"渗流-管流耦合模型"的物理模拟及其数值模拟

井孔 -含水系统问题是当今水文地质学最重要的研究课题之一。长期以来 ,水文地质模型中对井孔的刻画基本上都是引用“热传导”中的“线汇”理论 ,需要人工预先给定线汇 线源的流量或水头的分配 ,其正确性或适用性至今没有得到理论证明。陈崇希 (1993 )提出的“渗流 -管流耦合模型”和“等效渗透系数”在理论上已解决多个水文地质问题 ,也用于几个实例 ,本文再用物理模拟检验其可靠性。论文针对具有典型意义的河床下水平井或傍河垂直井地下水流问题做了砂槽物理模拟 ,并用基于“渗流 -管流耦合模型”和“等效渗透系数”的数值方法仿真模拟了此条件下地下水流的规律。成果表明 ,数值模拟观测孔水头动态相当好地再现了物理模拟结果。论文指出了“渗流 -管流耦合模型”和“等效渗透系数”在井孔 -含水系统问题上的广泛应用前景。     

井孔-含水层系统数值模拟方法研究进展

目前"井孔-含水层"系统处理的三种主要方法:基于线汇理论的井孔模拟、高渗透系数法和渗流-管流耦合模型,评述了各种方法的优缺点,重点指出了传统线源(汇)法理论上的缺陷及实际应用中的局限性。概括了MODFLOW,TOUGH2,FEFLOW等地下水数值模拟软件对井孔含水层模拟的方法;应加强井周小尺度水流水质的精细研究,并研究井周水流运动对水质的作用,以及对大尺度地下水模拟的影响。     

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.      

三维地下水流中常规观测孔水位的形成机理及确定方法

对地下水三维流中常规观测孔中水位的传统计算方法提出质疑, 认为计算观测孔中水位的Hantush Бочевер方程是缺乏物理基础的纯数学方法.分析了形成观测孔中水位的机理, 提出三维地下水流中常规观测孔中只是孔口的流量为零, 而孔内却存在"抽水"和"注水"的井孔; 多层井(multilayerwell) 不一定要求"多层"的条件, 在均质单一含水层中的井孔可以具有多层井的基本特征; 混合井孔的水位并不"混合", 混合观测孔中存在符合机理的水头分布和流量分布规律等观点.普遍而言, 三维流中的观测孔不能用通常所说的线汇/线源刻画, 也不能用近几年提出的孔内为层流(线性流) 的假定来研究该问题, 然而可用笔者于1993年提出的"渗流-管流耦合模型"和"等效渗透系数"方便、有效地模拟.就说明性算例而言, Hantush Бочевер方程只能近似用于孔径大于0.2m且径距大于10~20m的条件.      

张家川水源地渗流井允许开采量的数值模拟计算

在分析渗流井的结构与水流特征的基础上,通过引入等效渗透系数,结合当地地质、水文地质条件,构建渗流井取水的“渗流-管流”耦合模型,用于神木县张家川傍河水源地渗流井取水工程。确定水源地的布井方式与开采方案,计算水源地的平、枯水期允许开采量。结果得出：干水期允许开采量为35500 m3/d,枯水期允许开采量为11800 m3/d。     

渗流-管流耦合模型及其应用综述

含水层-井孔水流问题是水文地质学中最重要的基础性研究课题之一。长期以来水文地质模型中对井孔的刻画基本上都是引用"热传导"中的"线汇"理论,需要人工预先给定线汇的流量或水头分配,其普适性至今没有得到证明。针对地下水混合井流模拟提出的"渗流-管流耦合模型"和"等效渗透系数"的概念、方法,不仅解决了混合抽水试验求取分层水文地质参数、预测分层地下水降落漏斗等问题,更重要的是提出的模型和方法具有一定的通用性,已被用于模拟水平井、自流井、观测孔等,并发展为岩溶管道-裂隙-孔隙三重空隙介质地下水流模型。"渗流-管流耦合模型"和"等效渗透系数"方法不仅得到现场试验的应用性验证,也通过物理模拟得到了检验。     

渗流-水平井流耦合数学模型和数值模拟

在有侧向流入(流出)的水平井流运动和连续性方程的基础上,建立了渗流与水平井流耦合数学模型,主要针对混合水头损失问题,进行了渗流与水平井流耦合数值计算,分析了常用的摩擦系数修正方法对计算结果的影响。数值模拟计算表明:层流或者光滑紊流流态时,不同的摩擦系数修正方法对结果影响较小;粗糙紊流流态时,不同的摩擦系数修正方法对结果影响较大。当水平井流是层流-光滑紊流流态时,使用了一种新的流态分界点识别方法对水平井流态进行判断,计算结果证实了方法的可靠性、合理性。     

裂缝性低渗透油藏流-固耦合数值模拟

根据低渗裂缝性砂岩油藏的储层特征,建立适合裂缝性砂岩油藏渗流的等效连续介质模型;通过实验得出有效压力改变对储层孔隙度、渗透率影响的规律;考虑低渗透油藏渗流时启动压力梯度和低渗储层的流-固耦合特性,将渗流力学与弹塑性力学相结合,建立起适合低渗透油藏的流-固耦合渗流数学模型,并给出其数值解.在黑油模型和弹塑性有限元程序的基础上,编制了计算低渗透油藏流-固耦合渗流的计算软件.通过数值模拟和不考虑流-固耦合时的计算结果相比,可以看出低渗油藏中流-固耦合效应十分明显.     

连续墙周期的地下水渗流特征及数值模拟

本文以上海市彭越浦泵站降水工程为例，分析了连续墙周期地下水的渗流特征：上部地下水不连续，底部地下水连续，呈三维流态。根据场地的工程地质与水文地质条件，提出了粘弹性越流含水层组三维渗流数学模型，并进行了数值模拟。计算的结果基本上反映了连续墙周期地下水三维流特征。     

基于区域分解法的地下水有限元与边界元耦合模型—淄博市王旺庄水源地地下水数值模拟

区域分解法（DDM）是20世纪90年代兴起的一种求解偏微分方程的新方法，方法本身独到的耦合思想和高效的并行计算机理，对于求解复杂的、大型的地下水问题具有相当的优势和广阔的应用前景。本文以淄博市王旺庄水源地地下水流模型为例，应用重叠型区域分解法（DDM）构造了边界单元法（BEM）与有限单元法（FEM）耦合模型，在两种数值方法各自优点的基础上，更形象地再现了实际水文地质原型，有效地消除了人为边界造成的流场失真。     

准等时距QGM(1,1)模型分段预测法及其在草炭土路基沉降预测中的应用

利用传统非等时距模型预测草炭土路基沉降时,存在计算繁琐、中短期预报精度低等缺点,尤其是当沉降曲线存在斜率突变点时,采用该模型很难达到预测精度的要求。针对以上不足,对非等时距时间序列进行平均步长换算,得到准等时距序列,利用线性插值法对原始沉降数据进行修正,得到改进后的准等时距QGM(1,1)预测模型,并将沉降曲线在斜率突变点处分成两部分进行分段预测。实例计算表明:采用改进后的准等时距QGM(1,1)模型预测草炭土路基沉降,两段的预测值平均误差分别为2.99%和0.25%,均远远小于传统非等时距模型,且具有很高的中短期预测精度,可以为工程沉降控制提供可靠参考。     

Application of a Simulation Model for the Formation of Methane Hydrate to the Nankai Trough and the Blake Ridge: Natural Examples of Two End-member Cases

Abstract. Simulation experiments with a one-dimensional static model for formation of methane hydrate are used to demonstrate models of hydrate occurrence and its generation mechanism for two end-member cases. The simulation results compare well with experimental data for two natural examples (the Nankai Trough and the Blake Ridge).
At the MITI Nankai Trough wells, the hydrate occurrence is characterized by strongly hydrated sediments developing just above the BGHS. Such occurrence can be reproduced well by simulation in which the end-member case of upward advective fluid flow from below the BGHS is set. The strongly hydrated sediments is formed by oversaturated solution with free gas which directly enters the BGHS by the upward advective fluid flow. The recycling of dissociated methane of preexisting hydrate also contributes to the increase of hydrate saturation.
At the Site 997 in the Blake Ridge area, the hydrate occurrence is characterized by thick zone with poorly hydrated sediments and no hydrate zone developing above the hydrate zone. Such occurrence can be reproduced well by simulation in which the end-member case of in-situ biogenic production of methane in the sediment of methane hydrate zone is set. The distribution pattern of hydrate saturation is basically controlled by that of TOC. However, the hydrate concentration near the bottom of the hydrate zone is increased by the effect of recycling of dissociated methane of pre-existing hydrate. No hydrate zone expresses the geologic time needed until the local concentration of methane exceeds the solubility by gradual accumulation of in-situ biogenic methane with burial.     

Estimation of Strong Ground Motion Due to Hypothetical Fault Ruptures and Comparison with Recorded Values: The Zakynthos,Western Greece Earthquake of 18 November 1997

In the present study, distribution of the seismic acceleration at base rock level has been computed for the Zakynthos (Western Greece) M_s = 6.6 earthquake of 18 November 1997, using a semi-empirical approach, taking into consideration the shape and dimension of the fault as well as the direction of the rupture propagation. Considering the geological conditions of the region under investigation and a simplifiedamplification factor, the distribution of peak ground acceleration is obtained. The results derived in this study are based on the amplification factors and velocity response spectra observed in Japan. To get more realistic results we also incorporated in our model attenuation factors obtained by using data from earthquakes in Greece. Different sets of results are compared with peak ground acceleration values recorded by instruments installed in the investigated area and the validity of the applied method is discussed.     

山前挠曲盆地沉积相变化对地层对比和气候变化记录的关键控制:模型与应用——以临夏盆地为例

山前挠曲盆地是大陆上最常见的盆地之一,在我国西部和青藏高原及其周边广泛发育,其最大特点是盆地基底在相邻山地冲压下会产生显著挠曲下沉和冲断褶皱,并严格控制了盆地构造和地层与沉积相的发育,是开展新生代尤其第四纪盆地地层以及地层记录的气候变化研究的关键区域。然而该类盆地地层和沉积相变化很大,在开展地层长期气候变化和地层对比研究时容易产生严重的偏差。本文以临夏盆地的精细研究为例,概括出山前挠曲拗陷盆地的构造地层和沉积相时空演化模型,以及它们如何控制地层的对比和古气候记录的产生,以期为我国新生代古气候研究中遇到的大量地层年代争论和古气候记录矛盾的解决提供借鉴。

     

层次分析-多级模糊评判法在贵州普晴锑(金)矿区综合信息成矿预测中的应用

因综合信息成矿预测涉及的控矿因子较多,各度量指标间具有一定的层次性,有些定性指标还具有模糊性特征,高精度和定量化一直是制约其发展的难题。为了实现对研究程度较低的新矿区的成矿预测,并解决上述难题,本文试图将专家的主观判断与精确的数学运算巧妙地融合,将复杂问题及定性指标定量化,使评价过程和评判结果更具客观性,建立一种层次分析-多级模糊评价的成矿预测模型。以贵州大厂锑(金)矿田普晴矿区为例,选取地质、化探和遥感多元致矿信息,基于GIS平台,建立了层次分析-多级模糊评判的综合信息成矿预测模型,最终圈定出锑(金)矿远景区18个,其中Ⅰ、Ⅱ和III级远景区分别有4个、5个和9个。根据勘查验证,预测结果较为客观有效。     

西藏铁格隆南铜(金银)矿床地质特征及勘查模型——西藏首例千万吨级斑岩-浅成低温热液型矿床

铁格隆南矿床(荣那矿段)位于多龙矿集区多不杂斑岩型铜(金)矿的北东中部,铜(金)矿体的主要赋矿围岩为早白垩世中酸性斑岩及早中侏罗统色哇组(J1-2s)复理石或类复理石建造;下白垩统美日切错组(K1m)陆相中基性火山岩建造(110 Ma)覆盖在斑岩-浅成低温热液成矿系统之上,是该矿床得以良好保存的重要原因。通过详细的地质填图、地质编录、岩石地球化学、镜下鉴定、电子探针分析、流体包裹体分析、同位素年代学、岩石地球化学测量、音频大地电磁测深和综合研究,确定了矿体形态整体上为一个似筒状体,铜(金、银)矿体总体呈北东向,控制矿体北东延长约2 000 m,南东—北西向约1 200 m,Cu平均品位大于0.5%,伴生Au品位0.08 g/t,伴生银品位2 g/t左右,单个矿床铜资源量约1 100万吨,远景资源量超过1 500万吨。矿石以典型的细脉浸染状为主,从浅部至深部,金属矿物由铜蓝、蓝辉铜矿、斯硫铜矿、雅硫铜矿、久辉铜矿、斜方蓝辉铜矿及黄铜矿、斑铜矿(微量辉钼矿),主要非金属矿物有明矾石、地开石、高岭石、水铝石、绢云母、石英、硬石膏等组成(图2-17),矿物和蚀变组合显示高硫型浅成低温热液矿体叠加于斑岩型矿体。成矿岩体为120 Ma侵位的花岗闪长斑岩,辉钼矿Re-Os同位素年龄显示斑岩成矿形成于119 Ma左右,明矾石Ar-Ar同位素测年结果为116 Ma左右,表明浅成低温热液型矿化略晚于斑岩型矿化。由于羌塘地体南缘的不断隆升,导致浅成低温热液矿化持续向深部迁移,形成巨厚典型的浅成低温热液矿物组合。流体包裹体研究表明,流体包裹体均一温度显示存在2套明显不同温度的流体,即形成斑岩及其围岩钾硅化与绢英岩化带矿化的中高温流体以及高级泥化带中的中低温流体,高温、高盐度的流体代表了斑岩系统的流体特征,而中低温、低盐度的流体代表了高硫化型浅成低温热液系统的流体特征。铁格隆南矿区的岩体侵位较浅,浅部岩体已经在ZK1604与美日切错组呈角度不整合接触,表明在美日切错组火山岩喷发覆盖于矿体上之前,含矿岩体已经出露地表,根据其估算形成深度(约1.2 km),可以判断在矿床形成之后地壳已抬升了一定高度,斑岩-浅成低温热液系统上部的矿体和独立金矿体可能已被剥蚀。岩石微量元素和稀土元素特征表明,均为高钾钙碱性,富集大离子亲石元素,亏损高场强元素,具弧岩浆地球化学特征;在Y-Th/Ta和Ta/Yb-Th/Yb图解中多龙地区主要侵入岩均位于活动大陆边缘,在Th-Co-Zr/10和Th-Sc-Zr/10微量元素构造图解中,大部分样品落在陆缘弧区域。区域上构造岩浆活动也表明多龙地区岩浆岩形成与班公湖—怒江特提斯洋早白垩世北向俯冲至南羌塘地体之下密切相关,类似于南美安第斯成矿带洋陆俯冲背景下的陆缘弧环境。锆石铪同位素落在球粒陨石与亏损地幔之间,地壳模式年龄相对年轻与多龙地区主要侵入岩一致,表明岩浆主要来源亏损地幔,同时也有部分新生地壳物质的加入,岩浆表现出角闪石源区作为主要源区熔融矿物的特征,表明班公湖-怒江特提斯洋壳俯冲至50~70 km下发生相变,从而导致类似角闪石等矿物脱水引发的楔形地幔部分熔融。短波红外光谱填图和岩石地球化学剖面测量显示在尕尔勤、地堡那木岗还有寻找铁格隆南(荣那矿段)式矿床的潜力,区域找矿潜力极大,多龙矿集区铜资源量可以达到2 500万吨以上。