宏观水力传导度及弥散度的确定方法

根据非饱和水力传导率野外试验的统计数据,利用由随机理论推求的宏观水力传导率、宏观水分特征曲线、宏观弥散度的计算公式,计算了介质的宏观参数,为区域非饱和水分运动和溶质运移问题的分析和预测奠定了基础.     

水力传导度空间变异性的分形模拟研究进展

水力传导度是描述孔隙介质物理特性的重要参数,水力传导度的空间变异性直接影响到水分与溶质在介质中的运移状况。由于基于随机理论的方法难于描述具有多重变异尺度的水力传导度的空间变异性,使得基于分形理论的方法得到了较快发展和应用。详细介绍并评述了分形理论和方法的基本特征及研究进展,水力传导度的空间变异分形与弥散尺度效应的关系及其对溶质运移的影响。     

野外非饱和土壤中溶质运移的试验研究

通过在野外3×6m2面积上均匀入渗条件下非饱和土壤溶质运移试验,同时对8个点定时取样,得到170cm深度内土壤溶液浓度和含水量剖面分布.据此研究了小区域范围内土壤水分和溶质的运移特征,讨论了土壤水分和盐分分布的空间变异性和统计特征.研究结果表明,在本试验条件下,土壤溶液浓度剖面的空间变异性远大于土壤水分剖面.单一测点的取样结果不能代表区域的溶质运移特征.区域上溶质浓度的平均结果能反映溶质运移的基本规律.由于土壤结构等因素的影响,不动水体含量占土壤含水量的24%～39%.     

连续时间随机游动理论模拟多孔介质中溶质运移的研究进展

近年来,基于连续时间随机游动(Continuous Time Random Walk, CTRW)理论所建立的模拟非均质多孔介质中溶质运移的方法已在大量的数值实验、室内实验、野外实验中得到了广泛的验证,为非均质多孔介质中的溶质运移行为提供了一种有效的模拟方法。简述了提出和发展CTRW的研究背景、基础理论以及与经典的对流-弥散方程等其他模拟方法的关系,综述了该理论在模拟溶质运移中的发展和应用,分析了实际应用中的关键问题,并展望了将其进一步发展应用于模拟反应性溶质运移的前景。     

渭河河漫滩宏观弥散度计算

宏观弥散度的确定对地下水溶质运移至关重要。利用竖管法野外现场测定900个点的垂向饱和渗透系数Kv值,然后进行统计分布检验,运用地质统计学中负指数模型在有块金效应影响的条件下拟合出ln Kv的空间相关尺度λ值,进而利用λ与宏观弥散度关系式求解渭河漫滩非饱和带的宏观弥散度。结果表明,研究区整体Kv平均值为0.012cm/s,方差为1.33,表明Kv空间差异性较大;垂向渗透系数基本服从对数正态分布规律,满足宏观弥散度计算条件;估算整体纵向宏观弥散度为21.27m,各排计算结果约2.11~4.65m。     

《地下水污染与地下水水质模拟》即将出版发行

由王秉忱研究员等编著的《地下水污染与地下水水质模拟》一书即将公开出版发行。全书共分十六章达九多万字。该书系统论述了环境地质工作中有关地下水污染与地下水水质模拟的基本理论和工作方法。诸如:进行地下水污染研究及其水质预测的基本理论;地下水中溶质运移的基本规律;弥散理论的建立;地下水污染调查及其水质预测的工作方法;弥散参数的实验室和野外测定;地下水运动和地下水污染的基本方程、水动力弥散方程几种典型定解问题的解析解及其应用;水动力弥散方程的有限差分法;水动力弥散方程的有限单元法;解地下水溶质运移方程的边界积分方程法;水动力弥散方     

多孔介质中非均匀流动特性的染色示踪试验研究

通过土壤染色剂进行的4组试验,对不同介质结构条件下的水流和溶质非均匀运动规律,非均匀流动变异信息分布特征关系以及全局性非均匀流动示踪方法进行了研究。结果表明,即使在相对比较均匀的介质条件下,流动也表现出明显的非均匀特性;对数正态分布能够较好的反映水流的运动分布模式,相比水流运动,溶质的运动和分布规律明显不同,表现出更多的不确定性和变异性。     

岩溶区地下水数值模拟研究进展

岩溶含水介质的不均一性导致岩溶地下水流动、溶质运移和热量迁移的数学模拟研究成为地下水模拟的难点。本文综述了岩溶区地下水流模拟的几种方法,重点阐述了等效多孔介质法、双重连续介质法和三重介质法的定义、发展过程和适用范围,并回顾了这几种方法的研究成果。从等效多孔介质法到三重介质法,模拟精度不断提高,适用范围也逐渐由大区域实际问题向小区域理论研究过渡。介绍了溶质运移模拟和热迁移模拟的研究方法及实例。溶质运移模拟以对流弥散方程为基础,其中尺度效应是溶质运移模拟的重点研究问题;热量迁移模拟应考虑地下热水密度变化对地下热水运动的影响。溶质运移模拟和热量迁移模拟往往是将迁移模型和已经调试成功的地下水流动模型相耦合,从而达到模拟溶质及热量迁移的目的。由于溶质运移和热量迁移的复杂性,现阶段水流模型多数处于等效多孔介质模型阶段。综合理论及实际应用,指出精确刻画裂隙及管道和注重基础数学算法是岩溶水数值模拟进步的关键。      

长春西部串湖含水介质弥散试验及污染质运移研究

水动力弥散系数是建立地下水水质模型,进行地下水溶质运移研究的重要参数。在野外调查的基础上,设计并开展了室内二维水动力弥散试验,应用直线图解法确定了研究区含水介质的纵向、横向弥散系数。建立了该区地下水溶质运移模型,并对其进行了预测分析。     

野外非饱和土壤水流运动速度的空间变异性及其对溶质运移的影响

根据野外非饱和溶质运移试验资料,分析了港质运移速度的空间变异性,求得了呈对数正态分布的流速分布函数,并依此推导出有效弥散系数α=0.068t.根据流速的随机分布特征,分别用带有随机参数的对流模型、对流一弥散模型和传统的对流-弥散模型,求得了区域平均浓度分布及其方差.计算结果与实测结果拟合良好.通过分析得到,浓度方差与浓度梯度成正比,与孔隙弥散系数成反比,方差最大值分布在浓度锋面附近.     

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。     

土壤水力特性空间变异的试验研究进展

土壤水力特性的空间变异是影响土壤中水分及溶质运移动态的主要因素.70年代以来国内外有关学者就土壤水力特性空间变异进行了大量的试验研究,通过对试验结果分析,得出了许多可供参考的结论,如水力特性空间变异尺度随研究区域尺度的增大而增大,且两者呈一定的比例关系,大多数水力特性遵从对数正态和正态分布,这些结论对于研究区域溶质(污染物)的迁移动态以及区域水盐动态预报十分重要的参考价值.     

Nonaqueous liquid pool dissolution in three-dimensional heterogeneous subsurface formations

A three-dimensional numerical flow and contaminant transport model is developed to investigate the effect of variable hydraulic conductivity on average mass transfer coefficients associated with the dissolution of dense nonaqueous phase liquid (DNAPL) pools in heterogeneous, water-saturated subsurface formations. Randomly generated, three-dimensional hydraulic conductivity fields are used to represent a heterogeneous confined aquifer. Model simulations indicate that the average mass transfer coefficient is inversely proportional to the variance of the log-transformed hydraulic conductivity. A power law correlation relating the Sherwood number to the variance of the log-transformed hydraulic conductivity and appropriate Peclet numbers is developed. A reasonable fit between predicted and numerically determined mass transfer coefficients is observed.     

Integration of Tracer Test Data to Refine Geostatistical Hydraulic Conductivity Fields Using Sequential Self-Calibration Method

On the basis of local measurements of hydraulic conductivity,geostatistical methods have been found to be useful in heterogeneity characterization of a hydraulic conductivity field on a regional scale. However,the methods are not suited to directly integrate dynamic production data,such as,hydraulic head and solute concentration,into the study of conductivity distribution. These data,which record the flow and transport processes in the medium,are closely related to the spatial distribution of hydraulic conductivity. In this study,a three-dimensional gradient-based inverse method-the sequential self-calibration (SSC) method-is developed to calibrate a hydraulic conductivity field,initially generated by a geostatistical simulation method,conditioned on tracer test results. The SSC method can honor both local hydraulic conductivity measurements and tracer test data. The mismatch between the simulated hydraulic conductivity field and the reference true one,measured by its mean square error (MSE),is reduced through the SSC conditional study. In comparison with the unconditional results,the SSC conditional study creates the mean breakthrough curve much closer to the reference true curve,and significantly reduces the prediction uncertainty of the solute transport in the observed locations. Further,the reduction of uncertainty is spatially dependent,which indicates that good locations,geological structure,and boundary conditions will affect the efficiency of the SSC study results.     

基于局域化EnKF同时同化地下水水流和溶质运移数据的渗透系数场识别研究

局域化改进集合卡尔曼滤波（EnKF）可以克服EnKF方法在使用小集合时,对参数识别精度较低的缺陷,其能同化 地下水位观测数据有效识别渗透系数场。实际工作中,溶质运移数据也较容易获得。崔凯鹏（2013）尝试增加溶质运移 数据以改进只同化水流数据对渗透系数的估计结果,但是精度提高有限。本文在其基础上修改模型,进一步增加溶质注 入井,探究同时同化水头和溶质运移数据,对渗透系数场识别效果,之后对比了局域化EnKF与非局域化EnKF参数识别结 果,并分析了溶质影响范围与参数识别的关系。结果表明：同时同化溶质运移和水头资料,比同化单一种类观测数据识别 的渗透系数精度更高;相同实现数目下,局域化EnKF比EnKF对渗透系数场的估计结果与真实场更为接近;仅考虑溶质影 响范围内的渗透系数,同化水头数据在最后时刻参数识别结果好于同化溶质运移数据参数识别结果,但差别不大。     

多尺度非均质多孔介质中溶质运移的蒙特卡罗模拟

探讨了将蒙特卡罗(Monte Carlo)方法应用于多尺度非均质含水层中溶质运移模拟的方法。所研究的含水层由两种具有不同渗透系数统计特征的多孔介质所组成,每一种多孔介质是非均质的,且其渗透系数场符合平稳假设,而整个模拟区的渗透系数是非平稳的。Monte Carlo方法要求参数是平稳的,因此,分别对两种多孔介质产生若干随机渗透系数场后,用两种方法进行组合,并进行溶质运移的模拟计算。通过对计算结果的分析,综合考虑计算精度、计算时间等因素,得出了处理多尺度非均质多孔介质中溶质运移问题的较好方法。     

Stochastic groundwater flow analysis in the presence of trends in heterogeneous hydraulic conductivity fields

Due to changes in lithostatic pressure, differential fracturing across bedding planes and irregularities in depositional environments, hydraulic conductivity exhibits heterogeneities and trends at various spatial scales. Using spectral theory, we have examined the effect of trends in hydraulic conductivity on (1) the solution of the mean equation for hydraulic head, (2) the covariance of hydraulic head, (3) the cross-covariances of hydraulic head and log-hydraulic conductivity perturbations and their gradients, and (4) the effective hydraulic conductivity. It is shown that the field of hydraulic head is sensitive to the presence of trends in ways that cannot be predicted by the classical analysis based on stationary hydraulic conductivity fields. The controlling variables for the second moments of hydraulic head are the mean hydraulic gradient, the correlation scale of log-hydraulic conductivity and its variance, and the slope of the trend in log-hydraulic conductivity. The mean hydraulic gradient introduces complications in the analysis since it is, in general, spatially variable. In this respect, our results are approximate, yet indicative of the true role of spatially variable patterns of log-hydraulic conductivity on groundwater flow systems.     

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。