土壤饱和导水率的多尺度预测模型与转换关系

运用联合多重分形方法研究不同土层土壤饱和导水率与土壤基本物理特性的多尺度相关性,建立不同土层土壤饱和导水率的多尺度预测模型,构建不同土层土壤饱和导水率之间的转换关系。结果表明:不同土层土壤饱和导水率与土壤基本物理特性的相关程度排序不同;在单一尺度和多尺度上,0~20 cm土层土壤饱和导水率与土壤基本物理特性的相关程度排序相同,20~40 cm土层土壤饱和导水率与土壤基本物理特性的相关程度排序不同;土壤饱和导水率多尺度预测模型的预测精度较高,0~20 cm土层和20~40 cm土层拟合值的均方根误差分别为0.035 0和0.029 0;0~20 cm土层和20~40 cm土层土壤饱和导水率转换关系的计算精度较高,拟合值的均方根误差为0.037 5。     

土热传导系数及模型的研究现状和展望

近年来,随着全球能源消耗的增加,对新能源的开发和利用日益重要。地热资源作为一种清洁环保的新能源已经开始引起广泛的关注,对岩土材料的热性质研究也逐渐受到国内外学者的重视。土的热性质包括热传导系数、热扩散系数和比热容。其中,热传导系数作为其中最重要的性质,它不仅决定了热量在土体中的传播速度和土体温度场的分布,同时也是各种地热泵、能量桩等建筑热工结构设计中需要考虑的主要参数之一。首先介绍了土热传导系数的工程背景和研究意义,描述了土中的热量传播方式和类型,阐述了热传导系数的概念,并分析了土热传导系数的各种影响因素（含水率、密度、矿物成分、温度等）。在此基础上,总结了目前国内外土热传导系数模型的研究现状,并对各个模型的优缺点进行了简要的分析和评价。最后,提出了对土传导系数及模型研究的建议和展望。     

土壤非饱和导水率模型中参数的敏感性分析

针对邵明安根据再分布过程得出的非饱和导水率模型,对其中参数的敏感性进行分析,通过实测资料计算非饱和导水率对不同参数的敏感度,对比参数对非饱和导水率的影响程度。研究表明采用线性关系表示土壤湿润剖面的平均湿度和湿润锋处湿度之间的关系时,非饱和导水率对参数的敏感性比其他参数高得多。     

基于分层假设的Green-Ampt模型改进

传统Green-Ampt入渗模型由于假设过于简化而限制了计算精度,针对这一问题,在分层假设的基础上对模型进行了改进:将均质入渗土壤分为饱和层、过渡层和干土层,采用Richards模型分析了不同入渗条件下各层的厚度以及各层内含水率和导水率的变化规律,结果表明,入渗条件一定时,过渡层占湿润层(包括饱和层和过渡层)比例会随湿润层厚度的增加线性减小,积水深度和土壤初始含水率分别会影响这一线性关系的纵轴截距和斜率,而土壤饱和导水率则对其没有明显影响;过渡层内土壤含水率分布为椭圆形曲线,而导水率随深度增加线性减小。在此基础上,通过引入湿润层的等效导水率并相应给出锋面吸力的计算方法,对传统Green-Ampt模型进行了改进。结果显示,改进后模型计算精度显著提高。     

准饱和多孔介质中圈闭气体对渗透系数的影响

含圈闭气体的地下水流称为准饱和流,准饱和流中的圈闭气体对含水层渗透系数有重大影响。通过柱试验开展了粉砂、细砂、中砂和粗砂4种介质圈闭气体饱和度与准饱和渗透系数关系的研究。结果表明:圈闭气体饱和度明显受介质的粒径影响,在细粒介质中圈闭气体饱和度明显较大;4种介质圈闭气体饱和度在0~15%范围内,准饱和渗透系数与完全饱和相比减少了32.82%~56.38%,且准饱和渗透系数与圈闭气体饱和度之间可表达为一个负线性相关的经验公式;该公式与Faybishenko公式等效,但形式简单,参数较少,使用方便;准饱和渗透系数的变化规律可概化为圈闭气体占据了原有的有效孔隙,造成原有效孔隙度减少,从而使渗透系数减小。利用该理论,Kozeny-Carman方程能较准确地描述准饱和渗透系数的变化规律,而基于哈根-泊肃叶方程的渗透系数公式则存在较大误差,不适用于描述准饱和渗透系数;试验结果证明了室内测定饱和渗透系数时排除圈闭气体的必要性。     

Electrical-hydraulic conductivity model for a weatheredfractured aquifer system of Olbanita,Lower Baringo Basin,Kenya Rift

Groundwater yield in the Kenya Rift is highly unsustainable owing to geological variability.In this study,field hydraulic characterization was performed by using geoelectric approaches.The relations between electrical-hydraulic(eh)conductivities were modeled hypothetically and calibrated empirically.Correlations were based on the stochastic models and field-scale hydraulic parameters were contingent on pore-level parameters.By considering variation in pore-size distributions over eh conduction interval,the relations were scaled-up for use at aquifer-level.Material-level electrical conductivities were determined by using Vertical Electrical Survey and hydraulic conductivities by analyzing aquifer tests of eight boreholes in the Olbanita aquifer located in Kenya rift.VES datasets were inverted by using the computer code IP2Win.The main result is that ln T=0.537(ln Fa)+3.695;the positive gradient indicating eh conduction through pore-surface networks and a proxy of weathered and clayey materials.An inverse(1/F-K)correlation is observed.Hydraulic parameters determined using such approaches may possibly contribute significantly towards sustainable yield management and planning of groundwater resources.     

Electrical-hydraulic conductivity model for a weathered-fractured aquifer system of Olbanita,Lower Baringo Basin,Kenya Rift

Groundwater yield in the Kenya Rift is highly unsustainable owing to geological variability. In this study, field hydraulic characterization was performed by using geo-electric approaches. The relations between electrical-hydraulic (eh) conductivities were modeled hypothetically and calibrated empirically. Correlations were based on the stoch-astic models and field-scale hydraulic parameters were contingent on pore-level parameters. By considering variation in pore-size distributions over eh conduction interval, the relations were scaled-up for use at aquifer-level. Material-level electrical conductivities were determined by using Vertical Electrical Survey and hydraulic conductivities by analyzing aquifer tests of eight boreholes in the Olbanita aquifer located in Kenya rift. VES datasets were inverted by using the computer code IP2Win. The main result is that ln T=0.537 (ln Fa)+3.695; the positive gradient indicating eh conduction through poresurface networks and a proxy of weathered and clayey materials. An inverse (1/F-K) correlation is observed. Hydraulic parameters determined using such approaches may possibly contri-bute significantly towards sustainable yield management and planning of groundwater resources.     

基于孔隙分形维数的土壤大孔隙流水力特征参数研究

根据数字图像制备分析技术得到大孔隙数目、大小和形状等特征数据,用分形理论计算孔隙分形维数,并对两类不同质地土壤的孔隙分形维数进行分析比较,应用基于孔隙分形维数的大孔隙分形模型,建立了土壤水分特征曲线和非饱和导水率的预测模型。结果表明,孔隙分形维数D_v可定量描述不同质地土壤结构,其模型预测精度优于颗粒大小分布估计的分形模型,可用于实际问题的研究。     

基于扩展有限元法的岩体水力劈裂耦合模型

1. 浙江水利水电学院 水利与环境工程学院,浙江 杭州 310018;2. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院,上海 200240; 3. 浙江省钱塘江管理局勘测设计院,浙江 杭州 310016     

基于细观均匀化的膨润土有效热传导特性研究

基于均匀化方法和椭球夹杂问题基本解给出了非饱和岩土体的有效热传导特性模型。该模型可以考虑夹杂形态、体积分数和空间分布及夹杂间相互作用对有效热传导特性的影响,反映了由于非均匀夹杂引起有效热传导张量的各向异性特性。讨论了夹杂宽高比以及夹杂与基质热传导系数比对有效热传导张量各向异性系数的影响。将岩土体看作固体基质和孔隙夹杂构成的非均匀材料,探讨了岩土体有效热传导系数随孔隙形态、孔隙率和饱和度的变化规律。最后,应用上述模型对高庙子膨润土(GMZ01)有效热传导系数进行预测并与其他模型预测结果进行对比分析。研究表明,本文模型对GMZ01膨润土有效热传导系数具有较好的预测能力,但更准确的预测需根据膨润土的孔隙结构采用多层次均匀化方法。研究成果对于高放核废料深地质处置库缓冲材料的热-水-力耦合特性具有一定参考价值。     

基于聚类-二叉树支持向量机的砂土液化预测模型

建立在统计学习理论基础之上的支持向量机（SVM）,是一种基于结构风险最小的小样本机器学习方法。经典的支持向量机主要针对二分类问题,而工程实践中遇到的往往是多分类问题。根据影响砂土液化的主要因素,采用聚类分析中的类距离思想,建立了基于聚类-二叉树的多类支持向量机的砂土液化判别模型。该模型可以通过有限样本的学习,建立砂土液化与各影响因素之间的非线性关系。研究结果表明,基于聚类-二叉树支持向量机的层次结构合理,分类精度高,泛化性好,可对砂土液化等级进行较准确判别     

A pore-throat model based on grain-size distribution to quantify gravity-dominated DNAPL instabilities in a water-saturated homogeneous porous medium

A pore-scale network model based on spherical pore bodies and cylindrical pore throats was developed to describe the displacement of water by DNAPL. The pore body size and the pore throat size were given by statistical distributions with user-specified values for the minimum, mean and maximum sizes. The numerical model was applied to a laboratory experiment conducted on a sand-filled glass column. The parameters relative to pore body size and pore throat size that were used in the construction of the equivalent network were derived from the discrete grain-size distribution of the real porous medium. The calculated arrival times of the DNAPL front were compared with those measured using optic fibre sensors placed at different points on the control section of the experimental device. Furthermore, the model simulated DNAPL pressure measured at the entrance section of the system. In general, the numerical results obtained with the model were in good agreement with the actual measurements.     

Sinkhole hazard assessment in Minnesota using a decision tree model

An understanding of what influences sinkhole formation and the ability to accurately predict sinkhole hazards is critical to environmental management efforts in the karst lands of southeastern Minnesota. Based on the distribution of distances to the nearest sinkhole, sinkhole density, bedrock geology and depth to bedrock in southeastern Minnesota and northwestern Iowa, a decision tree model has been developed to construct maps of sinkhole probability in Minnesota. The decision tree model was converted as cartographic models and implemented in ArcGIS to create a preliminary sinkhole probability map in Goodhue, Wabasha, Olmsted, Fillmore, and Mower Counties. This model quantifies bedrock geology, depth to bedrock, sinkhole density, and neighborhood effects in southeastern Minnesota but excludes potential controlling factors such as structural control, topographic settings, human activities and land-use. The sinkhole probability map needs to be verified and updated as more sinkholes are mapped and more information about sinkhole formation is obtained.     

变水头入渗试验推求垂向渗透系数的计算方法

在Philip与Nestingen土壤水运动计算方法基础上,推导出描述单环变水头入渗试验中水深变化过程的计算公式,提出了确定土壤垂向渗透系数的MP方法.利用土壤非饱和数值模拟及室内土槽入渗试验得到的单环水位变化过程,验证了MP方法推求土壤垂向渗透系数的可靠性.结果表明:MP方法推求的土壤垂向渗透系数比目前采用的Philip方法、Nestingen方法及Green-Ampt方法精度更高,具有广泛的应用前景.     

基于EMD组合模型的径流多尺度预测

受全球气候变化与人类活动影响,径流序列愈发呈现出非稳态与非线性特征,为降低由此而引发的预报误差,充分发挥不同模型对提高径流预测精度的优势,针对传统径流预报模型的单一性,以干旱区典型内陆河玛纳斯河为例,采用经验模态分解(EMD)提取径流序列中具有物理含义的信号,得到不同时间尺度的多个固有模态函数(IMF)及1个趋势项,利...     

地铁隧道围岩内温度分布规律的模型试验及其热导率反算研究

为能精确计算地铁隧道围岩内的传热量,模拟了地铁隧道围岩内的热传导,研究了地铁围岩内的温度分布规律,并通过试验结果对土体热导率进行反算。分析表明：同一时刻,距隧道壁面不同距离处的温度以指数形式进行变化,距离越远,温度越小;时间越久,隧道内流体的温度影响范围越大。除隧道外壁面外,距隧道壁某距离处的温度,随时间的增长而逐渐增长,距隧道壁较近处土体温度较高,温度增长速率随时间的增长而逐渐减小;距隧道壁面距离较远处温度较低,其增长速率随时间的增长而逐渐增大。传热时间超过某一值后,围岩内温度增长率逐渐平稳趋于一定值。根据模型试验结果能较精确得到土样的热导率数值。     

基于叠加法的陕西省典型地貌单元岩土导热系数分析

近年来,浅层地热能受到广泛关注,但由于在开发利用过程中对地层导热性能分析不足,现有开发利用项目失败率较高.为解决这一问题,对陕西省不同地貌单元已开展的46组热响应试验结果进行整理,以线热源模型为基础,采用叠加法对陕西省典型地貌单元的导热系数进行了分析统计.结果 表明:山间盆地、沙漠高原和断陷盆地3种地貌单元的导热能力依次减小;在同一地貌单元中,第四系黄土覆盖层越厚,钻孔的导热能力越差;黄土塬地区导热系数大小差距较大,可进一步深入研究该地貌单元内导热系数的影响因素.通过对不同地貌单元岩土导热系数分布特征的研究,提出了各地区浅层地热能开发利用的相关建议,从而为进一步高效、高质开发浅层地热能提供思路和技术支持.     

基于随机理论的地下水环境风险评价

针对确定性模型难以描述含水层非均质空间分布的问题,提出基于随机理论的地下水环境风险评价方法。以矩形场地地下水污染风险评价为例,采用蒙特卡罗法生成大量渗透系数随机场,模拟含水层参数各种可能的非均质空间分布,在此基础上建立场地地下水流模型与溶质运移模型,分别计算污染物在地下水中的迁移转化情况。统计大量随机模拟中污染事故发生的频率,当模拟次数足够多时,污染频率收敛于污染概率,污染风险即通过污染概率体现出来。该方法将模型参数设为满足一定分布特征的随机变量,避免了确定性方法得出的武断的评价结果,可为工厂的选址、水源地的选址等工作提供科学指导。     

基于Weibull曲线的软基沉降预测模型分析

结合软基沉降机理,提出用Weibull模型预测软基沉降全过程。该预测模型参数意义较为明确,可以反映加载速度等因素的影响,克服了其它两种成长模型反弯点处沉降值与最终沉降相对不变的缺点。在利用其它模型预测时,只有初步判断实测样本反弯点的位置才能较科学的选择有效样本和相应模型进行预测。Weibull模型可以充分利用沉降观测样本,具有广泛的适应性,指数模型是它的一种退化形式。它不但可以预测线性加载的软基沉降,而且可以预测一次加载或近似一次加载的软基沉降。工程实例的实测和计算比较说明该模型是可靠的。