地下水中微生物转化的多组分运输建模：富尔贝格案例

本文旨在展示一种在非线性反应性运输问题研究中具有潜力的数值技术，并呈现一个反应性运输过程具有深远影响的案例研究。该案例研究与位于德国北部的富尔贝尔格菲尔德含水层有关，这里为五十万人的汉诺威市提供主要水源。该含水层的一部分受到农业活动强烈的硝酸盐涌入。含水层中的硝酸盐通过微生物转化为硫酸盐，这一转化依赖于沉积物中还原硫化合物的可用性，而硫酸盐也会进一步转化。各个转化过程发生在含水层的不同反应区。相关的动态过程可以被表述为一个涉及多种相互作用物质的非线性运输问题，物质以溶解或固体形式存在。该系统使用基于有限元的方法进行模拟，该方法为运输方程生成对称系数矩阵，同时在时间上提供二阶准确性。矩阵的形式允许使用高效且稳健的对称共轭梯度求解器。该技术在合理成本下提供了充足的空间分辨率能力，并处理具有不规则几何形状的网格，适用于二维或三维情况。同时保留了传统有限元的便利性和多功能性。垂直剖面模拟识别了含水层中的不同反应区，并深入了解控制参数的影响。该模拟研究是发展地下水资源命运预测的第一步。