河流与地下水关系的演化及若干科学问题

河流和地下水之间存在着密切的水力联系和频繁的转化关系。近几十年来,受自然因素和人类活动的影响,河流与地下水之间的转化关系趋于复杂化,引起水循环的变化,诱发了一系列生态环境负效益,使水资源及生态问题突显,其中河流与地下水关系及其演化是河流与地下水相互作用中重要问题之一,是属于河流维持机理与地下水可再生能力的基础研究内容。笔者在对河流与地下水转化关系类型划分的基础上,依据室内和野外试验资料,结合地质、水文地质条件,分析了各类型的渗流特征和影响河流与地下水关系演化的因素;从国内外研究现状出发,分析了当前该领域存在的不足和急待解决的有关科学问题,为定量模拟和评价河流与地下水的演化关系提供了科学依据。     

河北廊坊南部地区地热水化学特征及成因机制

地热资源的开发利用带来了良好的经济效益和社会价值,但不合理地开发利用地热资源,会对地表水及浅层地下水造成重大污染。通过水化学分析和水文地球化学模拟手段,分析了廊坊南部地区地下热水水化学特征及水质的成因机制。研究表明：新近系孔隙热储中,明化镇组热储地下热水主要水化学类型为HCO₃-Na型、HCO₃·Cl-Na型;馆陶组热储地下热水水化学类型以Cl-Na型、Cl·HCO₃-Na型为主,该层水力联系较好,地热水径流区内主要水岩作用为硫酸盐、硅酸盐矿物的溶解作用,以及阳离子交替吸附作用。基岩裂隙热储地下热水水化学类型为Cl-Na型,该层水力联系较弱,阳离子交替吸附作用是水化学演化的主要水岩相互作用。基于PHREEQC的水文地球化学定量模拟,揭示了地质背景、水文地质条件及人类活动因素共同控制的地下热水的流场和水岩相互作用的程度,在研究廊坊地区地热水水化学演化机理及地热水动态特征方面具有一定的意义。     

水力封堵型煤层气藏判识条件分析

从宏观和微观两个方面分析了不同条件下煤层气的赋存特征,总结出水力封堵型煤层气藏的判识条件。研究表明,宏观上,可以通过煤储层边界的物理性质进行判识,在煤储层与地下水连通的基础上,分析断层、岩性、地下水三者之间的组合对水力封堵型煤层气藏赋存所起的作用,将水力封堵型煤层气藏划分为地层-水力封堵型、开放性断层-水力封堵型、封闭性断层-水力封堵型、岩性-水力封堵型、开放性断层-岩性-水力封堵型五种类型;微观上,主要通过煤储层流体的化学性质来判识,包括水的矿化度、水化学类型、甲烷碳同位素等三个方面,通常水力封堵型煤层气藏的地层水矿化度低于1 000mg/L,甲烷碳同位素较轻,且水化学类型为NaHCO3型、Na2SO4型或为NaHCO3和Na2SO4混合型。     

球状风化花岗岩类土质边坡土-岩界面优势流潜蚀特性研究

受降雨作用,球状风化花岗岩类土质边坡的土-岩差异风化界面极易演化为优势渗流通道而发生渗流潜蚀,进而加速该类边坡的变形失稳,然而当前有关其渗流潜蚀作用特征、细颗粒迁移规律等的研究仍鲜见开展。基于多孔介质非饱和渗流理论,综合考虑细颗粒运移、潜蚀启动响应与非饱和渗流的耦合关系,提出一种可准确描述土-岩界面渗流潜蚀过程的数值计算框架。采用有限元方法,构建优势流作用下非饱和花岗岩残积土的渗流潜蚀模型,并以均质土柱的渗流潜蚀过程为参考,系统研究3种典型土-岩界面埋藏状态下的优势流潜蚀特性。结果表明：球状风化花岗岩类土质边坡的土-岩界面与基质渗透性存在高度差异性,湿润锋形成向下凹陷的渗透漏斗,且随着降雨的持续,湿润锋的凹陷程度愈发明显;细颗粒流失程度与土-岩界面的埋藏状态相关,其中下填土体工况的优势流潜蚀最为显著,其界面处甚至出现超孔隙水压力,最不利于该类边坡的稳定性。研究成果可为降雨条件下球状风化花岗岩类土质边坡稳定性的准确评价提供科学依据。     

水文地球化学模拟在地下水化学成分形成过程研究中的应用

为进一步探究和田河流域绿洲区地下水化学演化规律,采用水文地球化学模拟法定量分析该区地下水化学成分形成过程。以绿洲区1980、2014和2017年地下水化学检测数据为基础,运用PHERRQC软件建立反向水文地球化学模型对水-岩相互作用进行模拟。结果表明：浓缩作用、溶滤作用及阳离子交替吸附作用是控制绿洲区地下水化学成分形成与变化的主要作用,气候条件、地下水动力条件和地层岩性为主要影响因素。由强径流区到弱径流区,水动力条件逐渐变差,岩土溶滤作用逐渐变弱,蒸发浓缩作用不断加强,致使地下水的TDS、TH和主要离子含量逐渐升高,水化学类型以Cl·SO₄·HCO₃-Na·Ca型为主转变为以Cl-Na型、Cl·SO₄-Na型为主。弱径流区内阳离子交替吸附作用显著,改变着地下水中Na⁺和Ca²⁺含量。     

冀中坳陷HS1钻孔沉积物粒度及其沉积环境

对冀中坳陷HS1钻孔沉积物进行粒度分析,综合岩性、年代、生物标志等,探讨了3.5 Ma BP以来以冀中坳陷为代表的华北平原坳陷区的岩相古地理演化过程。结果表明,在新构造运动长期震荡式下降和气候不断变化的条件下,经流水作用改造依次经历了河流相与不稳定浅湖洼地相交替(上新世晚期)、河流相(早更新世)、河流相-片流相-短时洪泛相(中更新世)、河流相和泛滥平原相交替(晚更新世)、泛滥平原相(全新世)5个沉积演化阶段,且沉积物所处环境的水动力条件不断减弱,细颗粒组分不断增加。沉积物粒度颗粒组分含量与碳、氧同位素和孢粉所记录的气候变化具有同趋性,在寒冷干旱气候条件下细颗粒组分含量增加,而在温暖湿润的气候条件下粗颗粒组分含量增加;介于二者之间的气候条件下,沉积物的粒径变化较平缓,粒径区间范围较宽。粒度曲线反映的沉积环境的旋回性变化与孢粉、碳、氧同位素记录所划分的气候冷暖演化阶段耦合性较好,也与华北地区其他钻孔同时期相关记录较一致,这对重建区域古地理环境具有重要意义。     

基于SWCC试验数据的坝体非饱和非稳态渗流与稳定性研究

饱和-非饱和状态是土存在于自然界的真实状态,描述和解释这种状态的非饱和土力学理论在土石坝渗流、污染物传输、冻土渗流相变、边坡和路基稳定性分析等领域有着广泛的应用。非饱和土的土水特征曲线(SWCC)是非饱和土力学研究的基本内容之一,对非饱和土体渗流和稳定性分析至关重要。采用Python语言开发了非饱和渗流与稳定性分析软件包USSA和非饱和土土水特征曲线试验数据处理和模型拟合界面。对非饱和土的土水特征曲线数据进行处理,以模型拟合参数作为基本输入进行非饱和渗流场的模拟,再到非饱和土的稳定性分析,详细呈现了非饱和土渗流与稳定性分析及软件开发的全过程。基于SWCC模型的拟合参数对坝体渗流稳定性进行了分析,分析结果表明水位变化过程中坝体两侧斜坡具有明显不同的稳定性演化规律。当采用有限元强度折减法进行非饱和土斜坡稳定性分析时,最终安全系数为所有边坡安全系数演化曲线的最低包络线。     

岩质顺层边坡的平面滑移破坏机制分析

沿岩层层面的平面滑动破坏是顺层边坡发生最多、规模很大的一种破坏模式,根据其顺层滑移的力学机制将平面破坏分为滑移-拉裂型和水力驱动型两种类型。根据平面刚体模型,给出了滑移-拉裂型滑坡的失稳判据,即滑坡的条件为边坡高度要大于临界高度。地下水在顺层边坡后缘张裂隙和滑动面形成的渗流通道中运动时,对滑体将产生3个方面的力学作用：张裂隙静水压力、滑动面扬压力和拖曳力。根据水力-驱动型滑坡的计算分析表明,边坡后缘张裂隙充水高度直接决定了3种水压力的大小,当张裂隙充水高度达到临界值后,边坡在水压力作用下发生滑移破坏。     

高水力梯度条件下颗粒堆积型多孔介质渗流规律试验研究

煤矿开采面临的水文地质条件越来越复杂,尤其是遭遇承压含水层的水压力越来越大,突水灾害发生时必然会带来高水力梯度引起的破碎岩体突水通道内高速非线性渗流问题。据此,研制高水力梯度（最大600）条件下堆积型多孔介质中高速非线性渗流试验装置,采用堆积型钢球模拟破碎岩体,对粒径为1、2、3、4、5、6 mm共6种光滑钢球分别开展了一维均质圆柱渗流试验。试验结果表明：对于由1～6 mm钢球堆积而成的孔隙率为0.44～0.45的多孔介质,当水力梯度大于145时,通过分析水力梯度-平均流速（J-v）曲线和水力梯度-雷诺数（J-Re）关系曲线,将流动状态划分为3个模式：线性层流、非线性层流、紊流,并获得了从线性层流过渡到非线性层流的临界流速为0.23～0.78 cm/s、临界水力梯度为3～8;从层流到紊流转捩的临界流速为1.6～4.8 cm/s、临界水力梯度为90～145。从小粒径多孔介质到大粒径多孔介质的渗流过程中,临界流速越来越大,而临界水力梯度逐渐减小。 渗透率与粒径的平方、非达西流影响系数与粒径的倒数均呈线性正相关,非达西流影响系数随着渗透率的增加呈指数减小。该研究对多孔介质非线性渗流的理论研究以及实际工程中高承压含水层突涌水问题有重要借鉴意义。     

贵阳市三桥地区岩溶地下水水化学特征及其演化规律

贵阳市三桥地区岩溶地下水是贵阳市重要的生活及工农业用水水源,而贵州省岩溶系统发育异常复杂,对于岩溶水水化学及其演化特征尤其是水-岩相互作用方面的研究尚未见报道,为了保障该地区供水水质安全,以贵阳市三桥地区岩溶地下水为研究对象,通过系统的样品采集与氢氧同位素分析和水文地球化学模拟,针对岩溶地下水水化学组分的空间分布、演化特征及水-岩作用过程进行了系统的研究.研究表明:岩溶地下水水化学类型主要为HCO₃·SO₄-Ca·Mg型、HCO₃·SO₄-Ca型、HCO₃-Ca型和HCO₃-Ca·Mg型;研究区岩溶水主要来源于大气降水补给;研究区水化学特征主要受方解石、白云石、岩盐和石膏的溶解作用以及阳离子交替吸附作用控制.      

中国西北地区陆内前陆盆地的鉴别标志

讨论了中国西北地区陆内前陆盆地的主要鉴别标志 :(1)不对称山前坳陷的构造几何形态 ;(2 )先缓后陡的两段式沉降曲线 ;(3)反沉积旋回上部磨拉石堆积、强烈构造运动和层内递进型构造角度不整合类型。认为在鉴别陆内前陆盆地中必须进行多项标志的综合分析     

Monitored and simulated variations in matric suction during rainfall in a residual soil slope

This research combines field, laboratory and numerical investigations to estimate the development of a wetting front within a 1.2 m residual soil mantle on a steep forested slope during rainfall events. The field-monitored variations in matric suction due to rain-water infiltration during various events revealed that the maximum infiltration rate was much higher when the wetting front resided in the upper 20 cm of soil compared to the case when the wetting front advanced to depths > 20 cm. Laboratory investigations on soil hydraulic properties (i.e., soil water characteristic curve, and hydraulic conductivity) were useful to establish the parameters of a multilayer finite-element model for one-dimensional vertical infiltration. These parameters were subsequently calibrated by matching the predicted and field measured transient pore water pressure responses during actual rainstorms with irregular rainfall patterns. The calibrated simulation model was used to assess the migration of the wetting front under uniform rainfall with different intensities. Based on the numerical results, a hyperbolic equation was developed to predict the duration of uniform rainfall required for the propagation of wetting front to a certain depth for a given rainfall intensity. The proposed equation was subsequently tested against field-monitored advancements of the wetting front during real rainstorms with variable rainfall intensity.     

降雨入渗影响下边坡中的非饱和渗流特性

为了分析降雨入渗影响下非饱和土坡渗流特性,利用自制降雨模拟系统和实时监测系统,对降雨诱发非饱和土坡失稳过程进行全方位、多参量的实时监测,研究不同降雨条件下,不同坡度、不同压实度边坡坡体不同位置雨水入渗率和湿润峰的实变规律.结果表明:降雨入渗条件下,陡坡和高压实度土体不利于雨水入渗,而缓坡和低密实度土体入渗率变化快;实际土体吸力和含水量实时变化规律不同步,提出试验湿润峰概念,含水率（吸力）湿润峰点可按含水率（吸力）实时曲线的过渡区和雨后残余含水率（吸力）的线性交叉点确定;考虑单向吸湿或脱湿路径下土体含水率和吸力具有唯一对应关系,含水率湿润峰点与吸力湿润峰点的绝对值时差即为形成湿润峰所需时间;对比湿润峰实测值与Lumb半经验值散点分布规律,基于Lumb湿润峰深度计算公式提出非线性修正表达式.      

快速测量非饱和土渗透系数的湿润锋前进法适用性研究

非饱和土渗透系数函数是非饱和土体渗流分析中必不可少的参数。然而非饱和土渗透系数函数测量非常困难,其中稳态法测量范围过于狭小,而瞬时截面法耗时动辄数月,难以应用。为此,提出了湿润锋前进法,有望在一周内测得渗透系数函数。采用数值模拟手段检验湿润锋前进法的测量精度和适用范围。数值模拟结果显示：对于砂土、粉土、黏土,湿润锋前进法得到的渗透系数函数均与输入的理论渗透曲线一致,但测量范围限于高吸力范围（大于进气值）。此外,还采用瞬时截面法计算了渗透系数函数,结果表明：瞬时截面法计算的渗透系数在理论渗透曲线附近波动,其精度取决于监测截面的间距,间距越大,精度越低。在给出的20、60、100 mm这3种间距中,20 mm间距时计算得到的渗透系数精度最高,但与湿润锋前进法的精度仍有一定差距。因此,湿润锋前进法是一种可靠的能够快速得到渗透系数函数的测量手段。     

强降雨条件下基岩型层状边坡入渗模型及稳定性研究

强降雨作用下基岩型层状边坡易发生失稳破坏,给人们生命财产造成重大损失。为探索基岩型层状边坡的降雨入渗过程,以Green-Ampt入渗模型为基础,考虑了边坡几何特征及饱和带渗流作用,得到了边坡不同入渗阶段入渗率和湿润峰深度的计算式,建立了适用于基岩型层状边坡的降雨入渗计算模型;在分析基岩型层状边坡稳定性时,考虑了饱和带的渗流作用,联合降雨入渗模型与极限平衡法,分析了基岩面与湿润峰面稳定性的变化规律,得到了计算基岩型层状边坡安全系数的解析表达式;结果表明,该模型的计算与试验结果具有一致性。利用该计算模型与传统计算方法对张家湾滑坡进行了强度为30 mm/h的降雨入渗与稳定性分析,得到了不同计算方法下张家湾滑坡湿润峰深度及安全系数随降雨历时增加而发生的变化规律,结果表明该计算模型在分析基岩型层状边坡稳定性时优于传统分析方法。     

CFD-DEM simulation of submarine landslide triggered by seismic loading in methane hydrate rich zone

Submarine landslide due to seismic loading in methane hydrate-rich zone was simulated in this study using coupled computational fluid dynamics and discrete element method. Dynamic features and Magnus force were incorporated in the coupling scheme to improve the simulation fidelity in dynamic problem. A sinusoidal type seismic loading was applied to a steep submarine slope, which was characterized by a strong inter-layer of methane hydrate-bearing sediments. The simulation results show that a flow-type sliding occurs and the sliding ends with a gentle slope of accumulated debris material. The fluid flows in an eddy pattern near the sliding mass. The presence of methane hydrate can increase the strength and decrease the damping of the sediment. When MH saturation is low (25 and 30%), the combined seismic loading and particle-fluid interaction damage the MH-rich layer, which allows settlement behind the slope crest and upheaval in front of the slope toe. The two ground deformation patterns (settlement and upheaval) are not observed when MH saturation is high (40 and 50%) because the sediment strength is great enough to resist seismic damage. The lower damping in higher MH saturation sediment allows more energy to be transferred from ground base to potential sliding mass and consequently the sliding initiates earlier. Implications of the simulation results in the assessment of earthquake-induced submarine hazards are discussed.     

碳酸盐岩台地类型、特征及主控因素

在总结前人工作的基础上,结合作者对塔里木盆地和四川盆地碳酸盐岩的研究,根据地理位置、坡度、封闭性和镶边性把碳酸盐岩台地分为以下类型:缓坡开放型无镶边台地、缓坡封闭型无镶边台地、陡坡开放型无镶边台地、陡坡封闭型无镶边台地、缓坡开放型有镶边台地、缓坡封闭型有镶边台地、陡坡开放型有镶边台地、陡坡封闭型有镶边台地、礁滩型孤立台地、岩隆型孤立台地。总结了不同类型碳酸盐岩台地沉积特征并建立了沉积模式,用以指导当前碳酸盐岩的油气勘探。最后,探讨了不同类型台地形成和发育的主控因素,认为构造运动所形成的古地形(貌)和水体能量控制台地和沉积物的类型,海平面的升降控制台地类型及沉积物的变化。     

非饱和含黏土砂毛细上升试验研究

采用MP406水分传感器、WM-1负压计和DT80数据记录仪等设备,开发了一套毛细上升试验系统,对非饱和含黏土砂做了3个不同初始含水率的毛细上升试验,得到了试样各个断面的含水率和吸力随时间的变化规律。研究表明：初始含水率对毛细上升高度和上升速度有显著影响,本套系统可测定毛细上升的实际高度,在土样渗透系数未知的情况下可对不同土样测定其毛细上升的最大高度;可根据湿润锋运动速度、土样含水率变化和吸力变化数值,确定非饱和土渗水系数,从而避免了渗透系数确定费时、费力的困难;可由吸力预测试样的渗水系数,只需测定该土的土-水特征曲线或进行吸力量测即可确定出该土在这一吸力下的渗水系数;并拟合出不同初始含水率试样的湿润锋随时间变化规律     

基于数值模拟的湿润锋前进法测量精度分析

非饱和土的渗透系数函数测量难度大、耗时长,湿润锋前法(WFM)可在短时间内测得渗透系数函数(HF),但依赖肉眼识别的湿润锋,存在一定的局限性,且该方法的测量精度尚不明确,有待验证。文中针对湿润锋前进法进行研究,探讨初始含水率、湿润锋阀值、降雨入渗速率、传感器位置等因素对湿润锋前进法的测量精度的影响。采用Seep/W软件模拟均质土柱的入渗过程,分析湿润锋前进法数据,计算土体的渗透系数,将其和输入的渗透系数（可认为是真实解）进行比较,对湿润锋前进法的计算精度进行评估,并讨论误差的来源。分析结果表明,湿润锋前进法能够获得比较精确的计算结果;使用湿润锋特征含水率计算湿润锋前进速率,突破了原始湿润锋前进法存在“肉眼观察”的局限性,大大拓展了该方法的适用性;传感器间距对湿润锋前进法渗透系数函数计算精度没有直接影响;初始含水率越低,降雨入渗速率越大,渗透系数函数范围跨度越大。基于文中的分析结果,对湿润锋前进法的试验设计时,建议采用30～50 cm的土柱进行试验,传感器的数量建议为3～4,可以采用任意初始含水率进行试验接近干燥更好,为避免表面积水,建议降雨强度小于饱和渗透系数。     

Influence of rainfall-induced wetting on the stability of slopes in weathered soils

Shallow failures of slopes in weathered soil are caused by infiltration due to prolonged rainfall. These failures are mainly triggered by the deepening of the wetting band accompanied by a decrease in matric suction induced by the water infiltration. This paper reports trends of rainfall-induced wetting band depth in two types of weathered soils that are commonly found in Korea. Both theoretical and numerical analyses for wetting band depth are presented based on the soil–water characteristic curve obtained using filter paper as well as tensiometer tests. It is found that the magnitude of wetting front suction plays a key role in the stability of slopes in weathered soils. Theoretical analysis based on modified Green and Ampt model tends to underestimate the wetting band depth for typical Korean weathered soils. It was also deduced that for Korean weathered soils, the factor of safety drops rapidly once the wetting band depth of 1.2 m reached.