确定河流纵向离散系数的相关系数极值法

将描述一维瞬时投放示踪剂情况下的水团示踪试验的解析表达式两端同时取对数,得到一直线方程。该方程的因变量Y中含有试验数据c、t,自变量X中含有试验数据t、x和待求参数u,直线常数中含有待求参数D与A。根据u的取值应使Y与X间的相关系数达到极值的原理,推导出了计算河流平均流速u的公式。在计算出u值后,就可以计算出相应不同时间的X值,然后对Y与X数据进行一元线性回归计算,可以计算出直线常数项,从而便可以计算出D与A值。     

单井注抽示踪试验推估含水层中DNAPL残留量的数值分析

目前,刻画场地重非水相液体（dense non-aqueous phase liquid, DNAPL）污染常用的钻孔取样和井间分溶示踪试验方法成本高昂。相比而言,单井注抽试验节省经费,且对污染源区的扰动少,但该试验方法推估DNAPL残留量的准确性尚未得到定量验证。针对该问题,基于数值方法分析了示踪剂类型、注抽速率、污染源区结构等因素对单井注抽试验推估DNAPL残留量精度的影响。结果表明：（1）选用分溶系数比2,2-二甲基-3-戊醇（2,2-dimethyl-3-pentanol, DMP）低的己醇进行示踪,示踪剂回收更加充分,推估污染物残留量的平均精度增幅可达35.11%;(2)当注入速率从100 m3/d提高至130 m3/d、抽出速率从120 m3/d提高至150 m3/d,示踪剂接触的污染源区面积更大,均质源区对应的污染物残留量平均精度从42.45%提高到60.26%,非均质源区对应的平均精度从27.69%提高至48.72%;(3)污染源区结构复杂程度的增加会阻碍示踪剂的运移,非均质源区对应的平均精度比均质源区降低了13.15%;(4)单井注抽示踪试验更适用于离散状为主的污染源...     

井间分溶示踪估计重非水相污染物残留量的影响因素数值分析

对于重非水相污染场地,传统的钻孔取样方式因经费和取样个数的限制,往往无法准确估计含水层中重非水相污染物的残留量。井间分溶示踪法费用较低,且不会对污染源区造成破坏,可适用于推估重非水相污染物残留量,但目前该方法的准确性尚未得到验证。本文基于数值模拟方法探讨了示踪剂注入速率、示踪剂类型以及污染源区结构等多因素对井间分溶示踪估计重非水相污染物残留量准确性的影响。数值算例结果表明:井间分溶示踪实验估计重非水相污染物残留量的误差小于15%;降低示踪剂的注入速率使得分溶性示踪剂在非水相和水相流体间作用更充分,能够提高井间分溶示踪估计重非水相污染物残留量的精度,实验中示踪剂注入速率由500 m3/d降为250 m3/d后,多种情景的平均精度由91.68%提高至93%;选取低分溶系数的示踪剂有利于提高示踪剂的回收率,从而提高推估精度,实验中示踪剂由2,2-二甲基-3-戊醇改为己醇后,平均精度由87.83%提高至96.85%;复杂的重非水相液体污染源区结构易于出现示踪剂绕流等现象,导致井间分溶示踪估计重非水相污染物残留量的误差增大,实验中含水层由均质变为非均质后,平均精度由93.03%变为91.65%。重非水相污染场地调查时,建议结合数值模拟方法选择适宜的示踪剂和示踪剂注入速率,以提高污染场地的刻画精度。     

多孔介质中DNAPL与水相界面面积的测定及影响因素研究

重非水相液体(Dense Non-Aqueous Phase Liquid,DNAPL)与水相的界面面积是影响DNAPL在地下水中溶解速率的关键参数。通过设计二维砂箱实验,运用界面分配示踪法测定DNAPL残余饱和态下的界面面积。为量化分析保守示踪剂Br~-的存在对实验结果的影响,共进行两组实验,Br~-和界面分配示踪剂的注入方式分别为依次注入和同时注入。结果表明:(1)两组实验测定的固液相分配系数K_d值分别为0.079 m L/g和0.142 m L/g,表明Br~-的存在增大了介质对界面分配示踪剂的吸附作用;(2)两组实验测定的单位体积多孔介质中界面面积值分别为215 cm~2和237 cm~2,表明Br~-的存在增大了DNAPL与水相交界面对界面分配示踪剂的吸附作用;(3)在本实验范围内(Br~-浓度C_(Br)≤200mg/L),K_d值与Br~-浓度呈良好的线性关系(K_d=0.00032C_(Br)+0.0798),可用于对砂介质的K_d值进行估算和验证。     

移动界面流速的求解

提出了基于Shwarz-Christoffel变换求解含水层咸淡水移动界面流速的方法,其基本步骤为:(1)将流动平面z的淡水区和咸水区分别映射为辅助平面t_f和t_s的上半部分;(2)利用t_f和t_s平面与复势平面w_f和w_s的映射关系并引入某些几何参数,建立关于复势多边形边长比方程,则问题归结为这些参数的求解;(3)建立关于边界条件的方程,其中包括淡水入流条件和物质面条件;(4)联立求解这些方程并求解界面流速。这一方法与一般数值方法的区别主要是直接求解流速,不需要将流动区域离散化,因而误差较小。算例表明这种方法是可行的。     

贺州市合宝地下河系统的定量示踪试验与分析

在岩溶水文地质调查中,示踪试验的应用是较为广泛且行之有效的方法。为确定地下河系统的岩溶含水介质结构,采用高精度在线监测技术在广西壮族自治区贺州市合宝地下河主管道上进行示踪试验。试验采用的示踪剂为荧光素钠,在线监测设备为GGUN-FL30野外荧光分光光度计。试验结果显示: 合宝地下河入口S₁与出口S₄之间地下河以管道流为主要特征,结构相对简单,不存在溶潭等地下储水体; 示踪剂回收率为63.18%,说明该地下河还有其他排泄途径,很有可能为地下潜流。基于Qtracer2数据分析可知,合宝地下河枯季水流的最大流速为156.00 m/h,平均流速48.09 m/h,岩溶管道储水量26 714 m³,管道过水断面面积13.70 m²,平均直径4.18 m,弥散系数0.505 m²/s,纵弥散度37.81 m,摩擦系数0.178,雷诺数48 937,舍伍德数1 875.4,施密特数1 140。合宝地下河岩溶极其发育,含水介质不均一性强,为规模较大的单一管道系统。地下水流态呈紊流型,且局部具备承压特征。研究数据及成果为建立地下河系统数值模型提供了依据。     

基性、超基性岩: 二氧化碳地质封存的新途径

CO₂地质封存是控制全球CO₂净排放量的有效手段.自然界存在大量基性、超基性岩石的碳酸盐风化作用, 与CO₂反应生成稳定的碳酸盐矿物.影响基性、超基性岩石与CO₂反应速率的因素有温度、压力、pH值、流体流动速率以及与矿物接触的表面积等.矿物在反应过程中放热可以使碳酸盐化体系进入自我加热的良性循环, 同时控制流体的流动速率可以保持最佳温度并使反应速率最大化.蛇绿岩中的橄榄岩、大陆玄武岩和深海玄武岩在地球表层广泛分布, 可贮存大量CO₂.目前研究表明此方法在技术上可行, 经济成本上有优势.因此, 基性、超基性岩石具有封存CO₂的巨大潜力, 可以作为地质封存CO₂的新途径.      

室内模拟试验确定横向扩散系数的研究--以吉林市第二松花江某江段为例

确定河流横向扩散系数的主要方法有经验公式法和河流示踪试验法.以室内模拟试验求横向扩散系数的方法是一种新的尝试,采用几何相似原理,通过不同流量、流速条件下的室内模拟试验,计算出与河流相应条件下的横向扩散系数,所得结果(0.086 m2/s)与同条件下现场分析计算的结果(0.079～0.088 m2/s)基本一致.模拟试验不仅克服了野外条件下示踪剂投放和测试条件的不便,还能够更好地研究不同水动力条件下污染物的扩散运移规律.     

基于生态保护目标的武江流域生态流量定值研究

基于武江河道内的生物多样性和物种特征,提出适宜水力学指标法计算维持河道生态系统稳定性所需的生态流量。该方法以代表鱼类为生态保护目标,根据湿周、流速与流量的关系,求得鱼类不同生命周期的生态流量。结果表明:(1)越冬期鱼类所需流速下限为0.2m/s,产卵期平均流速为0.5～0.7m/s,肥育期流速范围为0.3～0.6m/s;(2)产卵期河道生态流量为116.3～150.3 m/s,越冬期与肥育期中后阶段生态流量为49.55 m~3/s;肥育期初期(8月)生态流量为71.97 m~3/s;(3)提出的适宜水力学指标法以维持鱼类良好的生境条件为生态保护目标,计算结果符合Tennant法河流生态用水标准,且更能反映河流的丰枯变化,可为流域水资源开发利用提供参考。     

短期水文气象资料估算哈尔滨至同江冰厚度

为估算松花江干流哈尔滨至同江段相距660 km的河冰厚度分布,用松花江干流短期实测水文和气象资料,在静态水域斯蒂芬冰厚计算公式基础上,引入水流流速的动能效应。假设河流内水流量相等,建立流速同河流宽度的简单关系,估算了一些调查断面的冰下平均流速;用地表温度资料,对干流域内缺少气象资料的调查断面,在证明结冰期间属于同一天气系统的前提下,用距离平方反比法进行空间插值。最后获得松花江干流河冰厚度统计关系式。用计算的哈尔滨至同江河冰厚度与有限的实测数据比较,发现该方法能够体现人为调节流速对冰生长速率的影响,对计算长距离河冰厚度具有一定精度。     

分析隔水边界附近抽水-恢复试验数据的新方法

为能同时分析含水层具有直线隔水边界条件下,抽水试验中抽水―恢复阶段降深数据,提出了一种新的数据分析方法。在建立这种方法时,将表示抽水和恢复阶段水头降深表达式中Theis井函数的级数表达式的前3项作为其近似表达式,经过推导,分别得到抽水和恢复2个阶段的直线方程。2个直线方程的因变量和自变量均为观测数据的函数,而直线常数为待求参数的函数,在进行数据分析时,只要将试验观测数据分别转化为直线方程的因变量和自变量数据,就能够利用一元线性回归法分别计算2个直线方程的常数,而利用直线常数的表达式,能够推导得到计算含水层参数和映射井到观测孔间距离的公式。通过算例说明了方法的具体应用步骤。      

含水层中弥散系数的尺度效应

为确定研究区含水层的弥散系数,进一步开展咸水体运移的数值模拟,根据研究区的地质背景和水文地质条件,针对含水层中咸水体分布格局设计并开展了示踪试验。利用试验获得的数据初步分析了咸水体垂向和横向运移特征,提出了依赖于单尺度示踪试验结果推求多尺度下弥散系数的内推-外延法,据此计算了试验尺度上的弥散系数。示踪试验结果直观地反映了咸水体对抽水井中氯离子质量浓度的影响,确定了试验尺度上的横向弥散度为7.42 m,垂向弥散度为41.4 m。基于弥散方程的解析解,采用半程拟合的方法进行尺度效应的分析,确立了横向及垂向弥散度与试验尺度关系分别为y=0.007 5·e^{0.129 3x}和y=0.102 9e^{0.049 2x}。根据上述定量关系可进行同类地区相似条件下的弥散系数计算和尺度效应分析,从而为进一步开展咸淡水交互地带水盐运移的模拟和预测提供参数基础。     

分析拟稳定流径向弥散试验数据的反函数法

将描述拟稳定流径向水动力弥散过程的近似解析解进行反函数变换。以变换后的表达式为基础,建立了具有c-t数据和c-r数据两种情况下的直线方程。该方程的因变量与自变量均为试验数据的函数,直线常数中含有待求弥散参数。经过适当的数据转化,就可以利用线性回归法或直接图解法求出直线常数,从而计算出含水层介质的纵向弥散度al和有效孔隙率n。算例表明,这种方法的计算结果精度令人满意。      

荧光示踪剂的干扰实验研究

通过在室内无光照条件下开展干扰实验,探究了荧光素钠、罗丹明和荧光增白剂三种示踪剂之间的干扰规律,并应用于野外地下水二元示踪试验实例,说明了校正荧光示踪仪检测浓度(ΔC)的方法。结果表明:（1）在实验室条件下,荧光素钠的抗干扰性最强,罗丹明次之,荧光增白剂易受到干扰产生检测浓度增大的假象,这种假象服从线性变化规律;（2）当使用罗丹明作为示踪剂时,ΔC钠=0.052C罗、ΔC白=0.012C罗;当使用荧光素钠时,ΔC罗=0.507C钠、ΔC白=0.323C钠。在野外开展二元示踪试验时,建议尽量选用相互之间干扰较小的罗丹明和荧光增白剂进行组合投放,或利用本实验得到的不同示踪剂之间的干扰规律对荧光示踪仪的检测浓度进行校正。      

岩溶地下河浊度来源及对示踪试验影响的定量分析

定量示踪技术是分析岩溶含水层水力特征和岩溶水系统结构的重要手段,地下河浊度是制约定量示踪试验精确性的关键因素。针对西南典型岩溶地下河,以三次不同水动力条件下示踪试验为研究对象,通过对比分析浊度、流量及示踪剂浓度变化探讨浊度来源及其对示踪剂和管道参数的影响。试验过程中,确定存在上、下临界流量使水流从层流过渡为紊流状态,浊度主要来源从管道内部再悬浮颗粒过渡为外源悬浮物,计算上、下临界流量分别为0.7 m~3/s和0.4 m~3/s。通过浊度与示踪剂的相关关系研究浊度对示踪剂的影响,结果表明当浊度大于25时,浊度与示踪剂浓度呈负相关关系,且浊度越大,对示踪剂的影响越大。最后通过对比确定,第一次示踪试验浊度影响较小,并估算了岩溶管道参数,为进一步水资源评价提供基础。     

在线技术在岩溶地下水示踪试验中的应用—— 以青木关地下河系统岩口落水洞至姜家泉段为例

在岩溶水文地质调查的基础上 ,采用高分辨率野外自动化荧光仪、人工取样和放置活性炭的方法 ,对青木关地下河系统投放的示踪剂荧光素钠接收情况进行检测。 结果表明: ( 1)姜家泉是青木关地下河系统的主要出口 ,岩口落水洞投放的示踪剂在姜家泉的回收量为 93. 9% ,初现时间为 33. 3h ,地下水最大视流速为222. 2m /h,平均视流速为 176. 6m /h,众数视流速为 172. 1m /h,说明本试验段内地下径流为典型的紊流流态 ,岩溶含水介质极不均匀 ,可能有规模较大且无岔道的岩溶管道存在 ; ( 2)岩口落水洞与大木水窝泉、纸厂泉没有直接的水力联系 ,出口姜家泉与纸厂泉也无直接的水力联系; ( 3)野外自动化荧光仪精度和自动化程度高 ,携带方便 ,大大节约了试验成本 ,在我国西南岩溶区的地下水示踪试验中具有较大的推广和应用价值。      

A numerical method for obtaining multiple linear regression parameters with physically realistic signs and magnitudes: Applications to the determination of equilibrium constants from solubility data

A common problem in experimental geochemistry is the derivation of equilibrium constants from solubility experiments. A simple method of deriving these equilibrium constants, multiple linear regression, often results in the appearance of negative values. This has been a significant obstacle to continuing research in this field. The problem occurs for the most part because of significant correlations among the “independent” concentration variables. These correlations are an inescapable result of the nature of the experiments and the physical model being fitted. Ridge regression is an appropriate modification to simple linear regression which overcomes this difficulty. Ridge regression results in a simple procedure to obtain physically plausible, yet statistically rigorous stability constants. Of course, other problems may further degrade the quality of derived equilibrium constants, e.g. uncertainty in activity coefficients and no purely statistical method can overcome these types of problems. However, ridge regression is an effective procedure to overcome the multicolinearity which is the main cause of negative equilibrium constants. We demonstrate the use of ridge regression with a general mathematical model and then illustrate its use in the determination of iron-chloro complex equilibrium constants from solubility studies of pyrite-pyrrhotite-magnetite in NaCl solutions at 250°C. Ridge regression may also be of use in other geochemical problems where one must estimate parameters with a physical interpretation and where the independent variables are significantly intercorrelated.     

新安江右坝裂隙岩体渗流同位素示踪研究

应用同位素示踪方法对新安江右坝的裂隙岩体渗流场进行了研究。在单孔中应用同位素示踪技术可得到流速、流向、垂向流等水力学参数,结合相关的地下水井流理论,就可计算出裂隙等效水力隙宽、渗透系数等反映裂隙渗透性的参数,对其进行分析,就确定了渗流场的分布以及集中渗漏通道的位置。     

三轴试验抗剪强度参数值回归分析法的区别与修正

对岩土三轴试验数据采用两种线性回归法计算所得的抗剪强度参数c、φ值会有差别。为了揭示这两种回归方法差别的根本原因,深入最小二乘法线性回归的基本原理指出,按大小主应力回归的结果是最佳估值,而按p-q曲线回归的计算结果不可靠,为了得到统一的结果,对后者所基于的最小二乘法进行了修正;推导了修正后的回归系数计算公式,证明了修正后两种方法得到的结果相同,并用一组千枚岩三轴试验数据进行了验证。结果表明,修正后用这两种方法确定三轴试验抗剪强度参数值都将得到同样的最佳无偏估值。