当代地下水科学面临的新问题(下)

4．等价的多孔介质性质裂隙网络中溶质机械弥散研究的基本问题之一,是要确定一个把给定的裂隙系统处理为一个等价的均质的多孔介质连续体的方法。在多孔介质中,达西定律通过处理多孔介质为等价的连续体介质而使得计算介质中的宏观流量成为可能。等价多孔介质的流体运动特点可以用两种方式来分析。首先根据图12上的边界条件所构成的流场为等价的多孔介质性质进行单独的计算。然后,方向流动由在不同方向上的综合流动结果来分析。在多孔介质中,各向异性的特点可以根据唯一的渗透系数向量来计算。     

分析一维砂柱弥散试验数据的相关系数极值法

针对现有分析室内一维砂柱弥散试验数据,确定多孔介质纵向弥散度的方法,在考虑介质对示踪剂的吸附作用的情况下不能应用的问题,对描述一维、稳定渗流与连续定浓度注入示踪剂的砂柱弥散试验的近似解析解进行反函数变换,利用相关系数极值法的原理,建立了在多孔介质与示踪剂间为均衡吸附条件下,可计算多孔介质纵向弥散度与阻滞系数的方法.而且,这种方法在多孔介质的有效孔隙率为已知的情况下,还可计算出多孔介质对示踪剂的吸附系数.     

多尺度非均质多孔介质中溶质运移的蒙特卡罗模拟

探讨了将蒙特卡罗(Monte Carlo)方法应用于多尺度非均质含水层中溶质运移模拟的方法。所研究的含水层由两种具有不同渗透系数统计特征的多孔介质所组成,每一种多孔介质是非均质的,且其渗透系数场符合平稳假设,而整个模拟区的渗透系数是非平稳的。Monte Carlo方法要求参数是平稳的,因此,分别对两种多孔介质产生若干随机渗透系数场后,用两种方法进行组合,并进行溶质运移的模拟计算。通过对计算结果的分析,综合考虑计算精度、计算时间等因素,得出了处理多尺度非均质多孔介质中溶质运移问题的较好方法。     

多孔介质油水两相k~s~p关系数学模型的实验研究

数学模型是研究相对渗透率与饱和度关系曲线的重要方法。采用自行开发设计的人工平面多孔介质模型,测定了相对渗透率与饱和度的关系曲线。多孔介质选择粒径为0.5~1mm、1~2mm的标准砂,纯净的水为湿润相,用3号苏丹红染色的93#汽油为非湿润相,组成多孔介质油水两相流动系统。采用Van Genuchten and Mualeum(VGM)和Brooks-Corey-Burdine(BCB)两种数学模型计算相对渗透率与饱和度的关系曲线,通过比较两种数学模型计算结果之间和模型计算结果与实测结果的差异以及模型的应用、多相渗流系统自身特征,得出VGM、BCB两种数学模型计算结果符合实际情况,VGM模型应用过程更为简便,但VGM模型具有一定适用条件;在砂性多孔介质中,BCB模型计算相对渗透率与饱和度关系曲线更准确。     

多孔介质非饱和导水率预测的分形模型

多孔介质非饱和导水率是地下水污染预测与评价的重要参数。根据分形几何的基本原理和方法,推导出了与Campbell经验公式在形式上完全一致的多孔介质非饱和导水率的预测公式。公式中的幂指数为介质孔隙分维和随机行走分维的函数,分别体现了多孔介质的静态性质与动态性质对其中水分运动的影响,但静态性质的影响是主要的,即导水率主要受多孔介质的结构控制。根据文献中报道的大量数据,利用笔者推导的预测公式计算得到的幂指数的统计值与试验测定的幂指数的统计值基本一致,说明推导的理论公式预测多孔介质非饱和导水率是较为可靠的。     

基于分形方法的多孔介质有效应力模型研究

在充分分析国内外多孔介质有效应力研究基础上,针对石油工程中深层岩石复杂结构特征,应用分形几何理论,分别建立了深层多孔介质岩石有效应力的二维和三维分形计算模型。该模型能反应任意孔隙结构下的应力作用关系,是现有相关有效应力模型的补充和完善。为了现场应用方便,进一步给出多孔介质有效应力分形模型的简化式。实例计算表明,应用简化式计算的有效应力值误差在7％以内,可以满足油田现场的要求,并且应用简化式有利于应用测井数据获得连续的有效应力剖面。     

含液各向异性多孔介质应变局部化分析

工程中的含液多孔介质如饱和或非饱和岩土材料往往具有各向异性特性。采用Rudnicki建立的针对岩土材料的各向异性本构模型,对轴对称压缩试验中的含液多孔介质骨架的各向异性力学行为进行了分析;基于不连续分叉理论,导出了静态非渗流条件下处于轴对称应力状态的含液多孔介质应变局部化发生的临界模量、剪切带方向以及不连续速度矢量的显式表达式,在此基础上计算并讨论了材料参数变化和孔隙液体存在对各向异性多孔介质应变局部化的影响。     

松散砂粒孔隙结构、孔隙分形特征及渗透率研究

多孔介质孔隙结构特征是决定流体微观运移机制的重要方面。文章用环氧树脂固结松散石英砂磨制出二维多孔介质薄片,并用孔隙结构图像处理方法提取出孔隙结构参数信息;根据孔隙结构参数,建立描述孔隙结构的分形几何模型,分析松散地层孔隙结构的分形特征;进行多孔介质渗透率的实验测量和分形计算。结果表明:多孔介质的孔隙率和孔径与粒径之间存在线性相关性,拟合度分别达到-0.976 5和0.996 6;在方格边长ε和含有孔隙的格子总数N(ε)的双对数坐标系中,lnε-lnN(ε)数据点近似成直线,且不同样品的孔隙分布分维数值比较接近;而在孔径r与大于该孔径的孔隙总数N(r)的双对数坐标系中,lnr-lnN(r)的数据点必须进行分段回归分析,以便能更好地反映孔隙结构的实际情况;孔隙分布分维数和孔径分维数与粒径也存在较高的对应关系;中砂渗透率的实验测得值是5.19×10-5mm2,孔径分维数分段回归法计算的大孔隙多孔介质渗透率为5.75×10-5mm2,测量值与计算值较为接近,孔径分维数可以计算多孔介质的渗透率。     

渗流的PFC-CFD耦合细观数值模拟

本文针对饱和多孔介质中渗流特点,在分析渗流连续介质力学模型的基础上,采用描述多孔介质中固相颗粒和液相流体耦合的细观力学模型,其中固相颗粒采用离散元的颗粒流理论(PFC)模拟,液相流体通过求解平均Navier-Stokes方程的计算流体动力学(CFD)技术计算,并利用建议的模型对二维渗流问题进行了模拟验证。数值模拟结果表明,采用PFC-CFD耦合细观力学模型能够描述从低雷诺流到高雷诺流范围很大的流体运动,可以用于多孔介质中的渗流问题分析。     

利用机器学习从切片的孔隙结构特征预测多孔介质渗透率

利用机器学习模型预测多孔介质的渗透率是当前孔隙尺度模型的关键研究方向之一。由于三维多孔介质数据无法直接应用于经典机器学习模型,对孔隙空间结构进行特征提取是有必要的。深度学习模型作为经典机器学习模型的进阶,在多孔介质三维数字图像预测渗透率方面取得许多成功,但模型的计算成本相当高。该研究提取多孔介质切片的孔隙结构特征,将数字图像转化为多维向量并作为机器学习模型的输入,在减少数据输入量、大幅度提高训练效率的同时,模型保持了出色的预测能力,其中长短期记忆神经网络（LSTM）的预测结果最佳。     

多尺度有限单元法求解非均质多孔介质中的三维地下水流问题

应用多尺度有限单元法模拟非均质多孔介质中的三维地下水流问题。与传统有限单元法相比，多尺度有限单元法的基函数具有能反映单元内参数变化的优点，所以这种方法能在大尺度上抓住解的小尺度特征获得较精确的解。在介绍多尺度有限单元法求解非均质多孔介质中三维地下水流问题的基本原理之后，对参数水平方向渐变垂直方向突变的非均质多孔介质中的三维地下水流和Borden实验场的三维地下水流分别用多尺度有限单元法和传统等参有限单元法进行了计算，结果表明在模拟高度非均质多孔介质中的三维地下水流问题时，多尺度有限单元法比传统有限单元法有效，既节省计算量又有较高的精度；在模拟非均质性弱的多孔介质中的三维地下水流问题时，多尺度有限单元法虽然也能在大尺度上获得较为精确的解，但效果不明显。     

渗流场分析及其在多孔介质中的应用

本文讨论了复杂地质环境中渗流场的反分析问题，利用地下水流数值模拟结合最优化技术，通过对地下渗流场的模拟和寻优，求得描述地下含水介质非稳定渗流场的重要参数－－渗透系数和给水度的模型解，并应用于各向同性的多孔介质渗流场反分析实例中。     

含软夹层的层状沉积河谷场地的地震动力响应分析

把层状沉积河谷场地中的软夹层模拟为流体饱和多孔介质,结合已有的对单相弹性固体介质、流体饱和多孔介质进行动力反应分析的显式有限元方法,建立了既能描述沉积河谷谷底的软土场地（用流体饱和多孔介质描述）,又能描述河谷周边山体（用单相弹性介质描述）的计算模型,并利用该方法分析了研究在P波入射下软夹层厚度以及软夹层的刚度等因素对层状沉积谷场地地震动力响应的影响。     

毛细管渗流模型在黄土渗透性中的应用探讨

黄土作为一种典型的多孔介质,多孔性是其重要特性之一。多孔性不仅影响着黄土的物理力学及化学特征,也严重影响着黄土的水理性质,特别是黄土的渗透特性。然而,作为多孔介质渗流理论的经典模型——毛细管模型,已经广泛应用于油气田开采、煤成气开采以及岩土工程等领域,但将多孔介质渗流理论模型引入表征黄土的多孔构造,这方面的资料尚欠缺。因此,本文以黄土的渗透性作为研究示例,在总结分析目前相对较为成功的多孔介质毛细管渗流模型的基础上,选取适于定量表征黄土渗透性的渗流模型,结合计算结果和渗透试验结果的对比,探讨将多孔介质毛细管渗流模型引入描述黄土渗透性这一方法的适用性。并提出孔隙的“香肠”构造（或称为“莲藕”构造）,为黄土的渗透性研究提供可借鉴的理论依据。     

多孔介质渗流力学理论研究现状及发展趋势

多孔介质广泛存在于地下岩土结构、工程材料、生物体中,由于多孔介质微结构的复杂性,多孔介质渗流问题受到广泛关注。总结介绍了多孔介质渗流理论在国内外的研究现状,对多孔介质的描述、渗流问题的研究方法以及多孔介质中溶质运移、热量运移以及数值模型等方面的研究进展作了评述,并就多孔介质渗流理论在环境、农业、生态等领域的应用与发展方向提出看法。     

封闭系统中多孔介质甲烷水合物的CT实验研究

阐述了在封闭系统中的查理模型,建立了利用查理定律计算分析甲烷水合物生成和分解的方法。通过实验,对封闭系统中不同含水量多孔介质甲烷水合物生成、发育和分解的实验方法、相平衡条件、生成量关系等进行了探讨。在一定温度差的介质里,水分克服重力向冷端迁移并生成水合物。实验中利用查理数的改变计算水合物的生成量变化,连通性好的含水多孔介质有很好的水—气结合条件,达到平衡条件后迅速生成水合物,在240分钟内完成,含水量线性地影响甲烷水合物的生成量。同时,利用CT扫描方法直接观测含水粗砂在低温—高压环境下的甲烷水合物生成和分解过程,并可以利用CT图像数据计算出多孔介质中水分迁移、区域密度改变和砂体的移动、及分解后介质密度分布变化特征。     

考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制

浆液在多孔介质中的扩散路径对渗透扩散范围和注浆效果具有非常重要的影响。采用理论分析,以分形特征与宾汉姆流体在多孔介质中的渗流运动方程为基础,揭示了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制,并利用团队前期开展的渗透注浆试验对其进行了验证。分析了多孔介质孔隙率、宾汉姆水泥浆液水灰比、多孔介质渗透系数、注浆压力、地下水压力等对扩散半径的影响变化规律。同时,基于Comsol Multiphysics平台,采用计算机编程技术二次开发得到了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制的渗透注浆三维数值模拟程序,并以此开展了宾汉姆水泥浆液在多孔介质中渗透扩散形态效果的数值模拟。研究结果表明：与不考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆球形扩散公式获得的扩散半径理论计算值相比,采用考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制得到的扩散半径理论计算值更接近试验值。该研究成果可为实践注浆工程提供一定的理论支撑。     

多孔介质渗透率的分形描述

针对土壤、岩石等多孔介质结构的复杂性,从其结构形成的物理机制和达西定律出发,利用分形几何理论,将土壤等作为在统计意义上具有分形特征的多孔介质来研究其水力参数与结构之间的关系,建立了饱和多孔介质渗透率与其分维数之间的定量化的函数式。试验应用扫描电镜法研究了多孔介质断面微结构并算出分维数。试验结果表明:利用该模型预测的多孔介质渗透率与实测值基本吻合,能够比较精确地预测多孔介质水力参数。     

流体饱和两相多孔介质动力反应计算分析

基于流体饱和两相多孔介质的弹性波动方程组,运用显式逐步积分格式与局部透射人工边界相结合的时域显式有限元方法对该波动方程组进行求解,对两相介质在输入地震波作用下的弹性动力反应进行计算和分析;对在是否考虑孔隙流体渗流的两种情况下计算得到的两相介质弹性动力反应结果的差异进行对比研究,从而揭示孔隙流体渗流对两相介质动力反应性质的影响。计算结果表明：两相介质弹性动力反应时程的波形与入射地震波的波形相同,且弹性动力反应的峰值出现的时刻对应于入射地震波的峰值出现的时刻;孔隙流体的渗流将对两相介质的弹性动力反应性质产生显著的影响。数值计算同时表明,时域显式有限元方法是进行流体饱和两相多孔介质弹性动力反应计算分析的一种有效的方法。     

非饱和土热湿耦合传输问题的数值解——理论及一维问题的解

本文介绍了求解非饱和土壤中热量和水分耦合传输问题的一种数值方法——积分有限差分方法(IFDM)。基于菲利普-迪弗瑞斯(Philip-De Vries)多孔介质热湿耦合流动模型,采用积分有限差分方法,编制了求解热湿传输问题的计算程序 HM1,该程序可用于求解各类工程中遇到的多孔介质一维传热传湿问题。文中还给出了计算结果与实测结果相比较的实例。