地下水在岩体结构面系统中运移的三维数值模拟

本文从描述流体流动的基本方程出发,推导了地下水在岩体结构面系统中运移的有限元方程,并基于这一方程编制了地下水在岩体中流动的三维数值模拟程序。     

越流含水层系统中的溶质运移方程

越流含水层系统在我国分布十广泛,但国内有关越流含水层系统的地下水污染模型尚见报导,为建立越流含水层系统地下水污染的数学模型,本文导出了包括越流和井流项的溶质运移方程。     

盆地地下水年龄空间分布规律

地下水年龄蕴含了地下水循环与演化过程的信息,是研究盆地地下水循环规律的重要信息来源。利用实测示踪剂年龄校正地下水模型,是当前国际水文地质学研究的前沿与热点。在数值模拟计算中,地下水年龄有三种确定方法,分别是利用"活塞流"模型计算对流年龄、根据同位素浓度结合半衰期计算浓度模拟年龄和利用地下水年龄控制方程计算直接模拟年龄。利用地下水年龄控制方程计算的直接模拟年龄适合于从理论上分析盆地中的地下水年龄空间分布规律。研究发现,在各级次流动系统内,从补给区到排泄区,地下水年龄有整体上变老的趋势;盆地下游,地下水年龄在垂向上会发生突变,可作为识别不同级次流动系统的实用指标。研究还发现,驻点位置或者附近,地下水年龄存在一个偏大的峰值。这些规律可为利用地下水年龄校正盆地地下水模型提供理论指导。     

CFCs法在鄂尔多斯白垩系地下水盆地浅层地下水年龄研究中的应用

鄂尔多斯白垩系地下水盆地是中国重要的能源基地,利用CFCS方法对鄂尔多斯白垩系地下水盆地年轻地下水年龄进行测定,取得了比较准确的结果。结果表明,盆地地下水系统可以分为局部地下水系统、中间地下水系统和区域地下水系统。地下水盆地内局部地下水系统地下水循环更替快,年龄为20 a左右,地下水年龄随深度增加而增加;中间地下水系统和区域地下水系统地下水循环更替相对较慢,年龄大于70 a,可以寻求14C等其他同位素方法确定准确年龄。     

地下水系统的内涵与外延

在介绍一般系统论思想与方法的基础上,分析了经典的地下水含水系统与地下水流动系统在内涵与研究内容上的局限性。地下水含水系统和地下水流动系统的概念更多的体现了系统论中整体性和全局性的观点,并没有体现系统论的基本思想与方法。鉴于此,给出了更符合一般系统论系统概念的地下水系统概念,以重新界定地下水系统的内涵与研究内容,从而丰富与发展地下水系统理论。      

地下水系统理论研究综述

地下水系统理论是目前水文地质研究的重要指导思想和分析工具,地下水系统的研究已成为正确评价和合理开发、利用和保护区域地下水资源的基础。从一般系统的概念入手探讨了系统思想的基本观点,简要讨论和分析了地下水系统的概念,综述了地下水系统理论的发展历程和应用实例,指出地下水系统理论的应用尚未形成统一明确和易于操作的规范方法,建立一套便于掌握与操作的地下水系统理论应用规范或方法框架,应该是今后地下水系统理论和方法研究的主要任务之一。     

边坡岩体中地下水优化排水机理研究

基于对岩体边坡中地下水的存在性态及怍用机理分析,提出了实用排水模型;建立了排水微分控制方程,通过敏感性分析求解此方程得到岩体中地下水的优化排水方向。此成果在岩体边坡及洞室中地下水渗流、库岸边坡岩体中地下水的有效排泄、岩体滑坡有效排水等方面具有重要的实用价值,丰富了岩体水力学及山地灾害学的科学内涵。     

迭代法在现代地下水年龄估算中的应用——以银川平原为例

为克服应用氚同位素方法确定现代地下水年龄过程中存在的,需确定地下水系统输入项的历史背景浓度问题,本文根据地下水同位素数学物理方程,以全混模型为例,利用不同时期地下水同位素的测试结果,通过数学迭代运算,推导出计算现代地下水年龄的计算公式。该方法不仅可以很好地解决地下水系统输入项氚背景浓度恢复时间序列较长的问题,而且对于提高地下水的定年精度具有十分重要的意义。该方法应用到银川平原取得良好的效果,研究表明银川平原浅层地下水的周转时间为30 a。      

水资源系统中地下水系统数学模型研究

地下水系统作为水资源系统的珍上有机组成的部分,与地表水、土壤水、大气水之间有着极其密切的联系。从水资源系统出发,研究地下水与地表水、土壤水、大气水之间的内在转化关系,并将此种联系定量化耦合进地下水系统模拟模型,从而建立统一于水资源系统的地下水系统数学模型。这是械建大气、植物、包气带地下水系统（ＧＳＰＡＣ）统一体的重要组成部分。研究表明,所建模型对于准确预测地下水动态变化、提高地下水资源评价的精度和     

地下水系统整体拟合的构思及其建模的操作性分析

在建立地下水系统定量模型中,为了提高模型的仿真度和可靠性,提出了地下水系统整体拟合的构思,并对此进行了系统的定性分析。初步探讨了地下水系统整体拟合的理论基础及其建模的操作性,还展望了地下水系统整体拟合的研究方向。     

南水北调中线突发水污染事件的快速预测

依据南水北调中线干渠资料,开展了正常输水情况下串联明渠内可溶污染物浓度分布规律数值模拟研究。采用数值模拟、数学归纳和统计分析方法,提出表征污染物输移扩散特征的峰值输移距离、污染带长度和峰值浓度的快速预测公式;通过示范工程验证了快速预测公式的可行性。结果表明:①串联明渠内,峰值输移距离随渠道流速减小而减小,并且污染带长度增加值随明渠内流速减小而减小,但是峰值浓度随明渠流速减小而增加;②快速预测公式计算结果与现场试验实测结果的误差均不到15%,证明了快速预测公式的合理性和可行性。这些研究结果为南水北调中线工程突发可溶性水污染事件应急预警方案的制定提供了科学依据。     

水质大涡模拟数学模型研究

建立了基于弱可压缩流基础上的水质大涡模拟数学模型及污染物质扩散系数与平均运动的关系。数值计算采用有限体积法和预测校正法,固壁边界条件采用"部分滑移条件"。并应用该模型对重庆嘉陵江、长江两江交汇段的流场,污染物质浓度分布进行了计算,计算结果与实测值比较吻合。研究表明,横向扩散与流动状态有关,当支流流量相对较小时,横向扩散较弱,形成岸边污染带,当支流流量相对较大时,横向扩散较强,污染带向江心移动。     

The motion of sediment-water mixtures during intense bedload transport: computer simulations

A new model, which couples fluid and particle dynamics, has been developed to study the motion of the sediment-water mixture during intense bedload transport, including the velocity profiles of both sediment and water, the roughness length of an upper plane bed and the thickness of moving sediment layers. Standard mixing length theory is used to model the motion of water above the boundary between the overlying water and the sediment-water mixture. The turbulent flow within the moving sediment layers is described by a shear stress model, in which the effective viscosity of the flowing water is proportional to the velocity difference between the fluid and the sediment. The particle dynamics method, in which the equations of motion of each of many particles are solved directly, is applied to model the movement of sediment particles. The particle-fluid interaction is expressed by a velocity-squared fluid drag force exerted on each sediment particle. Both computer simulation results and theoretical analysis have shown that the velocities of both sediment and fluid during intense sediment transport decrease exponentially with depth in the top layers of a fast-moving sediment—water mixture. The thickness of the moving sediment layers, obtained from the computer simulation results, is proportional to the shear stress, which agrees with previous experimental observations.     

基于非结构网格有限体积法的二维高精度物质输运模拟

在二维任意多边形无结构网格有限体积水流模型的基础上,通过无插值的通量重构和引入限制因子建立物质输运的高精度无数值震荡数学模型,并从理论上分析了模型的单调和稳定条件.通过旋转流中圆形分布的对流输运算例对模型进行检验,结果表明模型具有守恒、高精度无数值震荡等优点.最后将模型应用到瓯江河口的盐度输运模拟,计算的潮位、流速和盐度过程与原型吻合良好.     

基于未确知信息的河流水质模拟预测研究

基于河水流速、污染物综合衰减系数等参量信息不确定性的特点,提出了运用未确知数学理论进行河流水质模拟预测的未确知数学模型。该模型不仅能得到以区间形式表示的河流污染物预测浓度,也能获得各浓度可能值区间对应的主观可信度,这为水污染控制系统规划和水环境管理决策提供了更为丰富、科学的浓度信息。实例研究表明,运用未确知数学理论进行河流水质模拟预测,理论上是可行的,预测结果是可靠的。     

Effects of regional groundwater flow on the performance of an aquifer thermal energy storage system under continuous operation

Numerical investigations and a thermohydraulic evaluation are presented for two-well models of an aquifer thermal energy storage (ATES) system operating under a continuous flow regime. A three-dimensional numerical model for groundwater flow and heat transport is used to analyze the thermal energy storage in the aquifer. This study emphasizes the influence of regional groundwater flow on the heat transfer and storage of the system under various operation scenarios. For different parameters of the system, performances were compared in terms of the temperature of recovered water and the temperature field in the aquifer. The calculated temperature at the producing well varies within a certain range throughout the year, reflecting the seasonal (quarterly) temperature variation of the injected water. The pressure gradient across the system, which determines the direction and velocity of regional groundwater flow, has a substantial influence on the convective heat transport and performance of aquifer thermal storage. Injection/production rate and geometrical size of the aquifer used in the model also impact the predicted temperature distribution at each stage and the recovery water temperature. The hydrogeological-thermal simulation is shown to play an integral part in the prediction of performance of processes as complicated as those in ATES systems.     

突发水污染事故中污染物输移主导水动力识别——以深圳湾为例

河口地区感潮河段水动力过程复杂,为在突发水污染事故中合理制定精细化应急方案,基于环境流体水动力模型（EFDC）从水动力学角度对不同水文条件下深圳河口水域突发水污染事故的影响范围、时间及程度进行了数值模拟分析,提出了一种判断河口海湾地区主导水动力因素的分析方法。采用基于傅里叶变换的频谱分析法对事故中污染物输移扩散的主要影响因子进行了准确识别,并采用单因变量多因素方差分析法进行了印证。结果表明,潮流是感潮河段水动力过程的主要驱动因素,但在突发水污染事故中,深圳河各断面特征污染物浓度变化与陆地径流关系密切,径流是感潮河段内突发事故中特征污染物输移的主导动力因素。     

生活垃圾填埋场渗滤液对潜层地下水污染的实验模拟分析——以北京北天堂垃圾填埋场为例

通过对北京市西郊南部北天堂垃圾填埋场渗滤污染组分在含水介质中运移的室内模拟实验分析，揭示了有机污染物等污染组分在含水介质中的运移转化规律，即有机污染物等污染组分在微生物的作用下得到降解；通过阻滞因子和水化学迁移率的计算，得出该含水介质对污染组分的阻滞能力较好。可用水化学迁移率粗略预测不同污染质锋面达到指定地点的时间，为垃圾填埋场地底部防渗层的设计和渗滤液对地下水污染程度的预报提供依据。     

基于溶质运移模拟的某化工场地污染物对拟建水库污染风险预测

溶质运移模拟是污染风险预测的一种有效手段。本研究为查明研究区内某有机污染场地作为污染源对拟建水库的影响,基于对区内流场的精确测量,建立了准确的地下水流模型和化工厂泄露有机污染物的溶质运移模型,预测分析了研究区拟建水库修建前、后地下水流场及污染物迁移情形的变化。模拟结果表明：水库和周边两种设计水头的截渗沟建成后,改变了自然条件下的流场,形成水库向截渗沟排泄、截渗沟向周边排泄以及水库和周边区域均向截渗沟排泄两种地下水流场。某些污染羽扩散范围虽比自然条件下有所增大,但向水库方向的扩散均未超出300 m,不会对水库水质构成污染风险。     

The effect of viscosity ratio on the dispersal of fracturing fluids into groundwater system

In the development of oil and gas reservoirs, the transport of miscible fluids in porous rocks is a key issue for oil and gas recovery. The simplified unidirectional flow model is employed to investigate the effects of the viscosity ratio on dispersion in semi-infinite homogenous media. The viscosity is supposed to be unsteady due to changing component concentration over time. In cases of both a viscosity ratio larger and less than 1, the pollutant concentration and flow velocity are computed at different initial conditions and viscosity ratios. The analytical solutions are then developed by introducing new variables and transforming the equation governing advection–diffusion equation in semi-infinite homogeneous media with a continuous source. A comparison of the numerical solution with the analytical solution revealed a similarity over 98%, highlighting the usability of the analytical solution. If the viscosity ratio is larger than 1, flow velocity declines exponentially and concentration attenuates with transporting time. In addition, the timescale plays a significant role and the effects become more prominent in long-term transport. In the case of a viscosity ratio less than 1, both the timescale and viscosity ratio variables have little influence on the changing speed of the concentration profile. This work helps to predict the position and the time required to reach the harmless pollutant concentration when monitoring fracturing fluids transportation into groundwater system and would be especially useful in designing and interpreting laboratory experiments studying the miscible flow.