减小，温度梯度以及结晶力对污染迁移均有一定的驱动作用。通过分析不同初始含水率条件下污染物在土柱中的分布情况，发现了冻结过程重金属离子在冻结锋面处的聚集效应。通过土柱试验了解重金属污染物在屏障中的迁移分布规律，耦合基于温度梯度的冻土孔隙率变化方程，获得了冻土中重金属污染物运移的机理。同时考虑与渗流场和温度场的耦合作用，通过COMSOL软件对水-热-化学耦合过程进行了模拟，完成了对数学模型的数值求解，分析屏障对重金属离子的阻滞效果。研究可以为重金属污染处置技术提供理论支持。