基于MODFLOW参数不确定性的地下水水流数值模拟方法

考虑到模型不确定性引起的地下水数值模拟不确定性对模拟过程的影响,在简要介绍含水层水文地质参数变异性研究进展和地质统计学的基础上,基于常用的确定性地下水流数值模拟软件MODFLOW开发了MODFLOW-Gslib软件,相较于传统的数值模拟方法,将地质统计学与数值模拟结合的方法能够模拟非均质含水层中的参数变异性问题。将MODFLOW-Gslib软件运用于模拟实例中,选择常见的不确定性因素进行模拟,并对其模拟产生的数据进行统计分析,结果表明,软件转化后的参数符合水文地质参数不确定性的相关特征;与原模拟结果进行对比,该软件能够更加真实地刻画含水层参数变异性特征。     

渗透系数的空间变异性对污染物运移的影响研究

随机水文地质学方法,较传统的确定性方法而言,是解决非均质含水层中水流和溶质运移问题的一种更为合理的手段。据以往研究,假设渗透系数场遵循对数正态分布,利用直接傅立叶变换方法来生成渗透系数随机场。应用基于随机理论的蒙特卡罗方法,来研究渗透系数的空间变异性对污染物运移结果的影响。实例研究表明,污染物在含水层中运移过程中污染羽的展布范围(二阶矩)随着渗透系数空间变异方差的增大而扩大,而污染羽在空间上的质心位置(一阶矩)基本不受方差的影响,仅取决于渗透系数随机场的均值大小。另外还分析了污染羽在各点的浓度变化方差和变异系数分别随渗透系数变异方差的变化状况。     

不同地质统计方法在确定渗透系数场中的对比研究

应用地质统计方法研究渗透系数场的空间变异性。利用MMR含水层场地实测数据,通过去类分析、特异值处理、正态变换,逐步逼近研究区渗透系数的稳健变差函数,得到三维渗透系数场的几何各向异性套合模型。在此基础上,采用普通克里格法和指示克里格法、高斯序列模拟法和指示序列模拟法分别对数据进行插值和条件模拟。最后结合具体的地质条件,对四种方法在渗透系数场生成中的应用进行对比分析和评价。     

基于随机理论的地下水环境风险评价

针对确定性模型难以描述含水层非均质空间分布的问题,提出基于随机理论的地下水环境风险评价方法。以矩形场地地下水污染风险评价为例,采用蒙特卡罗法生成大量渗透系数随机场,模拟含水层参数各种可能的非均质空间分布,在此基础上建立场地地下水流模型与溶质运移模型,分别计算污染物在地下水中的迁移转化情况。统计大量随机模拟中污染事故发生的频率,当模拟次数足够多时,污染频率收敛于污染概率,污染风险即通过污染概率体现出来。该方法将模型参数设为满足一定分布特征的随机变量,避免了确定性方法得出的武断的评价结果,可为工厂的选址、水源地的选址等工作提供科学指导。     

含水层和土壤的随机特征对水分运动的影响

将土壤或含水层的介质参数视为随机分布,建立了饱和非饱和水流运动的随机微分方程,利用随机数值求解方法,得到各种随机参数对水头分布和含水量空间变异性的影响。分析结果表明,随着渗透系数空间变异性和相关尺度的增大,含水层水头分布的变异性增大;对于区域内有抽水井分布的问题,在井点附近区域,z向水流速度空间变异性大,而在井点处变异性较小。当采用Gardner-Russo模型描述非饱和水分特征时,其非饱和土壤介质参数α的变异性对土壤负压和含水量变异性的影响大于饱和渗透系数,土壤含水量越小,含水量的空间变异性越大。初步讨论了根据随机数值方法研究地下水运动问题的可靠性分析方法。     

含水层非均质性不同刻画方法对地下水流和溶质运移预测的影响

为探讨含水层非均质性不同刻画方法对地下水流和溶质运移预测的影响,基于非均质含水层砂箱实验,分别用传统等效均质模型、克立金插值和水力层析刻画含水层渗透系数场,并探讨了先验信息对水力层析结果的影响.将不同方法估算的渗透系数场用以预测地下水流和溶质运移过程,以此判断不同方法估算结果的优劣,分析含水层非均质性对地下水流和溶质运移的影响.结果表明:与克立金插值法相比,水力层析法可以更好地刻画含水层非均质性,较准确地预测地下水流和溶质运移过程;钻孔岩心渗透系数样本值作为先验信息可以提高水力层析法估算结果的精度;传统等效均质模型无法准确预测地下水流和溶质运移过程.含水层非均质性的增强将导致溶质污染羽分布形态和运移路径的空间变异性增强,并且优势通道直接决定溶质的分布及运移路径.      

衬垫中污染物运移的一维概率分析

衬垫中污染物的运移分析一般采用确定性方法。为了研究渗透系数变异性对污染物运移的影响,基于土层剖面随机场理论,将渗透系数模拟成服从对数正态分布的空间随机场,利用Monte-Carlo和数值积分两种方法进行分析。两种方法得到的结果有很好的一致性。衬垫渗透系数的空间变异性对污染物运移有重要影响。变异系数较大时,衬垫失效概率在前期较大而后期较小,但衬垫底部出现高浓度(相对浓度0.9～1.0)的几率也较高。衬垫的可靠性要综合考虑渗透系数的变异性和渗透系数数值范围的影响。      

淮北市地下水流数值模拟及水文地质参数不确定性分析

淮北市用水主要取自地下水,开采量大,开采布局不合理已引发一系列环境问题。建立可靠的地下水流数值模拟模型,对于定量评价淮北市地下水资源、优化开采布局具有重要的现实意义,而目前针对淮北市进行的地下水数值模拟研究尚不多见。在分析安徽淮北市水文地质条件的基础上,建立了研究区水文地质概念模型和地下水流数学模型。并应用灵敏度分析法及蒙特卡罗法对模拟层的水文地质参数进行不确定性分析。灵敏度分析结果表明,含水层的给水度或单位释水系数及弱透水层的垂向渗透系数对模拟结果的影响最大,获得了各层灵敏度最大的参数分区,可为今后野外勘察试验提供参考。蒙特卡罗法结果直观地反映出各层敏感性分布,进一步证明了确定性模型的合理性。     

基于含水层非均质性随机特征的地下水脆弱性评价

由于地质条件的复杂性,人们所能获取的地质和水文地质资料是有限的,这就导致对水文地质条件的认识具有不确定性,其中以含水层非均质特征最为显著,这对地下水脆弱性评价显然会产生显著的影响。考虑含水层的非均质特性,提出具有非平稳随机场空间相关性的地下水脆弱性评价方法。以南京市江宁区中部地区为例,用改进的连续随机增加方法(Successive Random Additional method,简称SRA)生成了渗透系数对数(lnK),具有分维Levy运动统计特征的随机场,模拟含水层渗透系数可能的非均质空间分布,采用DRASTIC方法进行地下水脆弱性评价。结果表明由此方法生成的渗透系数场变化的程度相对传统的普通克里金方法更加剧烈,更加符合复杂分布的非平稳随机场特征,在此基础上建立的地下水脆弱性评价更加符合客观事实,丰富和发展利用随机理论解决地下水环境问题的理论和方法。     

含水层水力参数的尺度效应研究现状

主要论述了国内外目前对弥散率尺度效应以及渗透系数等参数的空间变异性研究的现状和今后的研究趋势。文中提出了含水层水力参数的尺度效应问题，并指出应重视地下水驱动力场变化对参数的影响研究。     

Stochastic Modeling of Variably Saturated Transient Flow in Fractal Porous Media

This work presents the application of a Monte Carlo simulation method to perform an statistical analysis of transient variably saturated flow in an hypothetical random porous media. For each realization of the stochastic soil parameters entering as coefficients in Richards' flow equation, the pressure head and the flow field are computed using a mixed finite element procedure for the spatial discretization combined with a backward Euler and a modified Picard iteration in time. The hybridization of the mixed method provides a novel way for evaluating hydraulic conductivity on interelement boundaries. The proposed methodology can handle both large variability and fractal structure in the hydraulic parameters. The saturated conductivity K _s and the shape parameter _vg in the van Genuchten model are treated as stochastic fractal functions known as fractional Brownian motion (fBm) or fractional Gaussian noise (fGn). The statistical moments of the pressure head, water content, and flow components are obtained by averaging realizations of the fractal parameters in Monte Carlo fashion. A numerical example showing the application of the proposed methodology to characterize groundwater flow in highly heterogeneous soils is presented.     

Numerical evaluation of multicomponent cation exchange reactive transport in physically and geochemically heterogeneous porous media

Experimental evidence and stochastic studies strongly show that the transport of reactive solutes in porous media is significantly influenced by heterogeneities in hydraulic conductivity, porosity, and sorption parameters. In this paper, we present Monte Carlo numerical simulations of multicomponent reactive transport involving competitive cation exchange reactions in a two-dimensional vertical physically and geochemically heterogeneous medium. Log hydraulic conductivity, log K, and log cation exchange capacity (log CEC) are assumed to be random Gaussian functions with spherical semivariograms. Random realizations of log K and log CEC are used as input data for the numerical simulation of multicomponent reactive transport with CORE^2D, a general purpose reactive transport code. Longitudinal features of the fronts of reactive and conservative species are computed from the temporal and spatial moments of depth-averaged concentrations. Monte Carlo simulations show that: (1) the displacement of reactive fronts increases with increasing variance of log K, while it decreases with the variance of log CEC; (2) second-order spatial moments increase with increasing variances of log K and log CEC; (3) uncertainties in the mean arrival time are largest (smallest) for negatively (positively) correlated log K and Log CEC; (4) cations undergoing competitive cation exchange exhibit different apparent velocities and retardation factors due to both physical and geochemical heterogeneities; and (5) the correlation between log K and log CEC affects significantly apparent cation retardation factors in heterogeneous aquifers.     

多孔介质渗透系数的空间尺度效应研究进展

多孔介质渗透系数的空间尺度问题是一个与地下流体运动和溶质运移的数值模拟密切相关的应用性课题,广泛的应用需求和新的计算方法使其成为近年的热门课题之一。它涉及到相互联系的两个方面：①非均质介质场渗透系数空间尺度行为的分析与模拟;②将局部测量尺度下的试验参数转化为数值模拟网格尺度下的参数输入值的升尺度（ｕｐｓｃａｌｉｎｇ）方法和计算模型。首先介绍了该课题在概念上的拓展及其物理含义,进而以方法为主线,对这一领域具有代表性的研究成果进行了分类和评述,讨论了该课题的研究对地下水流和溶质运移的模拟分析乃至整个多孔介质流体运动研究的意义。     

纵向弥散作用与渗透介质非均质性定量关系的模拟研究

在地下水污染模拟预报中,弥散参数是很难确定的一个模型参数。因实验室小尺度弥散规律一般不能用于大尺度弥散过程,而野外示踪试验却耗资大、周期长,限制了其实用性。文中利用随机数值模拟手段、基于随机理论的蒙特卡罗方法及序贯高斯模拟技术来生成渗透系数随机场,并研究渗透系数对数场的方差、相关长度以及变异函数类型在不同尺度上对纵向弥散度的影响,进而建立纵向弥散度与随机分布渗透系数场的方差和相关长度的统计定量关系,并与Gelhar理论计算结果进行比较。数值模拟结果表明,经过一定迁移距离后纵向弥散度与随机分布渗透系数对数场的方差和相关长度具有良好的线性统计关系,与Gelhar理论公式表达的关系类型类似。但对于较大的方差,纵向弥散度模拟结果明显大于Gelhar理论计算值,而对于较大相关长度在迁移距离不很大时,纵向弥散度模拟结果明显小于Gelhar理论计算值。本研究可为野外大尺度地下水污染预报模型中水动力弥散参数的确定提供方法借鉴。     

基于流网单元的污染物优势运移数值模型

垃圾填埋场滤出液、入侵海水、核废物及生产生活废水等污染物随地下水的迁移威胁人类生存。地下水渗流的随机性导致溶质运移问题更加复杂。根据流网特点,利用流线与水头等势线对求解域进行离散,基于质量守恒原理建立流网单元内溶质浓度求解的隐式有限体积差分格式。基于多孔介质孔隙流速分布规律,利用蒙特卡洛法建立流管单元随机流速场进行溶质运移过程的数值模拟,最后根据数值模拟和模型试验的结果对比,验证了数值模拟方法的准确性。基于流网单元的数值模型中沿流线方向的物质交换由对流和扩散共同作用,而流管间的物质交换只有扩散作用,因此,可在不使用弥散系数下进行污染物运移的模拟。引入随机方法确定流管内流速为研究非均匀流场中染污物的优势迁移提供了新的思路。     

孔隙尺度多孔介质流体流动与溶质运移高性能模拟

深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体(分辨率3.7μm)为研究对象,在空间节点数多达64 000 000的情况下,基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数,并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现,结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD(即10^-13m^2)量级,远低于规则堆叠的圆球结构(>20 000 mD);土壤的迂曲度为1.40~1.60,明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明,渗透率大的样品具有较小的迂曲度,这与结构的空间异质性有较强的关系;土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性;在水力梯度一定的前提下,渗透率较大的样品,纵向弥散系数也较大;同时,结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟,可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。     

孔隙尺度多孔介质流体流动与溶质运移高性能模拟

深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体（分辨率3.7 μm）为研究对象，在空间节点数多达64 000 000的情况下，基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数，并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现，结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD（即10^-13m²）量级，远低于规则堆叠的圆球结构（>20 000 mD）；土壤的迂曲度为1.40~1.60，明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明，渗透率大的样品具有较小的迂曲度，这与结构的空间异质性有较强的关系；土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性；在水力梯度一定的前提下，渗透率较大的样品，纵向弥散系数也较大；同时，结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟，可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。     

山东淄博市大武水源地裂隙岩溶水中污染物运移的数值研究

在分析研究淄博市大武水源地裂隙岩溶含水层的水力性质和污染物运移特征的基础上 ,对裂隙岩溶水的水头和污染物运移进行数值研究。目前国内外对裂隙岩溶水进行数值计算时 ,通常用等价多孔介质模型 ,但裂隙岩溶介质和多孔介质有很大不同。裂隙岩溶介质的储水和导水空间为裂隙网络 ,导水系数大 ,地下水的实际平均流速比孔隙水大得多 ,但给水度和贮水系数小。当用等价多孔介质模型进行模拟时应考虑这些特点。对于污染物运移的模拟 ,要同时求解水头方程和对流弥散方程 ,可采用MODFLOW和MT3D软件进行模拟。研究区裂隙岩溶水水头的数值计算表明 ,等效多孔介质模型水头的拟合误差能满足国标GB/T144 97- 93的要求。各时段地下水水量均衡计算的精度也满足要求。对流弥散方程的数值计算 ,由于Peclet数高达 95 .6 7,对流占绝对优势 ,可能存在数值弥散和数值振荡 ,因而采用多种方法进行了比较。对于同一问题 ,同时采用上游有限差分法 (UFDM) ,混合的欧拉拉格朗日方法 (特征线法MOC、改进特征线法MMOC和混合特征线法HMOC) ,总变异消减法(TVD)进行计算 ,并比较其结果。结果表明 ,混合特征线法 (HMOC)和总变异消减法 (TVD)比较适合于对流占优势的运移问题计算。由于渗透系数K和有效孔隙度θ对溶质运移结果的影响很大 ,?