非均质介质中地下水流动与溶质运移模拟——问题与挑战

对大空间尺度和长时间跨度的地下水流动及污染物质运移进行预测的需求, 使水文地质研究面临异乎寻常的挑战.这些需求来自于对核废料地质储放方法的安全性评价、地下水污染状况评价及其治理方案的选择.流动系统的非均质性是地下水流动及物质运移模拟中最主要的困难之一, 这种困难来自对非均质系统进行特征描述(通过原位观测实现)、概念化及模拟.评述了非均质介质中流动运移模拟的一些重要问题与挑战, 讨论了解决的途径.讨论的主题包括: 动力流动的沟道化, 示踪剂穿透曲线, 裂隙岩石中流体流动的多尺度, 观测的不同尺度, 模拟、预测与非均质性以及系统特征描述和预测性模拟的分析.      

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。     

开展含水层非均质性数据融合研究

提出应大力开展含水层非均质性的数据融合研究。指出应充分吸收利用相邻学科已有的研究成果,从易到难,首先应将军事领域已相对成熟的数据融合技术移植过来,开展孔隙含水层非均质性的数据融合研究。论述了含水层非均质性数据融合研究的主要研究思路和研究内容,并展示了初步研究成果。     

含水层非均质性不同刻画方法对地下水流和溶质运移预测的影响

为探讨含水层非均质性不同刻画方法对地下水流和溶质运移预测的影响,基于非均质含水层砂箱实验,分别用传统等效均质模型、克立金插值和水力层析刻画含水层渗透系数场,并探讨了先验信息对水力层析结果的影响.将不同方法估算的渗透系数场用以预测地下水流和溶质运移过程,以此判断不同方法估算结果的优劣,分析含水层非均质性对地下水流和溶质运移的影响.结果表明:与克立金插值法相比,水力层析法可以更好地刻画含水层非均质性,较准确地预测地下水流和溶质运移过程;钻孔岩心渗透系数样本值作为先验信息可以提高水力层析法估算结果的精度;传统等效均质模型无法准确预测地下水流和溶质运移过程.含水层非均质性的增强将导致溶质污染羽分布形态和运移路径的空间变异性增强,并且优势通道直接决定溶质的分布及运移路径.      

含水层非均质结构的马尔可夫链地质统计方法及应用

针对含水层非均质性对地下水流动和溶质运移模拟的准确性有着重要的影响,但非均质性的刻画十分困难的问题,介绍了马尔可夫转移概率理论方法及其在含水层非均质结构研究中的应用,利用Walther定律建立了三维马尔可夫链,并将该方法用于研究位于山西省介休市龙凤河冲积扇岩相的空间分布规律.结果表明该地区细颗粒具有在垂直方向上向上沉积、水平方向上向外沉积的趋势,细颗粒岩相与粗颗粒岩相之间的关联性强而粗颗粒岩相之间的关联性差.该方法的缺点在于Walther定律的应用可能会增加不确定性.     

基于含水层非均质性随机特征的地下水脆弱性评价

由于地质条件的复杂性,人们所能获取的地质和水文地质资料是有限的,这就导致对水文地质条件的认识具有不确定性,其中以含水层非均质特征最为显著,这对地下水脆弱性评价显然会产生显著的影响。考虑含水层的非均质特性,提出具有非平稳随机场空间相关性的地下水脆弱性评价方法。以南京市江宁区中部地区为例,用改进的连续随机增加方法(Successive Random Additional method,简称SRA)生成了渗透系数对数(lnK),具有分维Levy运动统计特征的随机场,模拟含水层渗透系数可能的非均质空间分布,采用DRASTIC方法进行地下水脆弱性评价。结果表明由此方法生成的渗透系数场变化的程度相对传统的普通克里金方法更加剧烈,更加符合复杂分布的非平稳随机场特征,在此基础上建立的地下水脆弱性评价更加符合客观事实,丰富和发展利用随机理论解决地下水环境问题的理论和方法。     

巨厚非均质潜水含水层抽水试验及参数计算

渗透系数决定了深基坑工程涌水量的估算及止水帷幕的型式,影响工程安全及造价,对富水地区深基坑工程建设具有重大的意义。对于非均质含水层组,现有的解析公式中,很难找到合适的方法计算水文地质参数,特别是垂直方向的渗透系数。通过在现场施作临时止水帷幕,利用帷幕的绕流阻水作用进行抽水试验,模拟基坑开挖过程中的降水问题,再建立水文地质概念模型和地下水流数学模型,并利用三维有限差分数值模拟软件反演出各层渗透系数,最后通过验证性抽水资料对模型进行了验证,为福州一临江巨厚砂卵石地层地铁车站的围护结构设计中地下水控制提供了设计参数。该试验和数值模拟结果可为类似工程参考。     

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。     

非均质含水层中渗流与溶质运移研究进展简

Natural aquifer heterogeneity controls the groundwater flow and solute transport, and how to accurately quantify the flow and solute transport in heterogeneous aquifers has received wide attention by many scholars, and has become a hot research topic in earth science. Theoretically, a systematic review is given by the following aspect: flow and solute transport model, moment analysis, multi scale analysis. The resolved and remained issues for scale conversion in hydrogeology research are pointed out. Secondly, recent advances of heterogeneous field test, uncertainty and velocity connectivity are analyzed. Finally, the geophysical inversion of aquifer heterogeneity, stochastic theory and development of stochastic simulation software, scale conversion and uncertainty of velocity connectivity, and the relationship between heterogeneity and hydrogeological condition on the major four aspects of the future research direction is pointed out.     

基于水力走时反演刻画裂隙含水层非均质性

获取含水层水力参数空间非均质分布信息是研究地下水渗流、地下水污染物运移等诸多地下水问题的重要基础.然而,受常规勘察技术所限,含水层的非均质性难以直接刻画,尤其在裂隙介质含水层中,水力参数分布的非均质性更加突出,进一步增加了刻画的难度.针对该问题,本研究首先通过德国哥廷根大学北校区内的Neutra试验场地进行的64次抽水...     

含水层层状非均质对地下水流系统的影响

区域尺度上含水层非均质具有复杂的结构性和随机性,难以准确刻画,造成非均质对区域地下水流系统的影响机制研究不够深入。本文以鄂尔多斯盆地白垩系地下水流系统为研究实例,选择典型剖面,采用剖面二维随机数值模拟方法,通过对比不同非均质刻画方法下地下水流场的变化,探讨含水层层状非均质对地下水流系统的影响机制。结果显示,均质条件下模型各向异性（含水层水平和垂向渗透系数比值Kh/Kv）取值为1000时,地下水流场与实际条件较为接近;非均质条件下,渗透系数方差取值0.91,水平相关长度取值5000 m,Kh/Kv取值150时,接近实际条件。研究表明,在大尺度地下水流模拟研究中,采用水平相关长度、渗透系数方差和各向异性值三个变量生成的随机场能很好地刻画含水层的层状非均质特征及其对水流系统的影响控制作用。由于含水层不同尺度层状非均质的叠加效应,采用均质各向异性介质等效概化含水层层状非均质性会造成等效各向异性值偏大失真的效应。     

LNAPL在含裂隙层状非均质地层中运移模拟研究

为研究轻非水相流体（LNAPL）泄露后在土壤中扩散情况,基于室内试验,使用TOUGH2软件进行数值模拟,分析探讨含裂隙层状非均质地层中LNAPL的运移及分布情况。并对LNAPL入渗过程及停止入渗并静置一定时间后,不同粒径砂层及裂隙中LNAPL的分布特征及残留含量进行对比研究。在LNAPL泄露入土壤后,优先进入土壤中的裂隙,形成快速通道,使LNAPL的扩散方式不局限于自上而下逐层渗入,同时也从裂隙中向两侧水平扩散,加快了LNAPL扩散入地层中的速度;停止入渗并静置一定时间后,包气带细砂中的LNAPL饱和度大于粗砂中的饱和度,而饱水带中两种砂土中的LNAPL饱和度相差较小。     

非均质土坝稳定性的渗流场和应力场耦合分析

綦于多孔介质的渗流特性和土的非线性本构关系，研究了渗流场与应力场的耦合效应，并针对一实际十坝建立了非线性耦合分析模型，探讨了位于软基之上的非均质土坝的渗流与应力耦合规律。分析结果表明，在渗流作用下，坝休和坝基中渗流与应力的相互作用是不应忽视的，其作用结果将会使土坝、特别足防渗心端附近应力水平和渗透坡降均有不同程度的提高，表明考虑渗流场和应力场耦合作用的计算结果对土坝稳定安全性不利。     

滨海地区分层含水层中陆源溶质运移过程

为更好地保护沿海水环境和水生态功能,亟需探究陆源溶质在滨海分层含水层中的迁移机制。构建二维分层含水层数值模型,采用地下水软件SUTRA-MS模拟分析潮汐作用下陆源溶质在分层含水层中的运移特征。结果表明：(1)与均质含水层相比,弱透水层的存在会延长溶质在含水层中的滞留时间、增大溶质最大扩散面积、削弱溶质在水平方向和垂直方向的扩散程度;(2)弱透水层能够降低陆源溶质向海水排放的最大通量,并且延长溶质排放的持续时间;(3)溶质扩散面积、弱透水层中溶质残余量、水平和垂向扩散程度等对弱透水层水力传导系数和厚度的敏感性优于弱透水层深度。     

一维均质与非均质土柱中溶质迁移的分数微分对流-弥散模拟

分数微分对流-弥散方程(FADE)是模拟溶质迁移问题的新理论,但应用FADE来模拟溶质迁移时能否克服弥散的尺度效应尚待验证。利用长土柱实验资料结合FADE的解析解拟合推求FADE的弥散系数,并分析其与尺度之间的相关关系。研究结果表明,FADE的弥散系数具有随尺度增大而增大的现象,且均质土柱中FADE的弥散系数尺度效应小于非均质土柱中弥散系数尺度效应。在均质土柱中,弥散系数与尺度之间成指数相关关系,在非均质土柱中,弥散系数与尺度之间成幂相关关系。考虑了弥散系数分别与迁移时间和迁移距离呈线性递增两种相关关系,进而分别构建了3种考虑弥散尺度效应的FADE模型,并提出了求解的差分方法。利用上述3种考虑弥散尺度效应的FADE来模拟和预测不同空间位置处的溶质迁移过程。结果表明,对均质土柱中的溶质迁移可得到较好的模拟结果;对于非均质土柱,其模拟结果与实测结果仍然存在一定的差异。     

非均质裂隙介质中重非水相流体运移

由于裂隙介质具有强烈非均质性,使得重非水相流体(DNAPLs)在裂隙介质中的运移行为较孔隙介质更为复杂.基于指示模拟算法模拟裂隙介质的二元变量(粗糙面接触和裂隙开口),综合模拟退火算法构建裂隙渗透率随机场.采用T2VOC模拟DNAPLs在裂隙介质的运移,探讨粗糙面接触的相关长度、各向异性比、倾角以及非均质性程度对DNAPLs运移分布的影响.数值分析结果表明,粗糙面接触的相关性越差,DNAPLs污染范围越大;粗糙面接触的各向异性比和倾角增大,将导致更多DNAPLs残留;而相关长度和各向异性比增大以及倾角减小,都会引起DNAPLs锋面运移速率增大;随着渗透率非均质性增强,会导致局部粗糙面接触上蓄积的DNAPLs饱和度增大,运移速率减小.     

含水层中考虑水—岩间阳离子交换的溶质运移方程

导出了能反映含水层中水—岩间阳离子交换作用的溶质运移方程,并提出了一个新的海水入侵数学模型.模型以交换阳离子Na+和Ca2+作为模拟因子,考虑了海水入侵过程中水—岩间的Na+—Ca2+交换,模型用于模拟山东省龙口市黄河营地区的海水入侵,取得了令人满意的结果,从而证明导出的溶质运移方程是正确的,建立的模型是可靠的.     

锶、铀在非均质含水层中迁移特性试验研究

对于地下水流场及其参数分布无序的非线性问题,污染物在其迁移便不可能服从对流-弥散方程所描述的规律。那么,锶、铀在非均匀介质中迁移会发生什么样的异常变化是提出地下水污染预测方法与模式的前提。根据野外调查的水文地质特征,设计出模拟迁移的试验研究的模式系统。试验表明,非均质试验柱的迁移曲线与均质的迁移曲线,总体特征有显著区别;透镜状和盲洞型非均质对迁移的影响及其环境效应是双向的,即有利面是降低了污染强度,且可降低10%～30%;不利面是延长了污染作用的时间,使污染作用时间延长3～5倍。另外,合理地解释了所谓“双峰”和“多峰”迁移曲线机制。     

饱和非均质介质中PCE的运移分布与修复研究

重非水相液体(DNAPLs)泄漏进入土壤-地下水环境成为长期污染源,给人类健康及生态环境带来严重威胁。将四氯乙烯(PCE)作为特征污染物,通过二维砂箱实验探究饱和非均质介质中PCE的运移分布,及Tween 80溶液对PCE的去除效果。采用透射光法监测运移与修复过程,定量评估PCE的修复效率。结果表明,由于PCE无法克服毛细压力,在低渗透性介质上方聚积污染池;由于拉断效应,PCE在运移路径上以离散状形式存在。离散状PCE与Tween 80溶液的有效接触面积大,易被优先溶解去除,控制着修复效率。Tween 80溶液对离散状PCE修复效果显著,可作为有效的修复溶剂选用。