岩石裂隙毛管压力-饱和度关系曲线的试验研究

介绍了三峡花岗岩体裂隙毛管压力-饱和度试验。试验采用互不溶混驱替法。试验结果表明,在渗流基本特征方面,裂隙非饱和渗流毛管压力-饱和度关系曲线与空隙介质水分特征曲线具有相似性,如毛管压力-饱和度关系曲线的滞后现象;湿润流体(水)的排泄曲线具有进气压和束缚水饱和度;非湿润流体的吸湿曲线具有残余饱和度。这种相似性表明,孔隙介质非饱和渗流的研究成果可用于裂隙非饱和渗流,孔隙介质水分特征曲线的解析模型,可用于研究裂隙毛管压力-饱和度关系曲线和拟合毛管压力-饱和度排泄曲线的试验数据。     

多孔介质中毛细压力、饱和度和相对渗透率的确定方法

目前石油溢出或者地下储油罐泄漏等原因引起的土壤和地下水非水相流体（NAPLs）污染问题越来越引起人们的关注，由NAPLs、水和气所组成的两相或三相系统中的多相流问题亦是当前的研究热点。其中毛细压力（h），饱和度（S）和相对渗透率（k）是多孔介质多相流研究中的三个重要参数，在多相流室内试验研究中是主要的物理监测量，而且三者之间基本关系式的确定是多相流模拟时进行流动控制方程求解的前提条件。本文从室内试验和模型关系两个方面综述了土壤中NAPLs、水和气所组成的多相流系统中毛细压力、饱和度和相对渗透率以及它们之间相关关系的确定方法。     

非离子表面活性剂对两相系统毛细压力和饱和度关系的影响

表面活性剂至水相的引入将对原先包含纯水两相系统的毛细压力和饱和度关系存在影响.对含有非离子表面活性剂Triton X-100的水-气和水-油两相系统中的毛细压力-饱和度关系曲线进行了试验测定.试验结果表明,同不含表面活性剂的纯水系列相比,在同一饱和度情况下,含有表面活性剂的Triton X-100(0.1%)系列对应的毛细压力水头值都有不同程度的减小,说明在Triton X-100存在的情况下,驱替出同样数量的湿润相体积所需的毛细压力值较小.以van Genuchten关系式为基础的拟合结果表明,在已知纯水系列毛细压力饱和度关系的情况下,对于Triton X-100-气系统的毛细压力饱和度关系,考虑界面张力降低作用引入折算系数得到的拟合值更接近于真实值;而对于Triton X-100-油系统拟合值接近真实值的程度则随多孔介质的不同而有所不同.     

轻非水相液体在地下环境中的运移特征与模拟预测研究

通过自行设计制备的二维砂箱模拟轻非水相液体(LNAPL)在湿润多孔介质中的渗漏,得出LNAPL在地下环境中的入渗、迁移及分布规律,并利用多相流体理论对其污染机理进行分析.在实验基础上建立模型来预测渗漏的基本特征,即渗流带中污染锋面扩展速度和透镜体的最终形状,预测结果与实测结果较为接近.这种预测模型对控制和治理地下水中LNAPL污染是至关重要的.     

塔中地区中-晚奥陶世碳酸盐陆棚边缘大气成岩透镜体的发育特征

塔里木盆地中部地区中-晚奥陶世碳酸盐陆棚边缘相带中发育4期明显的准同生期大气淡水溶蚀作用和4个旋回的大气成岩透镜体,分别见于不同旋回的礁滩沉积序列顶部,厚度一般为15～50 m,在横穿陆棚边缘相带方向上最大延伸范围可达6～8 km宽.在大气成岩透镜体中-上部发育的厚度几米至20余米的透镜状孔隙层,是目前塔中Ⅰ号断裂构造带中-上奥陶统灰岩孔隙型、裂缝-孔隙型储层和油气藏的主要发育层位.它们在纵向剖面上呈2～4层发育,区域上分布范围广,研究其发育分布特征有重要的勘探意义.     

考虑饱和度修正的应力腐蚀和压力溶解作用热-水-应力耦合过程有限元分析

针对笔者开发的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力（T-H-M）耦合二维有限元分析程序中使用的应力腐蚀和压力溶解模型,引入水饱和度修正因子。以一个假设的位于含水地层中的高放废物地质处置模型,拟定3种初始裂隙水饱和度的计算工况（Sw20=1.0、0.8、0.2）进行热-水-应力耦合的数值模拟,考察岩体中的温度、裂隙开度的闭合速率、闭合量、孔(裂)隙水压力、地下水流速和应力的变化、分布等情况。结果显示,随着初始裂隙水饱和度的由高值到低值,应力腐蚀和压力溶解产生的闭合速率从大变小,裂隙开度由初始值趋于残余值,粗糙面接触率由初始值趋于其名义接触率的时间也增加,裂纹应力强度因子的下降亦变慢;近场的裂（孔）隙水压力的变化、分布及其流速矢量场的形态有明显的不同;3种工况的岩体中的应力量值及分布的差别不大。     

索伦-林西缝合带北缘构造属性：来自内蒙古扎鲁特旗北部寿山沟组变沉积岩及其安山岩透镜体的制约

本文选择扎鲁特旗北部达巴艾勒地区出露的一套下二叠统寿山沟组变沉积岩及其安山岩透镜体作为研究对象,在野外地质调查的基础上,通过岩相学、年代学、岩石地球化学等方面的系统研究,深入探讨索伦-林西缝合带北缘晚古生代的构造属性。下二叠统寿山沟组变质沉积岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年结果显示其最小峰值年龄为282.3±4.2Ma和285.9±5.6Ma,限定了沉积下限为早二叠世,另外还含有少量400~500Ma以及个别700~800Ma、1700Ma的单颗粒碎屑锆石年龄,表明其物源区主要来自于北侧的锡林浩特岩浆弧。碎屑锆石年龄图谱反映其沉积背景为汇聚背景下的弧前盆地。地球化学特征表明寿山沟组变质沉积岩物源主要来自中酸性岩浆岩源区,形成于大陆岛弧环境。该套沉积岩中的晚石炭世安山岩透镜体锆石U-Pb测年结果为304.9±4.7Ma,地球化学特征显示其具有高镁安山岩特征,为俯冲洋壳释放含水流体交代地幔楔发生部分熔融的产物,形成于大陆边缘弧构造背景。综合分析,索伦-林西缝合带北缘在晚石炭世-早二叠世处于洋内俯冲向洋陆俯冲过渡的转换环境。

     

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。     

深厚饱和软土场地中透镜体对上部结构地震响应的影响

工程场地中透镜体对地震动具有明显的影响,且饱和场地与相应干土场地的地震响应具有明显的差别,而目前对于深厚饱和软土场地中透镜体对地震响应的影响还鲜有研究。采用有限元-间接边界元耦合法,建立饱和场地中非线性土-结构动力相互作用模型,对深厚饱和软土场地中透镜体的宽度、厚度和埋深对上部结构动力响应的影响进行了系统地分析,并着重讨论了土骨架-孔隙水耦合作用的影响。研究表明,深厚饱和软土场地中的透镜体可能会明显改变上部结构的动力响应;透镜体的宽度、厚度和埋深对上部结构动力响应有不同程度的影响,且与干土场地中规律存在明显差异;土骨架-孔隙水耦合作用对上部结构动力响应的影响显著。     

二氧化碳在砂岩透镜体中充注封存的盖层岩石抗断裂性能分析

把CO2这一主要的温室气体注入到地下深处具有适当封闭条件的地层中进行封存和隔离,已被公认为是有效减少CO2排放量的一种比较安全的技术途径。砂岩透镜体油气藏具有良好的圈闭构造和储层物性,油气濒临枯竭的砂岩透镜体是较理想的CO2地质封存箱。基于币形裂纹模型和水力致裂原理,将纵向厚度和横向展布长度均远小于盖层岩石尺度的水平产状砂岩透镜体简化为盖层岩石中的I型币形裂纹,从岩石断裂力学角度分析封存箱盖层岩石的抗断裂性能。采用叠加原理给出了盖层岩石币形裂纹尖端(砂岩透镜体尖灭部位)应力强度因子的计算公式,在此基础上提出了断裂力学判别准则(K=KIC)和临界有效压应力判别准则(P=PC),从岩石断裂力学角度为砂岩透镜体封存箱盖层岩石抗断裂性能分析和评价提供了一种新的研究思路。     

单裂隙中LNAPL残留特点及残留体对水流运动的影响

轻非水相液体(LNAPL)在变隙宽裂隙中的迁移和残留机理复杂,在"裂隙-水-LNAPL"三相系统中,LNAPL和水流运动之间相互作用和影响,同时两者又共同受到裂隙表面和隙宽的影响和控制。采用27.4 cm×20.0 cm(长×宽)的透明仿真裂隙开展甲苯(地下水中常见的LNAPL污染物之一)迁移试验,监测并获取变隙宽裂隙中LNAPL的迁移过程与残留分布的图像,通过数学统计和数值模拟的方法,分别揭示LNAPL 残留分布规律以及"裂隙-水-LNAPL"系统内的相互影响机制。研究结果表明:自由相的LNAPL主要沿着裂隙中的狭长通道迁移到内部,在隙宽较小的区域有少量孤立的LNAPL液滴残留。LNAPL在变隙宽裂隙中的迁移、残留与裂隙隙宽的分布密切相关,LNAPL残留的隙宽符合正态分布规律。甲苯残留的隙宽分布范围为0.01~1.40 mm,残留最多的隙宽分布在0.20~0.30 mm。LNAPL的残留增大了裂隙内水流运动的阻力,使得裂隙两端的压力差增加。LNAPL残留使裂隙内水流流速重新分布,同时也改变了裂隙原有的沟槽流分布和数量。     

非水相液体污染场地源区自然消除研究进展

污染场地的健康风险和环境地质危害备受关注, 自然衰减被公认是优选修复技术。对存在非水相液体的场地, 源区非水相液体残余导致的“拖尾和反弹”问题对污染场地自然衰减技术提出了挑战。近年来源区自然消除技术的出现丰富深化了自然衰减修复的内涵, 展现了解决“拖尾和反弹”问题的巨大潜力。本文综述了轻非水相液体(LNAPL)污染场地源区自然消除的研究历程和最新成果, 研究显示: ①2000年至今, 自然衰减修复的相关研究逐渐从地下水污染羽衰减转向包气带源区自然消除; ②包气带自然消除过程被证实是源区自然消除的关键生物过程, 占LNAPL总质量损失的90%~99%;③LNAPL挥发过程中的生物降解是源区自然消除的主要研究对象。在以上研究过程中,建立的源区自然消除研究方法：①可分为LNAPL源区-羽识别、定性判断和定量估算三个部分; ②包气带定量评估常用浓度梯度、二氧化碳通量(动态密闭室和静态捕集)和热力学梯度是量化评估的三类方法。综合已有的研究进展和难点, 可以预见, 在未来研究中, 识别源区LNAPL的成分变化、明确源区自然消除的限速因子,以及开发恰当的气体脱气和气泡逃逸观测方法,是源区自然消除修复方法应用推广需解决的关键科学问题。     

基于集合卡尔曼滤波的多相流模型参数估计——以室内二维砂箱中重质非水相污染物入渗为例

重质非水相有机污染物(DNAPL)泄漏到地下后,其运移与分布特征受渗透率非均质性影响显著。为刻画DNAPL污染源区结构特征,需进行参数估计以描述水文地质参数的非均质性。本研究构建了基于集合卡尔曼滤波方法(EnKF)与多相流运移模型的同化方案,通过融合DNAPL饱和度观测数据推估非均质介质渗透率空间分布。通过二维砂箱实际与理想算例,验证了同化方法的推估效果,并探讨了不同因素对同化的影响。研究结果表明:基于EnKF方法同化饱和度观测资料可有效地推估非均质渗透率场;参数推估精度随观测时空密度的增大而提高;观测点位置分布对同化效果有所影响,布置在污染集中区域的观测数据对于参数估计具有较高的数据价值。     

化学氧化技术异位处理地下水非水相有机污染物中试研究

选取某农药厂旧厂区为试验场地,考察化学氧化技术异位处理地下水非水相有机污染物的运行效果。基于小试研究,确定高锰酸钾、高铁酸钾、芬顿试剂以及次氯酸钠4种氧化剂在中试试验中的适宜投加量。中试结果表明,当进水流量为1.0 m^3/h时,不同氧化剂对于常规水质指标及特征有机污染物的去除效果存在差异性。总体而言,四种氧化剂对于中长链石油烃类污染物(C10-C36)的去除率可达20%~70%,但对氯代烷烃类污染物的去除效果低于20%;高铁酸钾和次氯酸钠分别对于苯酚类和多环芳烃类污染物的去除效果较好(70%~100%);芬顿试剂对各类污染物均有显著氧化效果,其中对于短链石油烃(C6-C9,去除率20%~40%)、苯系物(去除率40%~90%)的去除效果高于其他三种氧化剂。研究不同氧化剂对于多组分有机污染地下水的处理效果,为将化学氧化技术应用于此类污染场地提供了理论和技术支持。     

Evaluating Thickness of Bauxite Deposit Using Indicator Geostatistics and Fuzzy Estimation

Evaluating the geological properties of a mineral deposit is a fundamental task for mine planning and it requires an assessment of reserve parameters such as thickness and grade. This paper presents a linguistic model for estimating bauxite thickness within a deposit in a fuzzy environment using indicator geostatistics and fuzzy modeling. The proposed model consists of two main stages: determining the orebody boundary and estimating the thickness. In order to estimate the thickness, a rule‐based fuzzy inference mechanism has been developed based on data statistics. Results and performance of the model have been compared with that of a well‐known conventional technique, geostatistics (kriging), and it is shown that the proposed model has bigger estimation power. In addition, the fuzzy approach is more flexible than the kriging approach. The fuzzy methodology used in the present paper is convenient for modeling reserve parameters.     

Discrimination of Natural Fractures Using Well Logging Curve Unit

It is very difficult to discriminate natural fractures using conventional well log data, especially for most of the matured oUfields in China, because the raw data were acquired with relatively obsolete tools. The raw data include only GR and SP curves, indicative of lithology, AC curves, used to calculate the porosity of the formation, and a set of logging curves from various electrode length resistivity by laterolog. On the other hand, these oilfields usually have a large amount of core data which directly display the characteristics of the formation, and enough information of injection and production. This paper describes an approach through which logging curves are calibrated in terms of the raw data, and then a prototype model of natural fractures is established based on the investigation of core data from 43 wells, totaling 4 000 m in length. A computer program has been developed according to this method. Through analysis and comparison of the features of logging curves, this paper proposes a new concept, the well logging curve unit. By strictly depicting its shape through mathematical methods, the natural facture can be discriminated. This work also suggests an equation to estimate the probability of fracture occurrence, and finally other fracture parameters are calculated using some experimental expressions. With this methodology, logging curves from 100 wells were interpreted, the results of which agree with core data and field information.     

利用正交函数拟合水位流量关系曲线方法探讨

采用挽鱼沟水文站实测流量资料,利用正交函数对该站水位流量关系曲线进行拟合,对选配的各阶曲线进行误差统计与"三项"检验,选取满足水文资料整编规范规定的误差指标与定线精度要求的曲线,并与人工定线的整编成果进行比较分析,说明正交函数拟合曲线能满足水文资料整编要求,能降低劳动强度,提高工作效率和提高整编精度。     

Estimation of emission from an LNAPL contaminated zone considering groundwater recharge

The aim of this work was to develop an easy to handle semi-analytical method to estimate the temporal development of emission from a multi-component LNAPL pool considering groundwater recharge. The presented approach allows the estimation of the total mass flux out of an LNAPL pool into the gas and the water phase, the latter including the mass fluxes from groundwater recharge, advection through and diffusion out of the LNAPL zone. Therefore, the known set of constitutive relationships to determine fluid saturation profiles of 2- and 3-phase systems is extended in this work to account for dynamic conditions due to groundwater recharge. The methodology is applied to a kerosene pool at a former military airfield and it is found that the mass flux due to groundwater recharge dominates the aqueous mass flux from the kerosene contaminated zone. A sensitivity study using field parameters shows, that the apparent kerosene thicknesses observed in monitoring wells and the lithology control mass flux into the gas phase, whereas the mass flux into groundwater mainly depends on the groundwater recharge rate. For the kerosene found at the site, source emission into the soil gas is estimated to last longer than the emission into groundwater, the latter varying between less than 100 and 400 years.     

地下水污染源识别的数学方法研究进展

地下水污染源识别模型可利用有限的观测资料估计污染源位置、污染物泄露强度及其泄露过程,是制定地下水污染修复方案的依据。在阐明地下水污染源识别基本问题基础上,综述了污染源识别研究的两大类数学方法,一类为直接方法,包括反向追踪法和基于正则化的方法;另一类为间接方法,包括基于优化的方法和基于概率统计的方法。同时指出了当前污染源识别数学方法应用中存在的主要问题:地下水污染源识别问题的复杂性、地下水有机污染问题和模型求解效率的低下性。对土壤-地下水的联合管理、基于物联网的地下水污染监测、对非水相流体（Non-aqueous Phase Liquid,NAPL）类污染源识别以及基于图形处理器（GPU）的异构并行计算将是未来研究的重点方向。