Моделирование реактивного транспорта в пористых средах

Моделирование реактивного транспорта в пористых средах относится к созданию компьютерных моделей, объединяющих химическую реакцию с транспортом жидкостей через земную кору . Такие модели предсказывают распределение в пространстве и времени химических реакций, происходящих на пути потока. Моделирование реактивного транспорта в целом может относиться ко многим другим процессам, включая реактивный поток химикатов через резервуары, реакторы или мембраны; частицы и виды в атмосфере; газы, выходящие из дымовой трубы; и мигрирующая магма.

Обзор

Модели реактивного переноса создаются для понимания состава природных вод; происхождение месторождений полезных ископаемых ; образование и растворение горных пород и минералов в геологических формациях в результате закачки промышленных отходов, пара или углекислого газа ; образование кислых вод и выщелачивание металлов из отходов шахт . На них часто полагаются для прогнозирования миграции шлейфов загрязнений; подвижность радионуклидов в хранилищах отходов ; и биоразложение химикатов на свалках . Применительно к изучению загрязнителей в окружающей среде они известны как модели судьбы и переноса. ^[1]

Разработка реактивного транспортного моделирования

Современное моделирование реактивного транспорта возникло на основе нескольких отдельных школ мысли. ^[2] Гидрологи, в первую очередь озабоченные физической природой массопереноса, предполагали относительно простые формулировки реакций, такие как коэффициенты линейного распределения или члены линейного распада, которые можно было добавить к уравнению адвекции-дисперсии . Предполагая, например, линейную равновесную сорбцию , уравнение адвекции-дисперсии можно модифицировать с помощью простого коэффициента замедления и решить аналитически . Такие аналитические решения ограничиваются относительно простыми проточными системами и реакциями.

С другой стороны, геохимические модели были разработаны для термодинамического описания многокомпонентных систем без учета транспорта. Модели путей реакции были созданы, например, для описания последовательности химических реакций, возникающих в результате химического выветривания или гидротермальных изменений в периодических системах , с точки зрения общего хода реакции. Однако, приняв систему отсчета пакета жидкости и рассматривая ход реакции как время прохождения (или расстояние вдоль пути потока), модель пути периодической реакции можно рассматривать как описывающую адвективный перенос через водоносный горизонт . ^[3]

Наиболее сложные многокомпонентные модели реактивного переноса учитывают как реакцию, так и перенос. ^[4]^[5] Ранние исследования разработали теоретическую основу моделей реактивного переноса и численные инструменты, необходимые для их решения, и применили их к проблемам реактивного переноса загрязнителей. ^[6] и поток через реагирующие гидротермальные системы. ^[7]

Реактивные транспортные модели нашли в последние годы все более широкое применение благодаря усовершенствованию мощности персональных компьютеров и программного обеспечения для моделирования . ^[5]^[8]

Процессы, рассматриваемые в моделях реактивного транспорта

Модели реактивного транспорта связывают большое количество химических реакций с массопереносом. Некоторые приложения, такие как производство геотермальной энергии и моделирование рудных месторождений , требуют дополнительного расчета теплопередачи . Кроме того, при моделировании секвестрации углерода и гидроразрыва пласта может возникнуть необходимость описать деформацию горных пород, возникающую в результате роста минералов или аномально высокого давления жидкости. Описание транспорта через ненасыщенную зону и моделирование многофазных потоков применительно к транспортировке нефти и природного газа ; жидкости неводной фазы ( ДНАПЛ или ЛНАПЛ ); а сверхкритический диоксид углерода требует все более сложных моделей, которые подвержены значительной неопределенности.

Во многих случаях процессы, моделируемые в моделях реактивного транспорта, тесно связаны между собой. Например, растворение и осаждение минералов могут повлиять на пористость и проницаемость домена, что, в свою очередь, влияет на поле течения и скорость грунтовых вод. Перенос тепла сильно влияет на вязкость воды и ее способность течь. Ниже приведены многие физические и химические процессы, которые можно смоделировать с помощью моделей реактивного транспорта.

Геохимические реакции :

Кислотно-основные реакции
Водное комплексообразование
минералов Растворение и осаждение
Реакции восстановления и окисления ( окислительно-восстановительные ), в том числе катализируемые ферментами , поверхностями и микроорганизмами.
Сорбция , ионный обмен и поверхностное комплексообразование.
Растворение и растворение газа
Фракционирование стабильных изотопов
Радиоактивный распад

Массовый транспорт:

Перенос тепла:

Средняя деформация:

Сжатие или расширение домена
Образование трещин

Решение моделей реактивного транспорта

Некоторые из простейших задач реактивного транспорта можно решить аналитически. Если, например, равновесная сорбция описывается коэффициентом линейного распределения, скорость сорбирующего растворенного вещества замедляется по сравнению со скоростью нереакционноспособного индикатора; относительные скорости можно описать коэффициентом замедления. Аналитические решения — это точные решения основных уравнений.

Сложные задачи реактивного транспорта чаще решаются численно. В этом случае основные уравнения аппроксимируются так, что их можно решить с помощью компьютерных алгоритмов. Основные уравнения, включая условия реакции и переноса, можно решать одновременно с помощью одноэтапного или глобального неявного симулятора. Этот метод концептуально прост, но очень сложен в вычислительном отношении. ^[9]

Вместо совместного решения всех соответствующих уравнений можно решить уравнения переноса и химической реакции по отдельности. Операторное расщепление , как известен этот метод, использует соответствующие численные методы для решения уравнений реакции и переноса на каждом временном шаге. ^[1] Существуют различные методы, включая последовательный неитеративный подход (SNIA), расщепление Стрэнга и последовательный итеративный подход (SIA). ^[9] Поскольку условия реакции и транспорта обрабатываются отдельно, отдельные программы для периодической реакции и транспорта могут быть связаны друг с другом. Сшиваемые реентерабельные программные объекты, разработанные для этой цели, легко позволяют создавать модели реактивного транспорта любой конфигурации потока. ^[10]^[11]

Проблемы

Моделирование реактивного переноса требует участия представителей многих областей, включая гидрологию , геохимию и биогеохимию , микробиологию , физику почвы и гидродинамику . ^[2] Численная формулировка и решение задач реактивного переноса могут быть особенно трудными из-за ошибок, возникающих в процессе сопряжения, помимо тех, которые присущи отдельным процессам. Валокки и Мальмстед (1992), например, сообщили о потенциальных ошибках, возникающих в результате метода разделения операторов. ^[12]

Даже при отсутствии числовых трудностей общий недостаток знаний, доступных практикам, создает неопределенность. Полевые площадки обычно неоднородны как физически, так и химически, а отбор проб часто бывает скудным. Преобладающее предположение о Фика дисперсии часто оказывается неадекватным. Константы равновесия и кинетические законы скорости соответствующих реакций часто плохо известны. Сложность многих процессов требует опыта в одной или нескольких из вышеупомянутых областей. Многие процессы, такие как долговременное хранение ядерных отходов, не могут быть проверены экспериментально; Реактивные транспортные проблемы могут только попытаться предсказать такое долгосрочное поведение. Современные описания процессов многофазного течения и механического деформирования находятся в стадии разработки.

Программное обеспечение общего пользования

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Бетке, К.М., 2008, Моделирование геохимических и биогеохимических реакций . Издательство Кембриджского университета, 547 стр.
^ Перейти обратно: ^а ^б Стифел, К.И., Д.Д. ДеПаоло и П.К. Лихтнер, 2005 г., Моделирование реактивного переноса: важный инструмент и новый исследовательский подход для наук о Земле. Письма о Земле и планетологии 240 , 539-558
^ Лихтнер, ПК, 1988, Приближение квазистационарного состояния для связанного массопереноса и взаимодействия жидкости и породы в пористой среде. Geochemica et Cosmochemica Acta 52 , 143-165.
^ Лихтнер, ПК, 1985, Модель контиума для одновременных химических реакций и массопереноса в гидротермальных системах. Geochemica et Cosmochemica Acta 49 , 779-800.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Гарасу, М., Центлер, Ф., Ренье, П., Хармс, Х., Таллнер, М., 2012. Подход к моделированию реактивного транспорта для моделирования биогеохимических процессов в поровых структурах с неоднородностями в масштабе пор. Экологическое моделирование и программное обеспечение 30, 102–114.
^ Йе, Г.Т. и В.С. Трипати, 1989, Критическая оценка последних разработок в моделях гидрогеохимического переноса реакционноспособных мультихимических компонентов. Исследования водных ресурсов 25 , 93-108
^ Перейти обратно: ^а ^б Стифель, К.И. и А.С. Ласага, 1994, Совместная модель переноса нескольких химических веществ и кинетических реакций осаждения/растворения с применением к реактивному потоку в однофазных гидротермальных системах. Американский журнал науки 294 , 529-592.
^ Брэди, П.В. и К.М. Бетке, 2000, За пределами подхода Kd. Грунтовые воды 38 , 321-322
^ Перейти обратно: ^а ^б Стифел, К.И. и К.Т.Б. Маккуорри, 1996, Подходы к моделированию реактивного транспорта в пористых средах. В PC Lichtner, CI Steefel и EH Oelkers (ред.), 1996, Реактивный транспорт в пористых средах. Обзоры по Минералогии 34 , 85-129.
^ «Aqueous Solutions запускает ChemPlugin» . Researchpark.illinois.edu . Исследовательский парк при Университете Иллинойса . Проверено 7 июня 2013 г.
^ «ХимПлугин.ОРГ» . ООО «Аква Солюшнс» . Проверено 3 мая 2013 г.
^ Валокки, А.Дж. и М. Мальмстед, 1992, Точность разделения операторов для задач реакции адвекции-дисперсии. Исследования водных ресурсов 28(5) , 1471-1476 гг.
^ ван дер Ли, Дж., и Л. Де Виндт, 2000, ШАХМАТЫ, еще один компьютерный код видообразования и комплексообразования. Технический отчет №. LHM/RD/93/39, Парижская горная школа, Фонтенбло
^ Стифель, CI, 2001, GIMRT, Версия 1.2: Программное обеспечение для моделирования многокомпонентного, многомерного реактивного транспорта, Руководство пользователя. Отчет UCRL-MA-143182, Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса, Ливермор, Калифорния.
^ Бетке, К.М., Б. Фаррелл и М. Шарифи, 2021, The Geochemist's Workbench, выпуск 15 (пять томов). Aqueous Solutions LLC, Шампейн, Иллинойс
^ Ченг, Х.П. и Г.Т. Йе, 1998, Разработка трехмерной модели подземного потока, теплопередачи и реактивного химического транспорта: 3DHYDROGEOCHEM. Журнал загрязняющей гидрологии 34 , 47-83.
^ Паркхерст, Д.Л., 1995, Руководство пользователя по PHREEQC, компьютерной модели для видообразования, пути реакции, адвективного переноса и обратных геохимических расчетов. Отчет об исследованиях водных ресурсов Геологической службы США 95-4227.
^ Паркхерст, Д.Л. и CAJ Appelo, 1999, Руководство пользователя по PHREEQC (версия 2), компьютерной программе для видообразования, пакетных реакций, одномерного переноса и обратных геохимических расчетов. Отчет об исследованиях водных ресурсов Геологической службы США 99-4259.
^ Паркхерст, Д.Л., Кипп, К.Л. и Чарльтон, С.Р., 2010, PHAST Версия 2 — Программа для моделирования потока грунтовых вод, переноса растворенных веществ и многокомпонентных геохимических реакций: Методы и методы Геологической службы США 6–A35, 235 стр.
^ Леал, AMM и др. (2018). Reaktoro, единая платформа с открытым исходным кодом для моделирования химически реактивных систем, https://github.com/reaktoro/reaktoro
^ Сюй, Т., Э. Л. Зонненталь, Н. Спайчер и К. Прюсс, 2004, Руководство пользователя TOUGHREACT: Программа моделирования неизотермического многофазного реактивного геохимического переноса в геологических средах с переменной насыщенностью. Отчет LBNL-55460, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Беркли, Калифорния.

Дальнейшее чтение

Аппело, CAJ и Д. Постма, 2005 г., Геохимия, подземные воды и загрязнение. Тейлор и Фрэнсис, 683 стр. ISBN 978-0415364287
Бетке, К.М., 2008, Моделирование геохимических и биогеохимических реакций. Издательство Кембриджского университета, 547 стр. ISBN 978-0521875547
Лихтнер, ПК, К.И. Стифел и Э.Х. Олкерс (ред.), 1996, Реактивный транспорт в пористых средах. Обзоры по минералогии 34 , 438 с. ISBN 978-0-939950-42-3
Меркель Б.Дж., Б. Планер-Фридрих и Д.К. Нордстрем, 2008 г., Геохимия подземных вод: Практическое руководство по моделированию природных и загрязненных водных систем. Спрингер, 242 стр. ISBN 978-3540746676
Чжан Ф., Г.Т. Йе и Дж. К. Паркер (ред.), 2012 г., Модели реактивного переноса подземных вод. Издательство Behtham, 254 стр. ISBN 9781608053063
Чжу К. и Г. Андерсон, 2002 г., Экологические применения геохимического моделирования. Издательство Кембриджского университета, 300 стр. ISBN 978-0521005777

[GBRM-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Бетке, К.М., 2008, Моделирование геохимических и биогеохимических реакций . Издательство Кембриджского университета, 547 стр.

[Steefel,_DePaolo,_and_Lichtner-2] Перейти обратно: ^а ^б Стифел, К.И., Д.Д. ДеПаоло и П.К. Лихтнер, 2005 г., Моделирование реактивного переноса: важный инструмент и новый исследовательский подход для наук о Земле. Письма о Земле и планетологии 240 , 539-558

[3] Лихтнер, ПК, 1988, Приближение квазистационарного состояния для связанного массопереноса и взаимодействия жидкости и породы в пористой среде. Geochemica et Cosmochemica Acta 52 , 143-165.

[4] Лихтнер, ПК, 1985, Модель контиума для одновременных химических реакций и массопереноса в гидротермальных системах. Geochemica et Cosmochemica Acta 49 , 779-800.

[Gharasoo2012-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с Гарасу, М., Центлер, Ф., Ренье, П., Хармс, Х., Таллнер, М., 2012. Подход к моделированию реактивного транспорта для моделирования биогеохимических процессов в поровых структурах с неоднородностями в масштабе пор. Экологическое моделирование и программное обеспечение 30, 102–114.

[6] Йе, Г.Т. и В.С. Трипати, 1989, Критическая оценка последних разработок в моделях гидрогеохимического переноса реакционноспособных мультихимических компонентов. Исследования водных ресурсов 25 , 93-108

[Steefel_and_Lasaga-7] Перейти обратно: ^а ^б Стифель, К.И. и А.С. Ласага, 1994, Совместная модель переноса нескольких химических веществ и кинетических реакций осаждения/растворения с применением к реактивному потоку в однофазных гидротермальных системах. Американский журнал науки 294 , 529-592.

[8] Брэди, П.В. и К.М. Бетке, 2000, За пределами подхода Kd. Грунтовые воды 38 , 321-322

[Steefel_and_MacQuarrie-9] Перейти обратно: ^а ^б Стифел, К.И. и К.Т.Б. Маккуорри, 1996, Подходы к моделированию реактивного транспорта в пористых средах. В PC Lichtner, CI Steefel и EH Oelkers (ред.), 1996, Реактивный транспорт в пористых средах. Обзоры по Минералогии 34 , 85-129.

[10] «Aqueous Solutions запускает ChemPlugin» . Researchpark.illinois.edu . Исследовательский парк при Университете Иллинойса . Проверено 7 июня 2013 г.

[11] «ХимПлугин.ОРГ» . ООО «Аква Солюшнс» . Проверено 3 мая 2013 г.

[12] Валокки, А.Дж. и М. Мальмстед, 1992, Точность разделения операторов для задач реакции адвекции-дисперсии. Исследования водных ресурсов 28(5) , 1471-1476 гг.

[13] ван дер Ли, Дж., и Л. Де Виндт, 2000, ШАХМАТЫ, еще один компьютерный код видообразования и комплексообразования. Технический отчет №. LHM/RD/93/39, Парижская горная школа, Фонтенбло

[14] Стифель, CI, 2001, GIMRT, Версия 1.2: Программное обеспечение для моделирования многокомпонентного, многомерного реактивного транспорта, Руководство пользователя. Отчет UCRL-MA-143182, Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса, Ливермор, Калифорния.

[15] Бетке, К.М., Б. Фаррелл и М. Шарифи, 2021, The Geochemist's Workbench, выпуск 15 (пять томов). Aqueous Solutions LLC, Шампейн, Иллинойс

[16] Ченг, Х.П. и Г.Т. Йе, 1998, Разработка трехмерной модели подземного потока, теплопередачи и реактивного химического транспорта: 3DHYDROGEOCHEM. Журнал загрязняющей гидрологии 34 , 47-83.

[17] Паркхерст, Д.Л., 1995, Руководство пользователя по PHREEQC, компьютерной модели для видообразования, пути реакции, адвективного переноса и обратных геохимических расчетов. Отчет об исследованиях водных ресурсов Геологической службы США 95-4227.

[18] Паркхерст, Д.Л. и CAJ Appelo, 1999, Руководство пользователя по PHREEQC (версия 2), компьютерной программе для видообразования, пакетных реакций, одномерного переноса и обратных геохимических расчетов. Отчет об исследованиях водных ресурсов Геологической службы США 99-4259.

[PHAST-19] Паркхерст, Д.Л., Кипп, К.Л. и Чарльтон, С.Р., 2010, PHAST Версия 2 — Программа для моделирования потока грунтовых вод, переноса растворенных веществ и многокомпонентных геохимических реакций: Методы и методы Геологической службы США 6–A35, 235 стр.

[Reaktoro-20] Леал, AMM и др. (2018). Reaktoro, единая платформа с открытым исходным кодом для моделирования химически реактивных систем, https://github.com/reaktoro/reaktoro

[21] Сюй, Т., Э. Л. Зонненталь, Н. Спайчер и К. Прюсс, 2004, Руководство пользователя TOUGHREACT: Программа моделирования неизотермического многофазного реактивного геохимического переноса в геологических средах с переменной насыщенностью. Отчет LBNL-55460, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, Беркли, Калифорния.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]