非均质土柱中溶质迁移的连续时间随机游走模拟

非均质介质中溶质迁移往往出现非费克现象,传统的对流弥散方程(ADE)则难以较好地描述这种现象.采用连续时间的随机游走理论(CTRW)研究1250cm长一维非均质土柱中溶质运移问题,探讨CTRW模型中参数及非费克迁移的变化特征.研究结果表明,β值的大小与介质的非均质特征有关,非均质性越强,β值越小,但β值具有相对的稳定性,然而ADE的弥散系数则具有随尺度增大而增大的现象.对于介质非均质性较强和非费克现象较明显的溶质穿透曲线,尤其是在拖尾部分,与ADE相比,CTRW具有较高的模拟精度.     

二维分数阶对流-弥散方程的数值解

对二维时间分数阶对流-弥散方程和二维空间分数阶对流-弥散方程分别建立了差分格式,实现了对其的数值求解。针对理想算例进行计算求解,分析了时间和空间分数阶阶数取不同值时的扩散变化规律,验证了各自所描述的时间相关性与空间相关性。同时与传统的二维整数阶对流-弥散方程的求解结果作了对比。当时间和空间分数阶阶数α与γ分别取整数时,二维时间分数阶对流-弥散方程和二维空间分数阶对流-弥散方程都与传统二维整数阶对流-弥散方程的计算结果相同,说明提出的对二维分数阶对流-弥散方程的数值求解方法是可行的。其结果对地下水溶质运移的进一步研究提供了有效的手段。     

渗透系数升尺度对非均质含水层溶质迁移影响研究

区域非均质含水层地下水污染物迁移模拟中尺度选择十分关键。以下辽河平原浑河洪积扇为例,依据钻孔资料用T-PROGS软件生成非均质渗透系数场,以此模拟污染物在三维非均质含水层中不同离散网格尺寸以及不同迁移模型条件下的迁移情况,结果表明不同迁移模型条件下网格尺寸大小对污染物迁移的影响较大,双域模型条件下污染物浓度穿透曲线出现明显的"拖尾"现象,穿透曲线"拖尾"转折点浓度与模型参数有关。在近源处网格尺寸的变化对双域模型的影响大于对对流—弥散模型的影响。     

弥散系数在非均质多相岩层中的尺度效应

根据渗透系数在多相岩层中的协方差函数,文中首先推导了用以描述溶质在三维模型中运移特征的宏观弥散系数方程,然后导出了纵向弥散系数用来表达该参数的尺度效应。利用一个例子,讨论了宏观弥散随时间的变化趋势,以及同一岩相内转移项和越相转移项对弥散的相对贡献。灵敏度分析指出纵向弥散系数是与岩相平均长度正相关,也与不同岩相的渗透系数的差值正相关,其取值随渗透系数的总方差的增加而增大。     

改进时间分数阶模型模拟非Fick溶质运移

通过将经典时间分数阶对流-弥散方程的等待时间分布函数的尾部修改为指数型,推导出了改进时间分数阶对流-弥散方程,并提出有效的时空算子分裂数值求解方法。对两个理想算例和一个实际算例进行计算,结果表明,改进的时间分数阶对流-弥散方程继承了时间分数阶对流-弥散方程能模拟穿透曲线幂率型拖尾分布的优点,还可模拟穿透曲线尾部由幂率型转换到指数型的过程;特征时间λ、分数阶指数γ和两相容量比例系数β共同决定了运移行为。改进的新模型可以区分非均质介质中流动相和非流动相中的溶质浓度, 更细微地模拟非Fick溶质运移行为。     

反应性溶质在不同质地饱和土柱中运移的数值模拟

盐渍土壤中的物理化学作用对溶质运移具有重要影响.吸附和离子交换作用是土壤中常见的反应.利用室内土柱出流实验对这两种作用下的单组分和多组分溶质运移进行了探讨,用CXTFIT软件模拟了只考虑对流-弥散的常规溶质运移;用水文地球化学模拟软件PHREEQC进行了耦合吸附和离子交换反应的模拟.结果表明,土壤质地对单组分溶质的运移具有重要影响,而在多组分溶质运移中,组分之间的相互作用对溶质运移具有更为重要的影响,并且耦合物理化学作用的模拟精度更高.     

地下水溶质运移数值模拟中减少误差的新方法

地下水中污染物运移的数值模拟方法一直是学界的研究热点问题.而如何减少与消除对流-弥散方程数值解中浓度陡锋面附近的数值振荡与数值弥散,更是研究的前沿与难点.提出了一种地下水溶质运移数值模拟中减少数值弥散的新方法.该方法的核心思想是在水动力弥散系数上加上一个数值弥散估算值,得到一个修正弥散系数,用其替代方程中有明确物理意义的水动力弥散系数进行计算.并提出了一个参数——数值弥散因子(μ_NDF),可以根据研究需要进行参数分区并适当调节该因子的大小,从而达到控制数值振荡,减小数值弥散的目的.从一维到二维的多个数值算例的模拟计算结果表明,该方法能在消除数值振荡的基础上,较好地减少数值弥散,达到满意的精度.     

非饱和土中溶质迁移参数反演的HISR方法

以非饱和土中溶质迁移参数反演问题为背景, 依据正则化方法的思路, 以Itakura Saito距离作为同伦函数中的平凡问题, 将同伦方法引入非线性参数反演问题的求解, 进而提出一种求解非线性参数反演问题的大范围收敛(HomotoyItakura SaitoRegularization, HISR) 方法.为保证迭代稳定性, 并同时削弱观测噪声的影响, 同伦参数的修正采用了连续化修正方法.本文将HISR方法应用于求解带有平衡及非平衡吸附效应的一维非饱和土中溶质迁移参数反演问题, 计算结果表明HISR方法具有大范围收敛性及计算稳健性, 同时有较强的抵抗观测噪声的能力.      

考虑溶质浓度影响的热-水-应力-迁移耦合模型及数值模拟

高放射性核废料地质处置库围岩中地下水的密度因溶质浓度不同而发生变化,这将影响到饱和-非饱和孔隙介质中近场和远场的热-水-应力耦合过程, 同时温度场、应力场也要对地下水中的核素及矿物质迁移产生作用。考虑这两个因素,建立和引入了相关的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和渗透迁移方程,并研制出了对应分析孔隙介质中热-水-应力-迁移耦合问题的二维有限元程序。通过对一个假定的核废料地下处置库在核素泄漏后多场耦合过程的数值计算,考察了近场围岩中的温度、应力、孔隙水压力、核素浓度的分布及随时间的变化。结果初步显示了所建模型及程序可模拟热-水-应力-迁移耦合现象,因而具有一定的实用性。     

非均质土中桩端扩散虚土桩法的桩基纵向振动研究

根据桩端土应力扩散的规律,建立了桩端扩散虚土桩模型。基于该模型对非均质土中桩-土纵向耦合振动进行研究。利用复刚度传递多圈层平面应变模型,得到桩与虚土桩桩侧土的剪切复刚度。结合边界条件、初始条件和连续条件,对扩散虚土桩和实体桩动力方程从底层往顶层逐层进行求解,得到桩顶动力响应的频域解析解和时域半解析解。通过对桩端扩散虚土桩扩散角、扩散层厚度、桩侧土非均质性和桩长的影响进行计算分析,得到基于扩散虚土桩法桩-土纵向振动响应特性。研究结论可为桩基础动力设计和动态检测提供理论依据。     

饱和水流溶质运移问题数值解法综述

本文总结了饱和水流中溶质运移方程求解的各种数值方法，分析各种方法的本质特征以及各自的优缺点，并指出了求解对流—弥散方程的各种数值方法的研究进展和值得重视的问题。研究结果表明，自适应欧拉—拉格朗日法(EM)是溶质运移问题中，求解对流—弥散方程是比较有发展潜力的方法之一。以MMOC法为基础在陡峰值高价插值和其它区域低价插值相结合的ELM法，将是未来发展的趋势。而寻求非规则网格上高精度的空间单元插值模式，已开始成为求解对流问题数值方法研究的重点和关键问题。     

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。     

土壤水分与溶质运移机制的分形理论研究进展

土壤中水分和溶质运移一直是土壤-水环境系统中的研究热点,也是目前仍未得到很好解决的问题.将分形理论应用于土壤水分溶质运移机制的研究,探讨其领域中的众多复杂问题,是一种全新的思路和方法.在对土壤结构定量化的分形表征进行简要阐述的基础上,重点介绍了分形理论在水分特征曲线和水力传导度等土壤水分运动基本参数的分形模型、土壤水分运移过程模拟、土壤溶质运移的非费克现象、弥散度的尺度效应以及溶质运移机制研究方面所取得的一系列成果,并就分形理论今后在土壤水分、溶质运移研究中的应用作了展望.     

非均匀土壤中溶质运移的两区模型及其解析解

给出了非均匀土壤中考虑水动力弥散尺度效应的一维溶质运移两区模型。然后在初始浓度为零,半无限一维空间内常数通量边界条件下,推导出了可动区和不动区溶质浓度分布的解析表达式。并用Mathematica软件包作了数值计算。计算结果表明,该模型的模拟结果符合溶质运移的一般规律,因而该模型在土壤溶质运移的研究和应用中有一定的价值。     

多孔介质中含均相/非均相反应传质过程数值模拟

结合化学反应方程式,并应用多孔多相介质溶混污染物输运过程的数值模型,对多孔多相介质中含均相/非均相化学反应传质过程进行了数值模拟。化学反应主要包含均相快速/慢速和非均相快速/慢速等5种化学反应过程,溶质输运行为的控制机制主要考虑对流、扩散及降解、吸附等。基于原有的隐式特征线Galerkin离散化的有限元方法,求解模型控制方程的边值初值问题,求解过程中把均相化学反应物质中按照反应物和生成物分开,非均相反应物质按照固相和液相分开,对均相反应物及非均相液相物质浓度耦合求解,而均相生成物和非均相固相物质独立求解。使方程组按照其不同类型进行分类,同时可减少未知数的个数。对于含有非线性内状态变量的右端项进行迭代求解。数值例题结果验证了所提出的数值方法的有效性、计算精度和稳定性。     

半透水边界下分数阶黏弹性饱和土一维固结特性分析

为描述饱和土体的流变特性,引入分数阶导数Kelvin-Voigt黏弹性模型,采用解析方法对半透水边界下的分数阶黏弹性饱和土一维固结特性进行了研究。分别对骤加恒载下饱和土一维固结微分方程和分数阶Kelvin-Voigt黏弹性本构方程进行Laplace变换,并联立求解得到了双边半透水边界条件下分数阶黏弹性饱和土在Laplace变换域内的解析表达式。通过Crump方法实现Laplace数值反演,得到时间域内的半解析解。将所得到的解分别退化为分数阶黏弹性饱和土一维固结半解析解和双边半透水黏弹性饱和土一维固结半解析解,结果与已有文献半解析解相同,验证了提出的双边半透水边界条件下分数阶黏弹性饱和土一维固结解的可靠性。通过算例考察了半透水边界条件和分数阶黏弹性饱和土参数对一维固结特性的影响。研究表明,双边半透水边界下分数阶黏弹性饱和土一维固结发展过程与半透水边界条件、分数阶次和黏滞系数有关,且土体的压缩模量对饱和土一维固结最终沉降量有显著影响。     

波浪作用下考虑海床变形影响的溶质运移数值模拟

波浪会促进海水中溶质向海底沉积物运移,但已有研究大多未考虑海床（海底沉积物）变形效应的影响。为揭示波浪作用下海床土变形对溶质运移过程的影响机制,构建了考虑海床土变形影响的溶质运移计算模型,对波浪作用下溶质向砂质海底沉积物中的运移过程进行模拟。结果表明:海床土变形会增大孔隙水流速,进而增大溶质纵向水动力弥散系数,增强溶质运移的机械弥散作用,促进溶质向沉积物中运移;考虑海床变形时的溶质最大纵向水动力弥散系数可达不考虑海床变形时的8.5倍,约为分子扩散系数的545倍;海床土剪切模量越小,土体变形效应越明显,对溶质运移过程的影响越大;海床土饱和度的降低,会进一步加速波浪作用下溶质向海底沉积物的运移过程。     

基于图像法的多孔介质双分子反应溶质运移模拟

采用图像分析法确定溶质浓度,以硫酸铜和EDTA二钠作为双分子反应物,在多孔介质模型中开展了不同粒径(1.52.0,2.53.0,3.54.0 mm)和流量(1.0,1.5,2.0 mL/s)下反应性溶质运移实验,探讨了应用不完全混合的对流弥散模型(IM-ADRE)对双分子反应溶质运移的模拟和预测,并进行了参数敏感性分析。结果表明:图像分析法可准确获取多孔介质中显色反应性溶质的浓度,灰度值与浓度的决定系数R²大于0.96;用IM-ADRE模型能够准确预测双分子反应性溶质硫酸铜和EDTA二钠在3种不同多孔介质中的运移过程,误差低于3.71%;实验条件的改变对IM-ADRE模型参数D、m和β₀的影响显著,说明模型参数依赖于环境条件,其变化规律需要根据实际环境条件进一步率定,便于IM-ADRE模型的进一步推广应用。