地下水反应性运移模型

本章介绍了HYDROGEOCHEM最新版本的多维开发耦合流体流动、热传输、水文传输和饱和/非饱和介质中的生物地球化学动力学/平衡反应。它迭代求解流体流动的理查兹方程、温度场的热传输方程和反应浓度分布的生物地球化学传输方程。对于后者，平流是扩散的-求解了流动组分和动力学变量的反应输运方程。这个求解生物地球化学反应方程以及组分和运动变量方程所有物种的浓度分布。该版本的HYDROGEOCHEM设计用于地下非等温条件下反应输运问题的一般应用媒体。它考虑了所有类型的反应（水络合、吸附-解吸、沉淀-溶解、，离子交换、水解和非生物和生物介导的氧化还原）作为快速/平衡和/或慢/动力学过程，使用快速/平衡反应速率的一致定义。输入到该程序包括系统的有限元数值表示、介质、反应网络以及初始和边界条件。输出包括空间分布压力和总压头、速度场、水分含量、温度和生物地球化学用户指定时间和位置的浓度（有限元节点）。使用了六个示例证明HYDROGEOCHEM的设计能力，以说明快速/平衡反应速率，并强调慢/动力学速率的非直观概念反应不一定比快速/平衡反应小。

在这项工作中，我们描述了一些有效的局部保守方法IPARS中已经或正在实施的地下水流和反应输送（集成并行和精确水库模拟器）。对于流动问题，我们考虑不连续Galerkin（DG）方法和砂浆混合有限元方法。对于运输问题，我们采用间断Galerkin方法和Godunov混合方法。用于有效处理反应性交通仿真，我们提出了许多最先进的动态网格自适应策略和实现。还讨论了算子分裂方法和迭代耦合技术。最后，通过数值例子说明了IPARS处理一般问题的能力生物地球化学以及网格适应DG运输的有效性。

TOUGHREACT是一个化学反应非等温的数值模拟程序多孔和裂缝介质中多相流体的流动。该程序是用Fortran 77编写的将反应化学引入多相流体和热流模拟器TOUGH2。在压力、温度、水饱和度、离子强度、pH和Eh等多种条件。水物种之间可能发生反应，矿物组合和流体之间可能发生相互作用在局部平衡或通过动力学控制速率。气相可以是化学活性的。沉淀和溶解反应可以改变地层孔隙度和渗透率。水内动力学、生物降解和表面络合作用最近被纳入其中。该程序可以是应用于具有物理和化学性质的单、二维或三维多孔和裂缝介质异质性。它可以容纳液体、气体和固体中存在的任何数量的化学物质阶段。TOUGHREACT可以应用于许多地质系统和环境问题，包括核废料和二氧化碳的地下储存、地热系统、成岩作用和风化作用工艺、酸性矿山排水修复、污染物运输和地下水质量。这个TOUGHREACT中使用的方法和方法在过去十年中已被广泛出版。在这里，我们对该程序进行了一般描述和总结，包括主要功能、范围、，过程和解决方法。为了说明其适用性，我们给出了四个示例：（1）反硝化和硫酸盐还原，（2）地质封存注入CO2的长期命运，（3）核废物处置库中THC工艺引起的膨润土蚀变，以及（4）化学刺激增强型地热系统。

RT3D是一种基于Fortran的软件，用于模拟三维、多物种、反应地下水中化合物（溶质）的迁移。RT3D是基于MODFLOW的解决方案运输代码源自MT3DMS，但反应能力大大增强。尽管RT3D通常在加速原位生物修复（ISB）和自然/增强的背景下进行讨论衰减场景，RT3D是一种适用于模拟多种场景。潜在能力包括模拟无机反应、地球化学反应、NAPL溶解、流动/不流动双重孔隙、胶体运输、病毒运输、热量运输和风险分析。通过一定程度的努力，RT3D可以链接到其他代码以包括随时间变化的孔隙度、与非饱和带的相互作用或完整的地球化学。商业第三方图形用户界面软件通常用于定义RT3D仿真模型配置和可视化结果的等高线或等值面。结果由整个网格数据集组成时间点和位置特定的时间序列数据集。中RT3D应用程序的多个示例对已发表的文献进行了讨论，并对监测到的自然衰减应用和主动修复系统的设计。

ECKEChem（平衡、守恒、动力学方程化学）是一种反应迁移开发的STOMP多流体地下流动和输送模拟器套件模块使用工程观点。STOMP包括一套操作模式，具有以下功能各种地下应用（例如，环境修复和管理、地质温室气体封存、天然气水合物生产和油页岩生产）。ECKEChem公司该模块旨在为STOMP套件提供综合反应性运输能力模拟器操作模式。ECKEChem模块的最初应用是用于模拟预测在注入超临界碳时发生的矿化反应二氧化碳进入哥伦比亚河深处玄武岩地层，使用STOMP-CO2解决隔离问题深层盐层的流动和运输问题。STOMP-ECKEHem解决方案方法从工程角度对多流体地质介质中的反应输运进行建模：1）地球化学可以作为耦合非线性平衡系统来表达、输入和求解，守恒方程和动力学方程，2）地球化学中使用的动力学方程形式的数量实践是有限的，3）流量和反应输送之间的顺序非迭代耦合是充分，4）反应迁移可以通过算子分裂与局部地球化学和全球运输。本章描述了转换地球化学反应网络的概念方法在一系列平衡、守恒和动力学方程中，ECKEChem在STOMP，数值求解方法，以及复合体上模拟器的演示从污染沉积物中解吸铀的应用。

PFLOTRAN，用于地下建模的下一代反应流和传输代码流程，从一开始就设计为在以下机器上高效运行领导级超级计算机到笔记本电脑。基于面向对象的设计，代码很容易可扩展以合并其他过程。它可以与Fortran 9X、C和C无缝接口++代码。采用了域分解并行性，使用PETSc并行框架管理并行求解器、数据结构和通信。代码的功能包括模块化输入文件，使用并行HDF5实现高性能I/O，能够执行多个用多个处理器以无缝方式对每个实现进行实现仿真多相流和多组分地球化学迁移模式。目前的化学反应在该规范中实施的包括均相水络合反应和非均相矿物沉淀/溶解、离子交换、表面络合和多速率动力学吸附模型。PFLOTRAN已经使用217个处理器内核在问题上证明了PB级的性能由超过20亿个自由度组成。该代码目前正在用于模拟铀汉福德300地区的运输和深层地质构造中的CO2封存。

了解天然地下水质量模式，量化地下水污染和评估废物处理设施的性能需要考虑水流的建模工具，热量和溶解物质的传输及其与固体和气体的复杂相互作用阶段。在这里，我们介绍了CORE2D V4，一种用于模拟部分或完全饱和水流、热量的COde在局部化学平衡和动力学条件。它可以处理非生物反应，包括酸碱、水络合、氧化还原、，矿物溶解/沉淀、气体溶解/溶出、离子交换和吸附反应（线性Kd、Freundlich和Langmuir等温线，以及使用恒定电容的表面络合，扩散层和三层模型）和微生物过程。由于以下原因，液压参数可能会随时间变化矿物沉淀/溶解反应。数值计算采用序贯迭代法耦合反应输运方程的求解。CORE2D V4的功能用六个选定的应用包括：1）实验室混凝土降解试验，2）长期粘土中高放废物（HLW）处置库近场的地球化学演化，3） 物理和地球化学非均匀介质中的阳离子交换，4）渗流区CO2注入，5）露天湖泊水质预测，6）FEBEX原位测试后压实膨润土的热水化学耦合过程。

MIN3P是作为一种通用的多组分反应传输代码开发的可变饱和介质。该代码的基本版本包括用于求解变饱和流，并求解对流-扩散溶质运移的质量平衡方程和扩散气体输送。生物地球化学反应用部分平衡法描述，使用快速反应中基于平衡的相互作用定律关系和广义动力学与运输时间尺度相比相对较慢的反应框架。MIN3P有用于支持涉及无机和有机物质，并作为额外代码开发的平台：MIN3P-气泡模拟饱和区气体生成和逸出的增强版，以及气体地下水位波动引起的圈闭和释放；MIN3P-Dusty，该代码的一个版本包括基于粉尘气体模型（DGM）的气体平流和多组分气体扩散；和MIN3P-Soil，包含植物-土壤交互作用的版本。基本代码和通过模拟矿山废物中黄铁矿的氧化来证明后续的发展，相关金属释放和随后的衰减过程；地层之间的相互作用包气带和地下水位以下的“过量空气”和生物地球化学反应；这个石油烃泄漏现场渗流带气体成分的演化及输送过程经历自然衰减；植物与土壤相互作用对矿物风化和土壤和表层沉积物中的次生矿物形成。

复杂而稳健的数值建模对深入理解至关重要地下复杂物理和化学现象。在本章中，我们提供了NUFT（非等温非饱和流动与输运）代码概述多相、多组分热流和质量流建模的柔性计算机软件包以及在非饱和和饱和多孔介质中的反应传输。一种积分有限差分方法用于数值离散化。为了解决多孔介质中的各种流动和反应传输过程。每个子模型的控制方程通过隐式时间积分求解。特别是采用全局隐式方法来同时求解输运方程和反应方程。代码是基于面向对象设计的原理，并配备高效求解器和大规模并行计算能力。我们给出了两个涉及反应性传输建模的示例，以演示代码的功能。