基于多相流模型和探地雷达正演模拟的LNAPLs探测研究

探地雷达(Ground Penetrating Radar:GPR)不仅可以用于估计土壤含水量,还可以用于探测和监测轻非水相液体(Light Non Aqueous Phase Liquids:LNAPLs)在土壤中的运移.建立接近实际情况的模型是利用GPR正演模拟开展LANPLs迁移和分布研究的关键问题.以往的地球物理模型大都属于概念模型,存在物性突变的界面.而在LNAPLs污染区域的各种物性参数通常是渐变的,大多数情况下并不存在突变的物性界面.因此,为了建立更符合实际的地球物理模型,本文基于多相流渗流理论模拟了LNAPLs在土壤中的泄漏过程,得到了渗漏后不同时刻土壤含水饱和度、含油饱和度的变化分布.然后利用混合介质的介电模型将流体饱和度分布转换为介电常数分布,获得了地球物理模型,显示了因LNAPLs迁移引起的土壤介电常数的细节变化.随后,基于时域有限差分开展了GPR正演模拟.正演模拟结果显示了雷达波对LNAPLs污染区域、潜水面的响应,与实验室实测数据具有很好的一致性.由以上分析、对比可知,本文提出的地球物理建模的方法和流程与污染场地的实际情况更为符合.基于多相流渗流理论建立的地球物理正演模型把地下LNAPLs迁移的水文模型与GPR探测相结合,为复杂的实际场地地球物理建模提供了思路,也为GPR更有效地探测LNAPLs在土壤中的渗流提供了分析和解释手段.     

轻非水相液体污染过程的高密度电阻率成像法室内监测

为探讨高密度电阻率成像法监测多孔介质中轻非水相液体迁移过程的有效性,本文通过三维砂槽进行了非饱和带中轻非水相液体的污染试验,并利用高密度电阻率成像法进行了同步的动态监测.试验之后,将砂槽层层挖开,通过数码成像,获取了污染区域的实际范围与形状.结果表明,由高密度电阻率成像法圈定的污染区域在范围与形状上都与实际的结果比较接近,并可通过三维电阻率相对值的时间变化明显的看出轻非水相液体的污染过程.这说明利用高密度电阻率成像法对非饱和多孔介质中轻非水相液体的空间分布范围进行圈定并监测其迁移过程是完全可行的.     

中尺度模拟土壤油污染区探地雷达探测效果分析

为使物理模拟实验效果与实际探测情形更为接近,在室外自然条件下建立中尺度土壤石油污染实验模型,油污染区扩展深度超过1 m,采用实地探测中常用的500 MHz雷达天线进行长期定时探测.通过实测雷达图像特征、土壤含水量含油量分析,并对比前人开展的小尺度室内模拟试验结果,综合评价探地雷达对油污染区的探测效果.研究表明探地雷达探测图像异常特征与污染区扩散阶段密切相关:包气带内油污染区会引起振幅增强;毛细带的油污染区则表现为水位面反射轴附近清晰可辨的高幅异常区,且水位面反射轴呈下凹状;随扩散过程持续进行,异常区下移与水位面反射轴相交,并产生水平扩张.当污染土含油饱和度大于20%时,可通过雷达图像异常区圈定污染范围;当污染土含油饱和度大于15%时,可通过频谱图出现低频响应的位置圈定污染区水平范围.中尺度实验结果与室内小尺度模拟结果具有一致性,可作为油污染区雷达图像异常的解译依据.     

我国典型沙漠(地)流动风沙土的深层渗漏量及动态变化

土壤水分是干旱生态系统的重要制约因素,一直是干旱区研究和生态建设的热点和难点问题,对降雨的深层土壤渗漏水量仍缺少定量观测研究.本文采用作者自主研发的YWB-01型土壤深层水分渗漏计量仪对毛乌素沙地等4大沙漠(地)的流动沙地测试记录了降雨入渗到150 cm以下深层土壤的渗漏水量,连续2年的资料表明:(1)降雨的深层渗漏水量自东向西由半干旱区向干旱区递减,其中:乌审旗流动沙地渗漏水总量高达508.4 mm,占同期降雨量58.4%,磴口的渗漏水量为23.8 mm,占降雨量13.9%,而阿拉善左旗和右旗未测试到渗漏水量,但≥25 mm的强降水对干旱和半干旱区流沙地深层土壤水分的渗漏补给具有重要作用;(2)渗漏水量的季节变化与降水的变化趋于一致,但有一定滞后,在降雨量较大地区,二者变化的相似性更强;(3)单次较强降雨在降雨开始的40~55 h后出现一个渗漏水量峰值,渗漏速率增加较快但其减少相对缓慢,持续渗漏过程长达150 h左右,降雨量越大,渗漏水量峰值就越高,渗漏水量所占降雨量的比例也越高;受降雨强度、雨量和历时的共同作用,就低强度、长历时和单次降雨量大的降雨事件更有利于降雨对沙地深层土壤的渗漏补给;(4)受土壤冻融作用的影响,在快速消融期3月份出现一个小的渗漏补给峰值.研究结果对我国干旱和半干旱区沙地水资源的准确评估和合理利用及生态建设具有现实指导意义.     

黄土抗剪强度的三轴试验

非饱和黄土的强度随着含水量的增大是降低的。本文对青海某场地的黄土进行了三轴的试验研究,结果表明含水量对土体的强度影响显著,但加载速率对土体静强度的影响甚微。     

三峡库区丰都-忠县段消落带不同高程土壤镉及其形态的分布特征

镉(Cd)是目前三峡库区消落带主要的污染物之一,其迁移和形态转化直接威胁水环境安全.选择库区丰都-忠县段消落带,按照高程差异分别于不同土地利用类型(农田、林地、果园和村庄)下采集土壤样品,利用化学连续提取法测定Cd的形态组成,探讨影响消落带土壤中Cd及其形态空间分布的关键因素.结果表明,消落带土壤中Cd的平均含量为0.65 mg/kg,可交换态及碳酸盐结合态是土壤中Cd的主要形态,占比达到41.21%,残渣态和铁锰氧化物结合态次之,有机物及硫化物结合态占比最低.不同土地利用类型下消落带土壤Cd的含量整体上不存在显著性差异,表明当地人类活动对土壤Cd的直接贡献较弱.消落带土壤Cd及其形态的含量与高程呈显著负相关,且在160～165 m区域发生明显转变,水位变化导致的泥沙沉积可能是控制消落带Cd空间分布的主要因素.此外,土壤理化性质,尤其是细颗粒泥沙对Cd及其形态分布具有明显影响,将来需重点关注泥沙理化属性对Cd迁移及形态转化的影响.     

基于地电场响应的地裂缝模拟试验

在应用网络并行电法技术的基础上,建立有基底潜山的物理模型,对注水条件下模型土体开裂过程中的地电场响应进行测量。试验结果表明,土体中电位、电流和电阻率的变化与土体含水量密切相关,随着土体中含水量的改变,自然电位、一次场电位、激励电流和视电阻率发生急剧变化;网络分布式并行电法反演信息表明在视电阻率曲率值较大位置容易产生不均匀沉降和裂缝,不均匀沉降的程度越大,地裂缝的长度、宽度、深度也越大。     

高频电磁波传播速度在水及淤积砂土中影响因素实验研究

水及淤积土中电磁波传播速度是实现水上探地雷达(GPR)探测数据准确时深转换的关键因素.论文基于探地雷达实测结果分析了水温、盐度、浊度对水中电磁波速的影响和粒径组成、含水量变化对砂土介电常数(电磁波速)的影响,建立了淤积砂土介电常数模型并给出了相应速度计算方法.研究表明水中电磁波速主要受水体盐度影响,随盐度增大而指数减小.淤积砂土介电常数符合Looyenga模型,现场探测时可根据土样三相体积比确定土体介电常数,进而确定土体电磁波速,实现GPR数据时深准确转换.     

降雨条件下边坡体积含水率变化规律研究

持续降雨是边坡发生失稳破坏的主要诱因之一,基于饱和—非饱和渗流理论,对梅州市大埔县某边坡的渗流场进行模拟,研究在不同降雨工况下该边坡土体体积含水率的时空变化规律。研究结果表明:相同条件下,降雨强度越大(降雨历时越长),边坡表层土体体积含水率变化越大;降雨强度60 mm/d历时1 d的暴雨对边坡表层土体体积含水率的增幅作用存在着一定的滞后性,其余工况未表现出滞后现象;降雨强度为120mm/d和300 mm/d的两种工况各研究点任意时段体积含水率较为接近;当降雨强度达到60 mm/d以上时,边坡内部体积含水率空间变化主要受降雨历时影响,降雨历时越长,降雨入渗深度和体积含水率变化越大。     

湖泊污染底泥疏浚后新生沉积物-水界面溶解氧的动态响应

借助微氧电极测试技术对太湖贡湖湾试验区疏浚后的新生界面溶解氧动态进行一年的跟踪调研,分析溶解氧在新生微米级界面的分布特征、扩散通量以及界面附近有机质矿化速率.结果表明疏浚后半年内,溶解氧在表层沉积物的侵蚀深度增大,氧化层明显加厚.氧气在新生界面表层沉积物中呈指数下降,但衰减相对较缓.在连续一年的跟踪调查中发现,仅秋季新生界面附近溶解氧浓度明显高于对照,而在其他月份无差异.污染底泥疏浚后一个月内氧扩散通量及有机碳矿化速率下降最为明显,仅为疏浚前的13%,其他月份沉积物-水界面氧的扩散通量、氧气的消耗速率、有机碳的降解速率均有不同程度下降,疏浚后新生界面氧气交换速率下降以及由此导致的有机碳矿化过程变缓可能深刻影响界面生源要素的迁移过程.     

面向含水层的震电效应数值模拟

为了更好地理解和解释土壤结构、多相流混合物和流体矿化度对震电测量的影响,本文基于Pride和Revil分别提出的动电耦合控制方程组,采用LAC广义反射与透射系数法对均匀、横向各向同性的多层含流体孔隙介质进行数值模拟研究.本文分别研究了包气带、不同土壤结构的地层和污染物侵入含水层等三种不同地质背景的震电信号.数值结果表明：含水饱和度剧烈变化比均匀变化能激发出更强的动电效应;按照含水饱和度划分的地层层厚与主导的地震波长一致时,震电信号振幅最大;由于S波比P波波长短,所以S波转换的磁场分辨“薄层”能力更强;Pride与Revil的理论模型在地层富含黏土且孔隙中流体部分饱和时存在差异;当土壤为三孔的形式且富含黏土矿物时,基本上不满足“薄”双电层假设条件;黏土含量越高,砂土含量越低,电场总场及界面响应振幅越大;和依照饱和度划分的地层对比,震电信号不仅可以探测到含非水相液体(NAPL)地层的存在,而且分辨率远高于前者;非水相液体的密度和黏度会对震电信号产生明显影响;震电信号同样对流体矿化度变化敏感,非同震电磁信号对流体矿化度变化敏感主要体现于矿化度变化界面附近的隐失波,自由表面附近接收的震电信号无...     

强震前区域中小地震迁移速率特征

为研究地震活动图象的异常特征,本文选用了物理学中的速率概念,给出了地震空区、大震前中、小地震条带、地震活动迁移和地震危险地块的一个新的定量异常指标方法:大震前区域中、小地震的迁移速率变化.以华北和川滇地区发生的7次强震前的区域地震活动特征为例,通过计算,发现大震前区域地震迁移速率出现低值异常,认为区域地震迁移速率的变化反映了大震震源区地震活动的离散性和相对集中性的过程.并讨论了大震前区域地震迁移速率的物理意义.     

不同赋存方式石油污染土实测探地雷达图像特征分析与评价

探地雷达(GPR)主要通过图像方式反映浅地表土壤污染状况,图像异常特征与地层条件、污染物赋存状态、探测参数及背景噪声综合相关.与数值和室内模拟研究时控制条件下所得"理想"剖面不同,实测剖面会受这些因素综合影响,异常特征变得复杂,识别难度增大.本文总结近20年来数十个石油污染土GPR探测实例,以石油污染物不同扩散阶段所呈现的赋存情形进行分类,分析总结相应的GPR探测图像异常,以期找到共性特征,建立污染区GPR异常识别标志.分析结果表明:短期形成的石油污染土常呈现低介电常数和低电导率特征,在包气带内存在时表现为厚度不一、形状不定的高幅异常;在毛细带内存在时表现为潜水面上下分布散落的、相连的斑点状或片状高幅异常;在含水层内存在时则表现为聚集在含水层顶部的反射信号增强的振幅异常区.经历长期生化降解过程的污染土通常呈现高电导率特征,在GPR图像上表现为信号衰减异常.虽然实测剖面异常特征复杂,但在解译时区分污染区扩散阶段和赋存方式将显著提高解译准确度.     

三峡支流澎溪河消落带落干初期N2O释放与反硝化特征初探

水库近岸湿地(消落带)土壤N2O释放和反硝化作用是消落带氮的生物地球化学过程的重要组成部分.以三峡水库支流澎溪河高阳平湖库湾消落带为研究对象,于2013年落干初期,采用C2H2抑制-原状土柱培养法研究该处自然植被恢复区、农耕区和对照组等不同土地类型土壤的N2O释放速率和反硝化速率,并测定了土壤p H值、氧化还原电位、温度、有机质、总氮、铵态氮、硝态氮和土壤孔隙含水量等环境指标.结果表明,自然植被恢复区土壤N2O释放速率为9.88±6.49 g N/(hm2·d),反硝化速率为58.94±52.84 g N/(hm2·d);农耕区土壤N2O释放速率和反硝化速率分别为7.71±4.44和30.70±25.68 g N/(hm2·d).不同土地类型间N2O释放速率差异显著,落干初期土壤氧含量、含水量及氮含量对不同土地类型N2O释放和反硝化作用影响明显.土壤氧含量的升高促进了自然植被恢复区的N2O释放,并在一定程度上抑制了该区域反硝化作用.农耕区土壤含水量高于自然植被恢复区,可能致使N2O释放速率低于自然植被恢复区,而反硝化速率高于自然植被恢复区.消落带土壤氮含量降低同反硝化速率降低有一定联系.     

隐伏正断层错动致地表破裂变形特征的研究

通过建立三维计算模型,对隐伏正断层在均匀错动、倾斜错动和翘倾错动方式下地表土体的应力路径、破裂和变形特征进行了研究。根据地表破裂临界值,分析了工程建设“避让带”的宽度和起始位置的变化特征。根据行业规范,提出工程建设“关注带”的确定方法,分析了“关注带”的宽度和起始位置的变化特征,得到以下主要结论:①在断层错动过程中,位于两侧的地表土体应力路径变化明显不同,下盘一侧和上盘一侧分别以三轴拉伸和三轴压缩为主;②地表强变形带与地表破裂带的分布并不一致,需要综合考虑等效塑性应变和总位移比2个指标来评价同震地表错动对建筑物的影响;③当隐伏断层错动的垂直位移达到3m时,工程建设“避让带”的宽度在10—90m范围内变化,受上覆土体厚度和断层倾角的影响最大,而工程建设“关注带”的宽度在150—400m范围内变化,受上覆土体的性质影响最大。     

应用EOS/MODIS卫星资料反演与估算西北雨养农业区地表能量和蒸散量

应用定西地区的陆面过程野外观测资料和四次EOS_MODIS卫星资料,对典型的西北半干旱雨养农业区的基本地表特征参数进行反演,在此基础上对各能量通量和蒸散量进行估算,进而分别分析其季节和空间变化.结果表明：应用卫星数据估算的各参量的相对误差基本都在20%以内,其空间和时间变化基本反映了当地的实际情况;区域各通量和日蒸散量分布极不均匀,表现为四季相差比较大的单峰型变化特征,冬季最小、其次是秋季、夏春两季最大;与面积较大的中、低植被覆盖度区域相比,小范围的高植被覆盖度区域的地表净辐射、潜热和日蒸散量相对较高,土壤热通量和显热通量相对较低,并且都在春、夏季节表现得更加显著.低、中植被覆盖度区的各能量通量的季节变化不显著的特征反映了半干旱西北雨养农业区土壤的干土层相对比较厚的特征.     

大气作用下膨胀土地基的水分迁移与胀缩变形分析

运用土体渗流和蒸发理论,建立了大气-非饱和土相互作用模型;以现场观测的气象数据作为边界条件,进行了地基土中水分迁移的数值模拟,得到了大气作用下地基土体含水量的动态分布规律。计算结果表明,地基土中含水量变化幅度随深度增加而递减,3.5 m深度以下土体的体积含水量基本不变,从而确定了南宁地区膨胀土地基的大气影响层深度为3.5 m。在此基础上,结合已有膨胀土胀缩性指标的干湿循环效应研究成果,提出了一种同时考虑干湿循环效应和1.0 m深处含水量变化的膨胀土地基胀缩变形计算方法,通过算例将该法与传统方法进行比较,结果显示该法更加符合工程实际。     

山东淄博裂隙岩溶水中石油污染物分布和迁移特征

裂隙岩溶水是中国北方的重要供水水源,而石油污染又是地下水污染的一种重要类型.和孔隙水相比,裂隙岩溶水中石油污染物具有不同的分布和运移特征.裂隙岩溶水具有比孔隙水大得多的实际平均流速,污染物运移是一个对流占绝对优势的问题.石油污染的范围可以扩展到离污染源数公里远,但这不是浮油池造成的,而是由溶于水的石油组分和乳化油造成的.石油污染物的空间分布,在平面上集中于强导水带,剖面上最高浓度出现在污染源坐落的层位.水井中污染物浓度随时间的变化非常剧烈,浓度-时间关系曲线大起大落.这和裂隙岩溶水大的流动速度、由于抽水和停抽造成的频繁的局部流场变化以及污染物运移通道的复杂性和包气带中残留油的淋滤有关.认识这些特点,对于裂隙岩溶含水层中石油污染的控制和防治有实际意义.     

基于介电特性获取污染土壤中污染物含量的研究

从污染土壤复介电常数与污染成分的关系模型、污染土壤复介电常数测量技术两个方面综述了目前国内外学者利用介电特性和电磁波信号开展的土壤污染探测研究.最后指出,基于污染土壤的介电特性获取污染土壤中污染物含量是一项非常有前景的技术,其目的是通过获取土壤复介电常数的变化信息,定性和定量的对污染场地做出评价.     

东北地区至华北北缘地壳结构的区域差异: 地壳厚度与波速比的联合约束

本文通过对分布相对均匀的127个固定台站下方接收函数的H-κ叠加分析,并结合前人对97个线性密集流动台站的研究结果,获得了东北地区和华北克拉通北缘地壳厚度(H)与平均波速比(κ).结果表明研究区域地壳总体较薄,波速比变化复杂,地壳密度横向变化大,暗示着地壳在中—新生代经历了显著的不均匀破坏与改造.东北和华北北缘都存在明显的东西向差异.东北地区西侧兴蒙造山带地壳大致随着海拔增高逐渐增厚,H和κ分别主要在31~39 km和1.71~1.83之间变化,平均值分别为~35 km和~1.77;东侧吉黑褶皱带地壳厚度与海拔不成镜像关系,H和κ集中在28~37 km和1.72~1.89范围, 平均值分别为~33 km和~1.79.华北北缘西侧燕山带地壳由东往西逐渐增厚,H和κ主要在28~40 km和1.70~1.91范围内变化, 平均值分别为~34 km和~1.79.东侧辽东台隆地壳表现为中间厚四周薄,H和κ集中在29~35 km和1.71~1.83范围, 平均值分别为~32 km和~1.77.东北地区吉黑褶皱带相对薄的H和变化范围大的κ表明,该区域可能由于其自身的地壳结构复杂性和紧邻太平洋板块前缘从而在中新生代遭受到了与太平洋板块俯冲相关的更为强烈的地壳减薄与改造.华北北缘燕山带H和κ复杂的变化特征表明,该地区可能受到中亚造山带增生和太平洋板块俯冲的共同影响,从而发生了更为复杂的地壳改造变形.