水力层析法与克立金法估算非均质含水层渗透系数场比较

含水层非均质性空间分布特征的识别,是准确模拟地下水流和污染物运移的前提.基于室内非均质含水层砂箱实验,分别利用水力层析法和克立金插值法刻画了非均质含水层渗透系数场.研究结果表明:(1) 水力层析法与克立金法相比,不仅可以更好地刻画非均质含水层渗透系数场,还可以更高精度地预测地下水流过程;(2) 水力层析抽水实验中,通过增加抽水实验组数可以有效地提高水力层析参数反演的精度,但是抽水实验组数增加到一定程度以后,再增加抽水组数不会显著提升参数反演的效果.后续需要进一步研究水力层析抽水实验合适的组数,进一步对抽水井进行优化布设.      

含水层非均质性不同刻画方法对地下水流和溶质运移预测的影响

为探讨含水层非均质性不同刻画方法对地下水流和溶质运移预测的影响,基于非均质含水层砂箱实验,分别用传统等效均质模型、克立金插值和水力层析刻画含水层渗透系数场,并探讨了先验信息对水力层析结果的影响.将不同方法估算的渗透系数场用以预测地下水流和溶质运移过程,以此判断不同方法估算结果的优劣,分析含水层非均质性对地下水流和溶质运移的影响.结果表明:与克立金插值法相比,水力层析法可以更好地刻画含水层非均质性,较准确地预测地下水流和溶质运移过程;钻孔岩心渗透系数样本值作为先验信息可以提高水力层析法估算结果的精度;传统等效均质模型无法准确预测地下水流和溶质运移过程.含水层非均质性的增强将导致溶质污染羽分布形态和运移路径的空间变异性增强,并且优势通道直接决定溶质的分布及运移路径.      

含水层水力参数的尺度效应研究现状

描述含水层水力特征的主要参数在达西定律和地下水动力学的解释解中都被视为常效，这在实验室或在地下水开采规模不大的局部地段可行，但实际的含水层都为非均质，且人类活动使地下水水质、水量发生了严重变化，改变了地下水驱动力场的物理北学特征和水力特征，就使含水层的水力参数发生了相应的变化。     

抽水组数和先验信息对估算三维非均质含水层渗透系数的影响

水力层析抽水实验可以高精度刻画非均质含水层渗透系数分布,但野外成本高,需要对抽水试验进行优化.通过构建三维非均质含水层砂箱,开展水力层析抽水实验,探讨不同抽水组数和先验信息对刻画渗透系数的影响.分别利用不同抽水组数和融入42个井段岩心渗透系数作为先验信息,对渗透系数场进行估算,并用以预测独立抽水实验过程,对比估算结果优...     

基于水力层析法的某煤矿承压含水层叠加放水试验分析

水文地质参数是衡量含水层富水性的重要指标,其空间分布特征的准确推算,对于矿井突水灾害预报与防治具有积极意义。传统放水试验分析方法得到的是等效水文地质参数,不能准确刻画含水层的空间异质性。基于随时间变化的水头数据与水文地质参数的互相关分析,将水力层析法应用在陕西榆林柠条塔煤矿井下承压含水层叠加放水试验数据分析中,获得了研究区水文地质参数的空间分布特征。结果表明,工作面南北富水性差异大,涌水区位于强导水带上;从涌水区往北,导水系数和储水系数整体上逐渐减小;南部导水系数和储水系数均较大,属于富水异常区。研究表明,水力层析法是一种有效的非均质含水层参数识别的新技术,将井下放水视为针对含水层的刺激源,结合水头与水文地质参数的互相关分析,联合多个观测孔的水头响应数据,反演刻画研究区域的主要地质结构特征。在矿井水文地质条件分析中,预先采用水力层析法识别富水异常区域,可以有效降低突水事故风险。     

地质统计学在含水层参数空间变异研究中的应用进展与发展趋势

科学合理评价地下水资源,对统筹规划、合理开发利用区域地下水,保障区域生态环境安全至关重要.获取含水层参数空间变异规律是解决地下水渗流、污染物运移、地下水开发利用等诸多地下水问题的重要基础.然而,受常规勘察技术所限,含水层非均质性难以直接刻画.两点地质统计学通过变异函数确定随机变量相关关系,解决地质变量空间线性估计并表征...     

含水层非均质结构的马尔可夫链地质统计方法及应用

针对含水层非均质性对地下水流动和溶质运移模拟的准确性有着重要的影响,但非均质性的刻画十分困难的问题,介绍了马尔可夫转移概率理论方法及其在含水层非均质结构研究中的应用,利用Walther定律建立了三维马尔可夫链,并将该方法用于研究位于山西省介休市龙凤河冲积扇岩相的空间分布规律.结果表明该地区细颗粒具有在垂直方向上向上沉积、水平方向上向外沉积的趋势,细颗粒岩相与粗颗粒岩相之间的关联性强而粗颗粒岩相之间的关联性差.该方法的缺点在于Walther定律的应用可能会增加不确定性.     

运用水力层析法对含水层裂隙带成像

含水层裂隙带的识别,是准确模拟计算地下水流和污染扩散的前提。本研究通过数值实验,运用近年来发展起来的水力地质层析方法,对含水层裂隙带成像。文章设定一个17m×17m的二维垂直饱和裂隙含水层,含水层有2口斜井。在斜井与裂隙带的交叉点分别进行抽水试验,由感应器收集水位响应数据,运用VSAFT2对裂隙带进行识别。数值实验证明,水力层析法结合地下水流的逆算方法——连续线性算法(SSLE),可以比较准确地识别非均质含水层的参数分布;非稳定流条件下的识别结果好于稳定流的结果;信息齐全条件下的结果好于资料缺乏时的结果。     

基于EnKF融合地球物理数据刻画含水层非均质性

含水层非均质性的刻画是模拟地下水中污染物运移的关键。以渗透系数为研究对象,构建了综合集合卡尔曼滤波方法、有效电阻率模型与地下水运移模型的同化框架,通过融合地球物理观测数据与污染物浓度观测数据来推估渗透系数的空间分布。基于理想算例,验证了该同化框架刻画含水层非均质渗透系数场的有效性,并针对不同初始参数信息与观测类型对比了耦合与非耦合水文地球物理方法的适用性。研究结果表明:基于集合卡尔曼滤波方法同化多种类型的观测数据,可有效地推估非均质参数空间分布。当初始信息较准确时,耦合方法的参数推估精度更高;初始信息存在偏差时,非耦合方法有更好的同化效果。由于非耦合方法计算成本较低且对初始信息缺失时适用性更强,在实际应用中可先基于非耦合方法初步估计参数,再利用耦合方法进一步提高参数推估精度。融合多种类型观测数据可有效提高参数推估效果。     

非均质含水层中渗流与溶质运移研究进展

含水层的非均质性控制着地下水渗流和溶质迁移特性,准确定量化描述非均质含水层中的渗流和溶质迁移问题受到广泛关注,已成为地球科学领域中的研究热点。首先从非均质含水层地下水流和溶质迁移理论模型、矩分析、多尺度进行系统综述,指出尺度转换在目前水文地质研究中主要解决的问题以及存在的问题;其次从非均质含水层场地试验、不确定性以及速度连通性等方面分析了该方向的研究进展;最后指出地球物理反演含水层非均质性、随机理论与随机模拟软件开发、尺度转换及速度连通性的不确定性问题、非均质性与水文地质条件关系研究4个方面是该领域今后的主要研究方向。     

水力层析法刻画非均质含水层K与S采样时间优化设计

水力层析法(hydraulic tomography,简称HT)是一种高精度刻画含水层非均质性的抽水试验新技术,通过在不同地点及深度进行多组抽水试验并收集含水层水位变化资料,进行地下水流数值反演,对水文地质参数的空间分布做详细的识别。由于观测水位数据随着时间变化与渗透系数K、储水系数S的相关性不断变化,因此运用不同时刻水位数据反演参数K与S精度不一样。基于水力层析理论,采用剖面二维承压含水层数值模型研究了时间采样对估计参数K与S精度的影响。研究结果表明,随着采样时间的增大,渗透系数K的估计逐渐变好,最后趋于一个稳定值;在K已知条件下,采样时间t0(t0定义为JACOB直线图解法中s-lgt曲线直线段的延长部分与lgt轴的交点所对应的时间)时刻之前,储水系数S的估计随着采样时间的增加而变好,t0之后随着采样时间的增加反演效果变差。     

熵权耦合随机理论在含水层非均质综合指数研究中的应用

传统模型主要侧重于通过含水层的某一单一属性来定性或半定量化表征其非均质性,无法对含水层综合非均质性进行定量描述。引入非均质综合指数(HSI)这一概念来定量化表征含水层多个属性的综合非均质性。其具体的计算过程主要包括以下3个步骤：利用Markov原理建立含水层沉积微相分布模型;通过相控建模原理,利用改进的序贯模拟法建立含水层属性参数分布模型;通过熵权法计算出上述各个含水层属性模型的权值系数,并根据此系数对模型进行叠加,从而求得含水层非均质综合指数。将该方法应用于华北平原栾城地区,对该区的冲洪积扇含水层非均质性进行研究,计算结果表明：沿滹沱河冲洪积扇半径方向的沉积微相变化平缓、含水层参数连续性较好,故其非均质性较弱,HSI为0.74~0.95;冲积扇相互叠加区域沉积微相变化剧烈,属性参数具有较强的空间变异性,故其具有强烈的非均质性,HSI为0.38~0.65,这表明在该研究区内沉积环境对含水层非均质性起着控制作用。非均质综合指数能够在考虑多项含水层属性的基础上,定量化表征含水层的综合非均质性及各属性对综合非均质性的影响,并为后续的污染物运移研究提供基础。     

含水层层状非均质对地下水流系统的影响

区域尺度上含水层非均质具有复杂的结构性和随机性,难以准确刻画,造成非均质对区域地下水流系统的影响机制研究不够深入。本文以鄂尔多斯盆地白垩系地下水流系统为研究实例,选择典型剖面,采用剖面二维随机数值模拟方法,通过对比不同非均质刻画方法下地下水流场的变化,探讨含水层层状非均质对地下水流系统的影响机制。结果显示,均质条件下模型各向异性（含水层水平和垂向渗透系数比值Kh/Kv）取值为1000时,地下水流场与实际条件较为接近;非均质条件下,渗透系数方差取值0.91,水平相关长度取值5000 m,Kh/Kv取值150时,接近实际条件。研究表明,在大尺度地下水流模拟研究中,采用水平相关长度、渗透系数方差和各向异性值三个变量生成的随机场能很好地刻画含水层的层状非均质特征及其对水流系统的影响控制作用。由于含水层不同尺度层状非均质的叠加效应,采用均质各向异性介质等效概化含水层层状非均质性会造成等效各向异性值偏大失真的效应。     

基于巴拉素井田多孔抽水试验的含水层特征及水力联系研究

抽水试验是获取地下水含水层水文地质参数的有效手段之一。为了准确掌握各含水层特征及水力联系,以巴拉素井田为例,通过抽水试验、理论分析、水质化验等方法对井田先期开采地段内开采煤层富水情况、各主要含水层水文地质特征及其水力联系等进行研究。结果表明:矿井未来开采的2、3、8号煤的富水性均较弱;主要含水层中,除第四系含水层富水性中～强、白垩系洛河组含水层富水性中等以外,其它含水层均富水性弱;第四系含水层和白垩系洛河组含水层之间水力联系密切,侏罗系直罗组含水层与白垩系洛河组含水层之间未发现水力联系,侏罗系直罗组含水层与2号煤之间未发现水力联系;3号煤与8号煤之间未发现水力联系。本次抽水试验成果,为矿井未来水文地质及防治矿井水害工作提供了有力的理论依据,同时对周边条件类似矿井具有一定的借鉴价值。     

储层非均质性对水力压裂的影响

从岩石细观非均质性的特点出发,采用RFPA2D-Flow软件对单孔和双孔数值模型进行压裂计算,研究岩石非均质性对水力压裂的响应,重点探讨双孔模型孔间吸引效应对裂纹演化形态的影响。岩石细观单元的力学、水力学特性由统计分布生成以体现岩石的随机不均质性,水力压裂过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现。数值计算结果表明:(1)岩石非均质性影响裂缝的扩展形态,导致水力裂纹尖端微裂纹的分支。随着均质度的增加,水力裂纹的扩展形态变得更加平直光滑,单孔模型两侧裂纹更加对称,双孔间裂纹的连通性变差。(2)岩石的非均匀性对于岩石的起裂压力和地层破裂压力影响较大。随着均质度的增大,起裂应力和地层破裂应力增大,并且两者间的差值逐渐变小,在储层为均质的条件下,两者几乎相等。(3)相同的边界条件下,均质模型的应力分布曲线光滑连续,非均质模型的应力分布曲线呈现出明显波动,井眼对称剖面上的应力分布不尽相同,反映了细观单元强度非均匀性及裂缝扩展形态对应力分布的影响。(4)双孔模型孔间存在孔隙水压力增加带,孔间产生吸引效应,双孔方位影响临界压力。研究结果对水压裂试验设计和现场压裂施工具有一定的参考意义。     

地下水水平井流的模型及数值模拟方法—考虑井管内不同流态

评述用线汇刻画水平井管可能存在的问题, 并用理想模型证明.提出考虑井管不同流态(线性流与非线性流) 水流阻力的水平井流的模型, 并将内边界取在水平井的出水口处, 避免了采用线汇刻画水平井管时假定其流量分布和水头分布的困难.运用作者提出的等效渗透系数的概念与确定方法, 将水平井-含水层系统视为含有圆柱形透镜体的非均质含水层, 给出新的水平井流的数学模型.求解了一个理想模型, 得出河下水平井开采地下水的动态.      

考虑起始水力坡降的天然非均质地基固结分析

实际工程中通常为未经处理的天然非均质地基。低水力坡降下黏性土中渗流存在起始水力坡降的现象也逐渐被认可,但能考虑起始水力坡降的非均质地基固结模型鲜见报道。基于具有起始水力坡降的渗流模型,考虑实际中的变荷载,对压缩模量和渗透系数随深度变化的非均质地基固结问题展开研究。通过压缩模量随深度增加及渗透系数随深度减小考虑天然地基的非均质性,进而建立了单层非均质地基一维固结模型。分析了起始水力坡降i0,非均质地基参数?、x、? 和p对非均质地基固结特性的影响。结果表明：考虑起始水力坡降后非均质地基中孔压消散速率变慢,地基沉降以及固结速率随之降低;固结速率与参数?、x成正比,而地基的最终沉降量与之成反比;参数? 越大,p越小,固结速率越快,但渗透系数仅改变地基的沉降速率,不会影响非均质土层的最终沉降量。     

封面故事

正华北平原4个地质年代含水层的非均质模型图。通过复建华北平原60年来地下水动力场的演变特征深化对含水层非均质性、深部承压含水层释水沉降机理等的认识,开展地下水资源承载力评价研究,为缓解华北平原水资源的紧缺提出了调控措施和重要科技支撑,提升了我国大型盆地地下水系     

基于地下水压力波传播过程的泉水流量灰色系统模型

根据岩溶地下水的运动特征,提出了岩溶地下水压力波形成与传播的概念模型,运用灰色系统理论建立了岩溶地下水的水文模型,包括泉水流量对降水量水力响应时间的求解方法及泉水流量对降水量的响应模型,并以山西柳林泉为研究对象,建立了泉水流量对泉域内不同区域降水量的水力响应时间求解模型。结果表明,泉域南部岩溶裸露区的水力响应时间为1年;泉域北部岩溶覆盖区的水力响应时间为7年,所得结论与泉域地质构造一致。基于南、北二区的水力响应时间,建立了带有时滞的描述泉水流量与降水量关系的GM(1,3)模型,模型回代检验的平均误差为6.05%;模型预测检验的平均误差为12.19%。研究证明,岩溶地下水的运动过程是压力波的形成与传播过程,泉水流量是地下水系统对大气降水的响应;水力响应时间是反映岩溶地下水压力波特性的主要参数,通过它可以实现对岩溶地下水过程的定量化描述和含水层的非均质性识别,基于岩溶地下水压力波传播原理建立的泉水流量对泉域内降水的响应模型可以比较准确地模拟泉水流量,为岩溶地下水资源的开发利用和保护提供了基础资料。     

基于广义径向流模型的非均质孔隙含水层井流试验分析

Theis模型、Dupuit模型等经典井流模型分析非均质含水层井流试验数据有一定的局限性,获取的参数不适合表征非均质含水层特性。而GRF模型可以获取含水层流动特性的数据。相比于Theis模型、Dupuit模型,GRF模型更能表征非均质含水层特性。以黄石东湖新村棋盘洲长江大桥的抽水试验数据为例,采用Theis模型和GRF模型计算含水层渗透系数,结合实际水文地质条件,对比分析不同方法计算的水文地质参数,并计算含水层水流维数和表观压力传导系数（K_f /S_sf）。结果表明:研究区含水层为细砂夹条带状黏土透镜体的非均质含水层,采用GRF模型计算结果更符合实际情况,渗透系数为 4.09×10?3cm/s;含水层水流维数为1.61,地下水为双线性流动状态,含水层对抽水试验的响应主要受黏土条带控制;观测井和抽水主井的K_f /S_sf呈非线性相关,进一步验证了含水层的非均质性。在非均质孔隙含水层中,应用多孔联合非稳定GRF井流试验方法不仅能确定水文地质参数,并且能丰富对含水层特性的认知。