数值模拟是反映客观规律和定量评价的重要手段——兼评几种流行看法和有关问题

70年代初以来,随着电子计算机和数值计算方法的发展,数值模拟逐渐取代传统的模拟技术成为定量评价的主要手段;水量计算、评价地下水资源量都离不开它,还可以用它来研究地下水的合理开发和地下水资源的科学管理,但其发展趋势已远远超出作为     

常州地区含水层系统土层压缩变形特征研究

根据近十几年来分层标和含水层水位观测资料分析了常州地区土层压缩变形特征,表明承压含水砂层中的压缩变形不容忽视,且含水砂层的压缩变形与弱透水层的粘土、粉质粘土相似,均表现出明显的变形滞后现象.为此从水位与时间关系、土层变形与时间关系和水位与变形关系出发,结合室内试验方法,通过选取常州地区含水层系统中第一、二、三承压含水层以及二、三承压含水层间弱透水层和第三承压含水层下覆弱透水层的原状土样,采用单轴侧限压缩试验,分析了常州地区砂土和粉质粘土的次固结（蠕变）特性.试验结果表明常州地区不论是粉质粘土还是砂土,均存在一定的次固结变形,从而启示我们该地区地面沉降模拟中应同时考虑含水砂层的蠕变特性.     

饱和砂性土流变模型的试验研究

正确合理的土体本构模型确定是地面沉降模拟的关键之一。上海和江苏地区多年来野外分层标的实际观测资料表明该区含水层系统砂层变形具有流变特征,表现出变形滞后于含水层水位变化的现象。本文基于粘弹性理论,选取了常州含水层系统原状砂性土样进行单轴压缩试验,分析了砂性土流变荷载曲线,并选择现有的相关本构模型进行识别,从而确定能更好反映研究区土体变形规律的流变模型。结果表明,研究区砂性土可采用Burgers模型进行描述,反演获得的4个流变参数随荷载的增加表现出一定的规律性。     

考虑预报偏差的迭代式集合卡尔曼滤波在地下水水流数据同化中的应用

集合卡尔曼滤波（Ensemble Kalman Filter,EnKF）方法已广泛应用于地下水水流和污染物运移模拟相关问题的求解。但前人研究多建立在同化系统预报模型是准确的基础上,忽视了模型概化的不确定性。当模型概化不准确时,将导致预报偏差,可能带来错误的系统估计。因此,文章提出考虑模型预报偏差的迭代式集合卡尔曼滤波（Bias aware Ensemble Kalman Filter with Confirming Option,Bias-CEnKF）方法。以地下水水流数据同化为例,研究模型概化存在不确定条件下,边界条件、初始条件、源汇项概化不准确时新方法的有效性。结果表明,当预报模型概化不准确时,使用标准EnKF方法进行数据同化,可能会导致滤波发散,造成同化失败。Bias-CEnKF方法不仅保留了较好的同化性能,同时减小了参数、变量、偏差项非线性关系带来的不一致性。针对文章中4种情景,Bias-CEnKF同化获得的含水层渗透系数场以及水头场均接近真实场,且预报结果可靠。本研究进一步提升了模型概化不确定时EnKF方法的适用性,为实际野外复杂条件下地下水水流数据同化问题提供了可靠的方法。     

非均质孔隙介质中两相流的光透法应用研究

地下水中非水相液体(Non-aqueous Phase Liquid,NAPL)的流动及其曝气修复技术是典型的两相流问题。基于实际地下水含水介质的普遍非均质性,本文应用光透法对非均质孔隙介质中两相流进行了定量试验研究,设计了两组砂箱实验,研究气体和重非水相液体(DNAPL)在非均质孔隙介质中的迁移规律,应用了水/气两相和水/NAPL两相饱和度计算模型。实验结果表明:气体主要由不规则通道向上运动,遇到低渗透性透镜体时在其下方堆积,并开始横向运动,绕过透镜体后继续向上运动,最终在砂箱顶部形成连续气体分布,注气速度越大,气体运移范围越宽;DNAPL在自身重力作用下克服毛管压力向下迁移至低渗透性透镜体,DNAPL无法克服该介质的毛管压力,停止垂向入渗,并在其表面堆积,开始横向运移,绕过透镜体后继续向下运动,最终在砂箱底部形成连续DNAPL污染池。均质介质中建立的计算流体饱和度的水/气模型及水/NAPL模型与实验结果较吻合,可用于非均质多孔介质中水/气相和水/NAPL相饱和度的计算。     

基于分区和多元数据的青藏高原温泉区域多年冻土分布研究

以野外勘探、室内理论分析与建模为主要研究方法,以数字高程模型(GDEM)和实测数据为基础进行统计分析,发现坡向对多年冻土分布具有重要影响。针对青藏高原温泉区域地形的复杂性,基于分区的方法将研究区分为平原区和山区两个地形区。对于平原区来说,考虑到苦海湖泊对多年冻土的影响,将苦海滩地单独划出并采用专家知识完成冻土制图,其余平原区采用建立的地温模型进行冻土制图;对于山区来说,通过定量化研究坡向对冻土地温的影响建立了基于坡向调整作用下的地温模型,应用此模型完成了山区的冻土分布图。以地温作为冻土类型划分的依据,分析了研究区域冻土的空间分布与特征,结果表明:多年冻土的分布面积为1 681.4km2,占整个区域的66.7%,其中,过渡型和亚稳定型多年冻土为主要多年冻土类型,两者占整个研究区域的50.8%,其次为不稳定型多年冻土(11.4%),稳定型和极稳定型多年冻土的面积比例相对较小(4.4%和0.2%)。从空间分布格局来看,冻土分布具有明显的垂直分带特征,随着海拔高度的升高,冻土地温逐渐降低,冻土类型依次经历季节冻土-不稳定型多年冻土-过渡型多年冻土-亚稳定型多年冻土-稳定型多年冻土-极稳定型多年冻土的变化。     

三维区域地面沉降数值模拟

由于地裂缝研究及地表变形监测技术（例如GPS,InSAR等）的快速发展,抽取地下水引起的地层水平位移受到关注。传统区域地面沉降模型虽然求解快速但不能模拟水平位移;比奥模型虽然能够模拟土体的三维变形,但模型求解的计算量较大,较少应用于大尺度的区域地面沉降数值模拟。为解决以上问题,推导了解耦三维地面沉降数学模型,模型推导过程显示：比奥模型假设法向总应力和不变,则可简化为解耦三维地面沉降模型;解耦三维地面沉降模型假设土体仅有垂向一维变形,则可简化为传统区域地面沉降模型。同时通过数值试验验证了解耦三维地面沉降模型可以作为比奥模型的替代模型和传统区域地面沉降模型的改进模型,用来模拟抽取地下水引起的三维区域地面沉降。     

上边界条件对多年冻土地温场数值模拟结果的影响分析

以玛多地区多年冻土为背景,建立多年冻土地温场的数值计算模型,以不同的方式考虑近 60 a 来的气温变化构成不同的上边界条件,通过模型计算分析不同上边界条件下的不同时期温度场、未来冻土退化特征.结果表明：在上边界条件中采用气象站实测近60 a波动温度值和采用近60 a平均恒定值时,浅层冻土地温差异明显,且越浅层地温与越近时间的上边界条件相关.预测未来100 a冻土地温变化趋势发现,相同升温速率和升温初始温度条件下,上边界采用实测60 a波动温度值对冻土退化过程影响较小;升温初始温度值提高到与趋势线衔接后,冻土退化起始时间从约第45年提前到约第20年;60 a实测温度和升温初始温度值均提高到与其初始温度场上边界条件衔接后,冻土退化起始时间从约第20年提前到约第15年;冻土退化从开始到完全退化经历时间为25 a左右.     

青海省共和-玉树高速公路新建块石路基下的温度状况分析

块石路基是多年冻土区应用最为广泛的多年冻土路基形式. 为了研究多年冻土区修筑高速公路后块石路基的效果,选取青海省新建共和-玉树高速公路3个块石路基监测断面的实测资料,对路基修筑初期多年冻土温度状况进行了分析. 结果表明：路基修筑初期路基中心原天然地表下0.5 m处仍表现出季节变化规律,至原多年冻土上限深度处,温度波动幅度急剧减小. 块石路基的保温效果与年平均地温密切相关,年平均地温越低,对冻土的保护效果越显著. 受阴阳坡效应的影响,左路肩/坡脚温度高于右路肩/坡脚. 左右路肩及中心孔下多年冻土上限都得到不同程度的抬升,抬升幅度主要受路基高度影响,与多年冻土年平均地温没有必然关系.