溶质入渗土工合成衬垫的化学-渗透特性研究

溶质在土工合成衬垫（GCL）长期入渗过程中具有明显的化学-渗透特性。室内渗透试验表明：阳离子之间的置换效应对GCL衬垫渗透系数影响较大,10 mM的CaCl2溶液使渗透系数上升至2.5×10-11 m/s,而30 mM的CaCl2溶液使渗透系数上升至5.6×10-11 m/s。渗透液体浓度的增加缩短了溶质穿透GCL的时间,且预饱和处理试剂对GCL渗透系数的变化影响较大,采用蒸馏水作为预饱和试剂处理GCL衬垫对其渗透系数的影响明显小于CaCl2溶液;建立了考虑膜效应和离子交换效应条件下溶质运移耦合动力学模型,并对GCL穿透试验过程中溶质浓度的变化进行了预测,仿真计算结果表明,10 mM和30 mM两种CaCl2溶液渗透条件下,Ca2+浓度变化的试验结果和计算结果均相吻合,验证了耦合动力学模型的可靠性;从Ca2+浓度及流量穿透曲线分布可知,化学-渗透效应可有效地延缓溶质的迁移速度。随着溶质浓度的降低,阻滞作用更显著。因此,在分析GCL衬垫中溶质入渗特征时,必须考虑化学-渗透效应的影响。     

地表地下耦合的水量及溶质运移模拟研究进展

地表水与地下水之间存在强烈的相互作用,构建地表水和地下水耦合的水量和溶质运移模型可以揭示地表水和地下水之间的相互作用机制,并提高地表地下水量水质预测的精度。介绍了现有的地表地下耦合的水量及溶质运移模型,对比了各模型的求解方法和适用领域,总结了这些模型的应用现状。其中水量模型中全耦合模型精度较高,是未来模型发展的主流方向,溶质运移模型中溶质反应过程模拟较为欠缺。未来应在优化求解算法、提高溶质反应模拟和加强裂隙介质模拟等方面深入开展相关研究。     

填埋气体运移渗流场-应力场耦合模型及数值仿真

基于流固耦合机制和多孔介质流体动力学理论,根据Landgem产气方程、气体状态方程,结合达西定律、有效应力原理,建立了渗流场-应力场耦合填埋气体运移模型。利用伽辽金方法对模型进行了离散,通过有限元方法对耦合作用下填埋气体压力分布规律进行了数值仿真分析,同时对垃圾填埋变形介质参数以及垃圾降解系数对填埋气体产气量影响进行了定量评价,表明耦合作用下抽气时孔隙结构发生改变,阻滞气体的运移,导致耦合作用较未考虑耦合作用的气体压力低。垃圾填埋气体的产气量小,对变形介质参数和降解系数的定量评价结果表明,垃圾填埋气体的产气量随着渗透系数和降解系数的增大而增加,因此耦合作用不能忽略。这不仅为准确控制气体的挥发与扩散以及气体资源的再利用提供可靠的理论依据,而且对于生态环境的保护和垃圾资源化利用具有重要的理论意义和实际应用价值。     

煤层气运移产出气水固三相耦合模型

根据达西渗流理论 ,结合Langmuir等温吸附定律和Fick第一定律描述了煤层气由煤基质解吸经扩散进入煤层裂隙系统 ,由裂隙运移至生产井筒产出的气水二相渗流过程 ,又将其和由渗流作用引起的煤体变形场耦合起来 ,形成了煤层气运移产出的气水固三相耦合模型 ,并采用全隐式联立求解方法同时隐式求出了气、水产量和饱和度值 ,实现了模型求解的无条件稳定。在沁水盆地 3 # 煤层气井开采潜能的评价预测中 ,应用该方法分别预测了将该井的动液面置于 3 # 煤底和 15 # 煤底的气、水产量 ,效果良好。     

多场耦合作用下致密储层渗流特性研究

储层岩石的渗流特性对致密砂岩储层的评价及开发具有重要意义。为此,研究构建热流固耦合控制方程,采用COMSOL Multiphyics软件,针对准噶尔盆地中部4区块某三维区致密储层不同开采时间下流体渗流速度和地层孔隙压力的分布规律开展了数值模拟研究。研究结果表明,流体渗流速度最大值出现在井口及其周围地区,断层破碎过渡带流体渗流速度高于周围连续地层和断层核部;随着与井口距离的增加,开采过程中流体渗流速度变化规律由先增加后减小最后趋于稳定逐步转化为先缓慢增加后逐步趋于稳定;在开采初期,孔隙压力等压线在井口周围呈环形分布,而后低应力区沿断层的开展方向进行扩展;孔隙压力随着开采时间的增加而不断减小,同时间节点下,距离井口越远,孔隙压力越大且下降幅度越小。研究成果为正确预测开发生产指标,为提高致密油气勘探开发效果提供技术支撑。      

考虑含水合物沉积物损伤的多场耦合模型研究

天然气水合物是一种新型的清洁能源,具有广阔的应用前景。但在水合物开采过程中温压条件的改变会引起水合物的分解,导致含水合物沉积物胶结强度的丧失;同时,沉积物在加载过程中由于其内部微裂纹、缺陷逐渐扩展以及土颗粒间的水合物逐渐破碎也会引发含水合物沉积物的损伤,而以往对于水合物分解过程中多场耦合模型的研究忽略了沉积物结构损伤演化过程及其对耦合过程的影响。因此,基于连续损伤理论,在损伤统计本构模型中引入三参数的Weibull分布和残余强度修正系数,建立起考虑损伤阈值和残余强度影响的含水合物沉积物损伤统计本构模型;进而将本构模型嵌入到水合物分解过程的多场耦合模型中,建立了考虑含水合物沉积物损伤的温度-应力-渗流-化学（THMC）多场耦合数学模型;基于该模型讨论了含水合物沉积物结构损伤对水合物分解过程中沉积物储层的变形、压力、温度等因素的影响规律。通过计算分析发现：含水合物沉积物结构损伤对水合物分解的多场耦合过程具有显著影响,并且随着分解时间的增加,其影响逐渐增大。     

复杂岩体多场广义耦合分析导论

本书以岩体多场广义耦合理论与应用为主题,重点阐述岩体多场耦合机理和耦合模型,提出了考虑结构面峰后力学特性的界面层模型、考虑结构面渗流与变形耦合的广义立方定理,探讨了岩体表征单元体（REV）分析方法及岩体力学参数取值方法,论述了岩体多场耦合的工程作用效应,系统介绍了岩体应力场、渗流场及其耦合的数值模拟方法。本书立足于岩体地质特征与赋存环境研究,注重岩体多场耦合工程作用效应研究,强调岩体多场耦合的模型选择与参考选取;在论述岩体多场耦合机理与数值模拟方面,既以作者及团队的研究成果为主,又力图兼顾国内外的研究现状与主要成果。     

工程地质空间多场耦合构模技术研究

现有的三维地质模拟技术没有考虑地质空间几何结构场与属性参数场之间的耦合关系,从而限制了计算机模拟结果的真实性和实用性。工程地质空间多场耦合构模问题已成为制约三维地质模拟技术深入发展应用的瓶颈。在综合国内外研究现状与发展趋势的基础上,提出了工程地质空间多场耦合构模的总体研究框架和基本工作流程,给出了研究过程中所遇到的主要科学问题的解决思路或实现方案,并通过实例说明地质体多场耦合模型在三维地质建模及可视化系统中初步实现后的效果。这些研究成果为建立一套完整的地质体多场耦合构模理论体系和方法体系奠定了基础,有助于推动工程地质数字化建模分析技术的深入应用。     

一维畦灌施肥地表水流与溶质运移耦合模型——Ⅰ.模型建立

提高畦灌施肥地表水流与溶质运移数值模型的稳定性、收敛性及计算精度,有利于改善地面畦灌施肥系统的设计与评价工作.在利用隐-显混合时间格式对一维畦灌地表水流与溶质运移耦合模型中包含的各矢量项进行时间离散基础上,借助有限差分法、有限体积法和有限单元法分别对由隐时间格式生成的物理矢量线性近似式空间导数、物理矢量空间导数、溶质扩散矢量和地形矢量项进行空间离散,对最终形成的控制方程代数方程组进行数值求解,构建起基于混合数值解法的一维畦灌施肥地表水流与溶质运移耦合模型.     

多场耦合作用下岩体裂隙扩展演化关键问题研究

裂隙岩体热-水-应力（THM）耦合是目前研究的热点和难点。首先总结了裂隙岩体多场耦合的机制、模型、方法及研究内容,并通过分析裂隙对THM耦合的重要控制作用,提出了在THM耦合中考虑裂隙网络扩展演化及模拟的关键问题,同时指出了研究的3个关键点：（1）建立考虑裂隙网络演化的耦合模型;（2）裂隙扩展的数值模拟方法;（3）THM耦合及岩体变形、失稳全过程的数值模拟算法。随后通过对模拟多场耦合和裂隙扩展数值方法的归类比较,重点论述了目前适用于模拟多场耦合下裂隙扩展模拟的各种数值方法（包括有限单元法、无单元法、单位分解法、离散单元法、岩石破裂过程分析方法和数值流形方法）的优缺点,并通过对比研究,推荐采用数值流形方法（NMM）来实现对关键问题的模拟研究。最后,对研究思路和难点进行了初步探讨。     

孔隙尺度多孔介质流体流动与溶质运移高性能模拟

深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体(分辨率3.7μm)为研究对象,在空间节点数多达64 000 000的情况下,基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数,并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现,结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD(即10^-13m^2)量级,远低于规则堆叠的圆球结构(>20 000 mD);土壤的迂曲度为1.40~1.60,明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明,渗透率大的样品具有较小的迂曲度,这与结构的空间异质性有较强的关系;土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性;在水力梯度一定的前提下,渗透率较大的样品,纵向弥散系数也较大;同时,结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟,可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。     

孔隙尺度多孔介质流体流动与溶质运移高性能模拟

深入探究孔隙尺度下的流体流动特性和溶质运移规律对石油开采、农田养分管理、地下水污染修复有着重要意义。以人工构建的多孔介质结构和同步辐射X射线显微CT扫描的土壤团聚体（分辨率3.7 μm）为研究对象，在空间节点数多达64 000 000的情况下，基于格子Boltzmann模型和GPU并行技术计算得到多孔介质流体运动和溶质运移过程的关键参数，并据此探究多孔介质空间异质性对水力学特性的影响。通过对3组不同结构的多孔介质比较发现，结构复杂程度最高的土壤样品和不规则堆叠的圆球结构的渗透率在100 mD（即10^-13m²）量级，远低于规则堆叠的圆球结构（>20 000 mD）；土壤的迂曲度为1.40~1.60，明显高于规则堆叠的圆球结构。研究结果表明，渗透率大的样品具有较小的迂曲度，这与结构的空间异质性有较强的关系；土壤的渗透率和迂曲度呈现各向异性；在水力梯度一定的前提下，渗透率较大的样品，纵向弥散系数也较大；同时，结构的异质性也会影响溶质的穿透曲线。本研究提出的模拟方法可在土壤结构中进行高效的水流运动和溶质运移模拟，可用于土壤多孔介质在孔隙尺度下的水力学特性研究。     

“泥科学与应用技术”的提出及研究进展

随着社会经济的发展,以淤泥、污泥为代表的各种泥状物产量巨大,接近于城市垃圾的数量。而各种泥的性状及污染物种类非常复杂、多样,经济、安全地进行各种泥的处理和利用已经成为一个重要的问题。各种泥状物虽然种类不同、成分各异,但具有很多共同的物理、化学性质。在处理方面也具有以脱水为主的减量化、以污染物稳定为主的无害化、以改变性质后进行利用为主的资源化的途径上的一致性。此外,泥所具有的一些特殊性质也能够被利用来解决一些特殊的问题。长期以来,各种泥的科学研究和处理技术分布在各行各业,使用的概念、指标不能统一,技术和方法隔离发展,影响了对于泥的基础理论和技术的发展。针对这些问题,提出了建立“泥科学与应用技术”的学科方向,对于泥的主要种类和问题,处理泥中所遇到的热点问题以及几个典型的研究进行了综述,为解决泥的问题进行了分析和总结。     

Simulations of solute transport in fractured porous media using 2D percolation networks with uncorrelated hydraulic conductivity fields

Two-dimensional percolation networks have been used to model a disordered and fractured porous medium. The advantage of percolation networks is that they allow the flow and transport properties of the system to be systematically studied as a function of the connectivity of the fractures and/or the permeable regions. The aim of this research is to study hydrodynamic dispersion in such networks, and to investigate the behavior of the longitudinal dispersion coefficient D_L with binary and log-normally distributed hydraulic conductivity fields. In particular, the study focuses on the behavior of D_L at the percolation threshold p_c, where the insufficiency of flow field homogenization and the limited number of tortuous paths for flow and transport force D_L to behave anomalously, i.e., to be scale- and time-dependent. The simulations indicate that the D_L population taken over a large number of the network realizations resembles a log-normal distribution, hence indicating that, unlike the hydraulic conductivity, D_L is not a self-averaged property whose variance should tend to zero when the size of the system tends to infinity. In addition, it was found that the power law that characterizes the scale dependence of D_L is contingent upon its computation method. Moreover, D_L is found to have a completely different behavior in networks with low and high connectivities.

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Resumen Simulaciones de transporte de solutos en medio heterogéneo utilizando redes de precolación 2D con campos de conductividad no correlacionados. Se han utilizado redes de percolación en dos dimensiones para modelizar un medio poroso fracturado y desordenado. La ventaja de redes de percolación es que permiten estudiar sistemáticamente las propiedades de flujo y transporte del sistema en función de la conectividad de las fracturas y/o regiones permeables. El objetivo de esta investigación es estudiar la dispersión hidrodinámica en las redes mencionadas, e investigar el comportamiento del coeficiente de dispersión longitudinal DL con campos de conductividad hidráulica que tienen distribución log-normal y binaria. El estudio se enfoca particularmente en el comportamiento de DL cuando se alcanza el threshold de percolación pc, donde la insuficiencia de homogenización del campo de flujo y el número limitado de trayectorias tortuosas de flujo y fuerza de transporte DL se comportan de manera anómala, i.e., son dependientes del tiempo y la escala. Las simulaciones indican que la población DL tomada en un número grande en las redes realizadas se asemeja a una distribución log-normal, indicando por lo tanto que, a diferencia de la conductividad hidráulica, DL no es una propiedad auto-promediable cuya variación tienda a cero cuando el tamaño del sistema tiende al infinito. Se encontró además que la ley potencia que caracteriza la dependencia en escala de DL es dependiente del método de cálculo. Más aún, se encontró que DL tiene un comportamiento completamente distinto en las redes de alta y baja conectividad.

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Résumé Des réseaux de percolation bi-dimensionnels ont été utilisés pour modéliser des milieux poreux fracturés et désordonnés. Lavantage de ces réseaux est quils permettent détudier les propriétés découlement et de transport en fonction de la connexité des fractures et/ou des zones perméables. Lobjectif est dappréhender la dispersion hydrodynamique et dinvestiguer le comportement du coefficient de dispersion longitudinal D_L pour des réseaux ayant une distribution des conductivités hydrauliques binaire et log-normale. En particulier, le comportement de D_L a été étudié au seuil de percolation p_c, là où linhomogénéité des vitesses du fluide et le nombre limité de chemins tortueux disponibles pour lécoulement et le transport entraînent un comportement anormal de D_L, à savoir, une dépendance vis-à-vis des échelles de temps et despace. Les simulations montrent que les populations de D_L définies pour un grand nombre de réseaux ressemblent à des distributions log-normales, indiquant que, contrairement à la conductivité hydraulique, D_L nest pas une propriété dont la variance tend vers zéro lorsque la taille du système tend vers linfini. Il a également été trouvé que les lois de puissance qui caractérisent la dépendance déchelle de D_L découlent directement de la méthode de calcul. Enfin, les simulations engendrent un comportement très différent de D_L dans des réseaux faiblement ou fortement connectés.

     

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。     

多孔介质中非均匀流动特性的染色示踪试验研究

通过土壤染色剂进行的4组试验,对不同介质结构条件下的水流和溶质非均匀运动规律,非均匀流动变异信息分布特征关系以及全局性非均匀流动示踪方法进行了研究。结果表明,即使在相对比较均匀的介质条件下,流动也表现出明显的非均匀特性;对数正态分布能够较好的反映水流的运动分布模式,相比水流运动,溶质的运动和分布规律明显不同,表现出更多的不确定性和变异性。     

Experimental study on the velocity-dependent dispersion of the solute transport in different porous media

The hydrodynamic dispersion is an important factor influencing the reactive solute transport in the porous media, and many previous studies assumed that it linearly varied with the average velocity of the groundwater flow. Actually, such linear relationship has been challenged by more and more experimental observations, even in homogeneous media. In this study, we aim to investigate the relationship between hydrodynamics dispersion and the flow velocity in different types of porous media through a laboratory-controlled experiment. The results indicate that (1) the dispersion coefficient should not be a linear function of the flow velocity when the relationship between the flow velocity and the hydraulic gradient can be described by Darcy’s law satisfactorily; (2) Power function works well in describing the dispersion coefficient changing with the flow velocity for different types of porous media, and the power value is between 1.0-2.0 for different particle sizes.     

Experimental study on the velocity-dependent dispersion of the solute transport in different porous media

The hydrodynamic dispersion is an important factor influencing the reactive solute transport in the porous media, and many previous studies assumed that it linearly varied with the average velocity of the groundwater flow. Actually, such linear relationship has been challenged by more and more experimental observations, even in homogeneous media. In this study, we aim to investigate the relationship between hydrodynamics dispersion and the flow velocity in different types of porous media through a laboratory-controlled experiment. The results indicate that(1) the dispersion coefficient should not be a linear function of the flow velocity when the relationship between the flow velocity and the hydraulic gradient can be described by Darcy's law satisfactorily;(2) Power function works well in describing the dispersion coefficient changing with the flow velocity for different types of porous media, and the power value is between 1.0-2.0 for different particle sizes.     

Numerical modeling of the flow and transport of radionuclides in heterogeneous porous media

This paper is concerned with numerical methods for the modeling of flow and transport of contaminant in porous media. The numerical methods feature the mixed finite element method over triangles as a solver to the Darcy flow equation and a conservative finite volume scheme for the concentration equation. The convective term is approximated with a Godunov scheme over the dual finite volume mesh, whereas the diffusion–dispersion term is discretized by piecewise linear conforming triangular finite elements. It is shown that the scheme satisfies a discrete maximum principle. Numerical examples demonstrate the effectiveness of the methodology for a coupled system that includes an elliptic equation and a diffusion–convection–reaction equation arising when modeling flow and transport in heterogeneous porous media. The proposed scheme is robust, conservative, efficient, and stable, as confirmed by numerical simulations.      

Clarification of nonlinear retardation factors for colloid-enhanced transport in porous media

There have been a couple of contaminant retardation factors reported for the three-phase (aqueous, solid, and colloid) groundwater system. However, the retardation factor has often been presented by itself and not incorporated into the relevant transport equation, particularly when derived from the mass fraction approach. This may cause a misunderstanding of the retardation factor especially for the systems where multi-phases exist due to the presence of colloids and/or nonlinear sorption processes are involved. It is, therefore, necessary to clarify the form of the nonlinear retardation factor along with the relevant transport equation in the multi-phase system. Alternative forms of the retardation factor and relevant transport equation for specific conditions are presented in various combinations of the nonlinearity of involved sorption mechanisms. The retardation factors for specific conditions are compared with the ones available in the literature. The results indicate that more caution should be given in applying the retardation factor in order to explore contaminant transport in the multi-phase system where any nonlinear sorption is involved. Finally, presentation of the retardation factor along with the relevant transport equation in this study would help prevent possible misuse of the retardation factor in investigating contaminant transport in the multi-phase system.