Reaktivní modelování transportu v porézních médiích - Reactive transport modeling in porous media

Reaktivní modelování transportu v porézních médiích odkazuje na vytvoření počítačové modely integrace chemická reakce s doprava tekutin skrz Zemi kůra. Takové modely předpovídají distribuci v prostoru a čase chemických reakcí, které probíhají podél průtokové dráhy. Reaktivní modelování transportu obecně může odkazovat na mnoho dalších procesů, včetně reaktivního toku chemikálií přes nádrže, reaktory nebo membrány; částice a druhy v atmosféře; plyny opouštějící komín; a migrující magma.

Přehled

Reaktivní transportní modely jsou konstruovány tak, aby porozuměly složení přírodních vod; původ ekonomická ložiska nerostů; vznik a rozpouštění hornin a minerály v geologických formacích v reakci na vstřikování průmyslových odpadů, páry nebo oxid uhličitý; a tvorba kyselých vod a louhování kovy z důlní odpady. Často se na ně spoléhá, ​​že předpovídají migraci oblaků kontaminujících látek; mobilita radionuklidy v úložiště odpadu; a biodegradace chemikálií v skládky. Pokud jsou použity ke studiu kontaminantů v životním prostředí, jsou známy jako modely osudu a dopravy.[1]

Vývoj reaktivního transportního modelování

Moderní reaktivní transportní modelování vzniklo z několika samostatných myšlenkových směrů.[2] Hydrologové primárně zabývající se fyzikální podstatou hromadného transportu předpokládají relativně jednoduché reakční formulace, jako jsou lineární distribuční koeficienty nebo podmínky lineárního rozpadu, které lze přidat k rovnice advekce-disperze. Za předpokladu lineární rovnováhy sorpce například rovnici advekce-disperze lze upravit jednoduchým způsobem retardační faktor a vyřešen analyticky. Taková analytická řešení jsou omezena na relativně jednoduché průtokové systémy a reakce.

Geochemické modely, na druhé straně, byly vyvinuty tak, aby poskytovaly termodynamické popisy vícesložkových systémů bez ohledu na transport. Byly vytvořeny modely reakčních cest, například k popisu sledu chemických reakcí vyplývajících z chemické zvětrávání nebo hydrotermální změna v dávkové systémy, pokud jde o celkový postup reakce. Přijetím referenčního rámce paketu tekutiny a zpracováním postupu reakce jako doby jízdy (nebo vzdálenosti podél cesty toku) by však model dávkové reakční cesty mohl být považován za popisující postup přenosu prostřednictvím vodonosná vrstva.[3]

Nejsofistikovanější vícesložkové reaktivní transportní modely zohledňují jak reakci, tak transport.[4][5] Rané studie vyvinuly teoretické základy reaktivních transportních modelů a numerické nástroje nezbytné k jejich řešení a aplikovaly je na problémy reaktivního transportu kontaminantů[6] a protékat reagujícími hydrotermálními systémy.[7]

Reaktivní transportní modely nalezly v posledních letech zvýšené uplatnění díky vylepšení výkonu osobních počítačů a modelovací software.[5][8]

Procesy uvažované v reaktivních transportních modelech

Reaktivní transportní modely spojují velké množství chemických reakcí s hromadným transportem. Některé aplikace, jako např geotermální energie výroba a ložisko rudy modelování, vyžadují další výpočet přenos tepla. V modelování sekvestrace uhlíku a hydraulické štěpení navíc může být nutné popsat deformaci horniny způsobenou růstem minerálů nebo neobvykle vysokým tlakem kapaliny. Popis přepravy přes nenasycená zóna a vícefázový tok modelování, jak je aplikováno na dopravu ropa a zemní plyn; kapaliny bezvodé fáze (DNAPL nebo LNAPL ); a superkritický oxid uhličitý vyžaduje stále složitější modely, které jsou náchylné ke značné nejistotě.

V mnoha případech jsou procesy simulované v reaktivních transportních modelech velmi příbuzné. Například minerální rozpouštění a srážení mohou ovlivnit pórovitost a propustnost oblasti, což zase ovlivňuje tokové pole a rychlost podzemní vody. Transport tepla výrazně ovlivňuje viskozita vody a její schopnosti proudit. Níže je uvedeno mnoho fyzikálních a chemických procesů, které lze simulovat pomocí reaktivních transportních modelů.

Geochemický reakce:

Hromadná doprava:

Transport tepla:

Střední deformace:

  • Komprese nebo rozšíření domény
  • Tvorba zlomenin

Řešení reaktivních transportních modelů

Některé z nejjednodušších reaktivních transportních problémů lze vyřešit analyticky. Tam, kde je rovnovážná sorpce popsána například lineárním distribučním koeficientem, je rychlost sorbující rozpuštěné látky zpomalena ve srovnání s nereaktivním indikátorem; relativní rychlosti lze popsat pomocí retardačního faktoru. Analytická řešení jsou přesná řešení řídících rovnic.

Složité reaktivní transportní problémy jsou běžněji řešeny numericky. V tomto případě jsou řídící rovnice aproximovány tak, aby mohly být řešeny počítačovými algoritmy. Řídicí rovnice, včetně reakčních i transportních výrazů, lze řešit současně pomocí jednokrokového nebo globálního implicitního simulátoru. Tato technika je koncepčně přímočará, ale výpočetně velmi obtížná.[9]

Místo řešení všech příslušných rovnic společně lze rovnice transportu a chemické reakce řešit samostatně. Rozdělení operátora, jak je tato technika známá, používá vhodné numerické techniky k řešení reakčních a transportních rovnic v každém časovém kroku.[1] Existují různé metody, včetně sekvenčního ne iterativního přístupu (SNIA), Strang rozdělení a sekvenční iterativní přístup (SIA).[9] Vzhledem k tomu, že termíny reakce a transportu jsou zpracovávány samostatně, lze propojit samostatné programy pro dávkovou reakci a transport. Zesíťovatelný re-entrant software objekty určené pro tento účel snadno umožňují konstrukci reaktivních transportních modelů jakékoli konfigurace toku.[10][11]

Výzvy

Reaktivní transportní modelování vyžaduje vstup z mnoha oblastí, včetně hydrologie, geochemie a biogeochemie, mikrobiologie, fyzika půdy, a dynamika tekutin.[2] Numerická formulace a řešení problémů reaktivního přenosu může být obzvláště obtížné kvůli chybám vznikajícím v procesu spojování, kromě těch, které jsou vlastní jednotlivým procesům. Například Valocchi a Malmstead (1992) informovali o potenciálních chybách způsobených technikou rozdělení operátorů.[12]

I při absenci numerických obtíží vytváří obecný nedostatek znalostí, které mají odborníci k dispozici, nejistotu. Polní stránky jsou obvykle heterogenní, fyzicky i chemicky, a odběr vzorků je často řídký. Převládající předpoklad Fickian disperze je často nedostatečná. Rovnovážné konstanty a zákony kinetické rychlosti relevantní reakce jsou často málo známé. Složitost mnoha procesů vyžaduje odborné znalosti v jedné nebo více z výše uvedených oblastí. Mnoho procesů, jako je dlouhodobé skladování jaderného odpadu, nelze experimentálně ověřit; reaktivní dopravní problémy se mohou pokusit předpovědět pouze takové dlouhodobé chování. Současné popisy vícefázového toku a procesů mechanické deformace se stále vyvíjejí.

Společné softwarové programy

Viz také

Reference

  1. ^ A b C Bethke, C.M., 2008, Modelování geochemických a biogeochemických reakcí. Cambridge University Press, 547 stran
  2. ^ A b Steefel, C.I., D.J. DePaolo a P.C. Lichtner, 2005, Reaktivní transportní modelování: Základní nástroj a nový výzkumný přístup pro vědy o Zemi. Dopisy o Zemi a planetách 240, 539-558
  3. ^ Lichtner, P.C., 1988, Kvazi-stacionární aproximace stavu vázaného transportu hmoty a interakce fluid-rock v porézním médiu. Geochemica et Cosmochemica Acta 52, 143-165
  4. ^ Lichtner, P.C., 1985, Contiuum model pro simultánní chemické reakce a transport hmoty v hydrotermálních systémech. Geochemica et Cosmochemica Acta 49, 779-800
  5. ^ A b C Gharasoo, M., Centler, F., Regnier, P., Harms, H., Thullner, M., 2012. Přístup reaktivního transportního modelování k simulaci biogeochemických procesů ve strukturách pórů s heterogenitami v měřítku pórů. Environmentální modelování a software 30, 102-114.
  6. ^ Yeh, G.T. a V.S. Tripathi, 1989, Kritické hodnocení nedávného vývoje hydrogeochemických transportních modelů reaktivních multichemických složek. Výzkum vodních zdrojů 25, 93-108
  7. ^ A b Steefel, C.I. a A.C. Lasaga, 1994, Spojený model pro transport více chemických látek a kinetické reakce srážení / rozpouštění s aplikací na reaktivní tok v jednofázových hydrotermálních systémech. American Journal of Science 294, 529-592
  8. ^ Brady, P.V. a C.M. Bethke, 2000, Beyond the Kd approach. Spodní vody 38, 321-322
  9. ^ A b Steefel, C.I. a K.T.B. MacQuarrie, 1996, Přístupy k modelování reaktivního transportu v porézních médiích. V P.C. Lichtner, C.I. Steefel a E.H. Oelkers (eds.), 1996, Reactive Transport in Porous Media. Recenze v mineralogii 34, 85-129
  10. ^ „Vodné roztoky zahajují ChemPlugin“. Researchpark.illinois.edu. Výzkumný park na University of Illinois. Citováno 7. června 2013.
  11. ^ „ChemPlugin.ORG“. Vodné řešení LLC. Citováno 3. května 2013.
  12. ^ Valocchi, A.J. and M. Malmstead, 1992, Accuracy of operator splitting for advection-dispersion-response problems. Výzkum vodních zdrojů 28(5), 1471-1476
  13. ^ van der Lee, J. a L. De Windt, 2000, CHESS, další počítačový kód speciace a komplexace. Technická zpráva č. LHM / RD / 93/39, Ecole des Mines de Paris, Fontainebleau
  14. ^ Steefel, C.I., 2001, GIMRT, verze 1.2: Software pro modelování vícesložkových, vícerozměrných reaktivních transportů, Uživatelská příručka. Zpráva UCRL-MA-143182, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, Kalifornie.
  15. ^ Bethke, C.M. a S. Yeakel, 2011, Příručky uživatele Geochemist's Workbench, Verze 9.0. A Water Solutions LLC, Champaign, IL
  16. ^ Cheng, H.P. a G.T. Yeh, 1998, Vývoj trojrozměrného modelu podpovrchového toku, přenosu tepla a reaktivního chemického transportu: 3DHYDROGEOCHEM. Journal of Contaminant Hydrology 34, 47-83
  17. ^ Parkhurst, D.L., 1995, Uživatelská příručka k PHREEQC, počítačový model pro speciační, reakční cestu, advektivní transport a inverzní geochemické výpočty. Zpráva US Geological Survey Water-Resources Investigations Report 95-4227.
  18. ^ Parkhurst, D.L. a C.A.J. Appelo, 1999, Uživatelská příručka k PHREEQC (verze 2), počítačový program pro speciaci, dávkovou reakci, jednorozměrný transport a inverzní geochemické výpočty. Zpráva US Geological Survey Water-Resources Investigations Report 99-4259.
  19. ^ Parkhurst, D.L., Kipp, K.L. a Charlton, S.R., 2010, PHAST verze 2 - Program pro simulaci toku podzemní vody, transportu solutů a vícesložkových geochemických reakcí: US Geological Survey Techniques and Methods 6 – A35, 235 p.
  20. ^ Leal, A. M. M. a kol. (2018). Reaktoro, jednotný open-source rámec pro modelování chemicky reaktivních systémů, https://github.com/reaktoro/reaktoro
  21. ^ Xu, T., E.L. Sonnenthal, N. Spycher a K. Pruess, 2004, uživatelská příručka TOUGHREACT: Simulační program pro neizotermální vícefázový reaktivní geochemický transport v proměnlivě nasycených geologických médiích. Zpráva LBNL-55460, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, Kalifornie.

Další čtení

  • Appelo, C.A.J. a D. Postma, 2005, Geochemistry, Groundwater, and Pollution. Taylor & Francis, 683 stran ISBN  978-0415364287
  • Bethke, C.M., 2008, Geochemical and Biogeochemical Reaction Modeling. Cambridge University Press, 547 stran ISBN  978-0521875547
  • Lichtner, P.C., C.I. Steefel a E.H. Oelkers (eds.), 1996, Reactive Transport in Porous Media. Recenze v mineralogii 34, 438 stran ISBN  978-0-939950-42-3
  • Merkelová, B.J., B. Planer-Friedrich a D.K. Nordstrom, 2008, Geochemistry podzemních vod: Praktický průvodce modelováním přírodních a kontaminovaných vodních systémů. Springer, 242 stran ISBN  978-3540746676
  • Zhang, F., G.T. Yeh a J.C. Parker (eds.), 2012, Transportní modely reagující na podzemní vodu. Vydavatelé Behtham, 254 stran. ISBN  9781608053063
  • Zhu, C. a G. Anderson, 2002, Environmentální aplikace geochemického modelování. Cambridge University Press, 300 stran ISBN  978-0521005777