含水层热量输运中自然热对流和水-岩热交换作用的研究

本文对含水层热量输运过程中存在的自然热对流和水-岩热交换作用进行了深入研究, 目的是为了弄清两种作用对热量输运的影响。首先针对普通水流方程和热量输运方程的局限性, 给出了能够描述这两种作用的新的数学方程, 并通过建立一个非线性三维含水层热量输运模型加以实现。然后利用上海第二承压含水层的群井储能试验资料, 根据不同的条件进行计算。计算结果与实测数据的对比分析表明, 自然热对流通常对含水层的热量输运有明显作用, 定量研究时不应忽略；水-岩热交换作用持续时间短, 对整个热量输运过程影响较小。     

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.     

弥散度及其在地下水污染模型中的作用

弥散理论是污染质在含水层中运移模型的基本理论.但在实际应用中存在着不少问题和争议.本文对污染质在含水层中运移的弥散作用进行了分析探讨.并应用MOC水质模型对弥散参数的作用进行了分析,证明了在一般情况下,污染质在含水层中的运移主要受对流作用控制,弥散参数的变化对水质模型结果的影响相对较小.在特定的水文地质条件下,弥散作用对污染质的运移是重要的.     

三维非稳定流含水层储能的数值模拟研究

本文建立了一个三维含水层储能模型。它是由一个描述地下水运动的水流模型与一个描述含水层中热量运移的热量输运模型耦合而成。为了考察地下水的运动状态对含水层中热量输运的影响，地下水流被处理成三维非稳定流。该模型被应用于上海群井储能试验，储能模型用特征线Ｄｏｕｇｌａｓ－Ｂｒｉａｎ ＡＤＩ法求解。通过本模型与稳定流储能模型的结果相比较，发现本模型的结果较好，诸观测孔各时段的绝对误差均值为０．６５℃，平均相对     

分形法估算分散性污染物的运移时间

污染物运移的分形模型导出一个新的适于任意浓度的污染物运移时间公式.对于一个高度非均质含水层中逐渐形成的污染羽,新公式预算出低浓度更早到达的测点.污染峰或羽的运移时间一般经常从达西定律中采用估算平均孔隙流速法得到,而此估算仅仅提供平均浓度(或污染脉冲的峰值浓度)的运移时间信息.近来,计算出任意浓度的运移时间是一个很直接的过程,并且对一个无反应污染物而言,其突破曲线部分的方程被发展.在文中,我们推导出这些方程去概括污染物运移的分形模型.     

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.      

北京市朝阳区沙子营垃圾污染物在潜水含水层中迁移规律的现场模拟实验

选择北京平原区水文地质、环境地质等方面都比较典型的沙子营垃圾堆放场,建立了其水文地质模型。在充分收集资料、分析得出部分计算所需参数后,采用现场弥散实验、勘查取样测试等方法,求得了该含水层的弥散系数等参数;用二维非稳定流溶质运移方程对污染物在此含水层中的迁移扩散规律、速度和污染范围等进行了模拟计算;采用现场钻探、取样测试分析等方法,评价了该含水层的实际污染状况。实验模拟计算和现场调查结果表明:污染物在潜水含水层中的运移规律遵循二维非稳定流场中的溶质运移方程,污染物在潜水含水层中的运移速度约为86.25m/a,迁移扩散主要发生在地下水流向上,侧向扩散宽度极小,是地下水流向上的1/17。     

岩溶区地下水数值模拟研究进展

岩溶含水介质的不均一性导致岩溶地下水流动、溶质运移和热量迁移的数学模拟研究成为地下水模拟的难点。本文综述了岩溶区地下水流模拟的几种方法,重点阐述了等效多孔介质法、双重连续介质法和三重介质法的定义、发展过程和适用范围,并回顾了这几种方法的研究成果。从等效多孔介质法到三重介质法,模拟精度不断提高,适用范围也逐渐由大区域实际问题向小区域理论研究过渡。介绍了溶质运移模拟和热迁移模拟的研究方法及实例。溶质运移模拟以对流弥散方程为基础,其中尺度效应是溶质运移模拟的重点研究问题;热量迁移模拟应考虑地下热水密度变化对地下热水运动的影响。溶质运移模拟和热量迁移模拟往往是将迁移模型和已经调试成功的地下水流动模型相耦合,从而达到模拟溶质及热量迁移的目的。由于溶质运移和热量迁移的复杂性,现阶段水流模型多数处于等效多孔介质模型阶段。综合理论及实际应用,指出精确刻画裂隙及管道和注重基础数学算法是岩溶水数值模拟进步的关键。      

地下热水运移中自然对流的研究

本文研究了自然对流在地下热运移中的作用和规律，并给出了数值模拟方法。计算结果显示，含水层水温愈高，试验时间愈长，则自然对流作用愈显著。通常情况下模拟地下热水运移时，不应忽略自然对流作用。     

越流含水层系统中的溶质运移方程

越流含水层系统在我国分布十广泛,但国内有关越流含水层系统的地下水污染模型尚见报导,为建立越流含水层系统地下水污染的数学模型,本文导出了包括越流和井流项的溶质运移方程。     

分布热源作用下单裂隙岩体三维水流-传热的半解析计算方法

针对高放射性核废物地下处置库近场饱和裂隙岩体环境,提出一种由分布热源、饱和单裂隙和两侧无限大岩石构成的三维水流-传热简化模型,建立了控制微分方程和基于拉氏变换域格林函数的积分方程;采用矩形单元把裂隙面域离散化,利用极坐标下的解析方法计算包含奇点的单元积分,利用数值方法计算分布热源和不包含奇点的单元积分,建立拉氏变换域的线性代数方程组,求解后,利用拉氏数值逆变换,计算任意时刻裂隙水和岩石的温度分布。对两个无内热源、流场确定的计算模型进行了计算,与仅考虑岩石沿裂隙面法向一维热传导的解析解进行了对比。计算分析了分布热源作用下饱和单裂隙岩体的三维水流-传热特征及其对裂隙水流速、岩石热传导系数和热源热流集度的敏感度。计算结果表明：与直接采用高斯数值积分相比,提出的解析法奇异积分精度较高;就裂隙水温度而言,单裂隙岩体三维水流-传热半解析计算方法与解析法得到的结果基本一致,但由于半解析计算方法考虑了岩石的三维热传导,使得裂隙水的上游温度较低,而下游温度较高;无分布热源作用时,岩石热传导系数越大,裂隙水温度越低;裂隙水流速越大,裂隙进水温度对裂隙水和岩石温度分布的影响越明显;由于受到裂隙水流动传热的作用,分布热源对裂隙水温度和岩石温度的影响在裂隙水流的下游区域比较显著。     

分布热源作用下裂隙岩体渗流-传热的拉氏变换-格林函数半解析计算方法

以裂隙岩体高放射性核废物地下处置库性能评估为目标,提出了分布热源作用下单裂隙岩体渗流-传热的简化概念模型、控制微分方程和拉氏变换-格林函数半解析法,为进一步采用半解析法计算分布热源作用下多裂隙岩体的渗流-传热问题奠定了基础。针对单裂隙岩体的渗流-传热问题,建立考虑岩石内热源和二维热传导的控制微分方程,利用拉氏变换域微分方程的基本解建立格林函数积分方程,采用解析法处理其中的奇点,通过数值积分和拉氏数值逆变换求解,计算任意时刻裂隙水和岩石的温度分布。通过算例,与基于岩石一维热传导假定的解析解进行了对比,并计算分析了分布热源作用下单裂隙岩体的渗流-传热特征及其对裂隙开度、岩石热传导系数和热流集度的敏感度。算例表明,（1）就裂隙水温度而言,由于考虑了岩石的二维热传导,拉氏变换-格林函数半解析解小于基于岩石一维热传导假定的解析解;（2）裂隙水温度和岩石温度对裂隙开度和热流集度的敏感度较大,对岩石热传导系数的敏感度较小。     

基于等效渗流通道模型的地热尾水回灌理论模型

深层地热能是一种清洁环保的可再生能源,尾水回灌是深层地热可持续开发利用的重要保证,但目前国内地热尾水回灌还处在起步阶段,地热尾水回灌方案优化设计的理论模型尚不成熟。文章结合示踪试验,提出了基于等效渗流通道模型的热储参数反演与开采井热突破预测的完整理论框架。应用多孔介质溶质运移理论,修正了等效渗流通道中的溶质浓度解析解,并联合移动渐近线法提出了热储参数反演理论模型;推导了等效渗流通道中的对流传热解析模型,可对开采井中的水温变化进行预测。依托山东省德州市平原县魏庄社区地热对井示踪试验,应用该理论框架进行了示踪试验反演及开采井热突破预测,并对影响开采井热突破的主要因素进行了敏感性分析。     

A three-dimensional heat transfer and thermal cracking model considering the effect of cracks on heat transfer

A simple three-dimensional heat transfer model is developed to consider the hindering effect of cracks on heat transfer. The 3D heat transfer model can also be applied to numerical methods such as the combined finite-discrete element method (FDEM), discrete element method (DEM), discontinuous deformation analysis (DDA), the numerical manifold method (NMM), and the finite element method (FEM) to construct thermo-mechanical coupling models that allow these methods to solve thermal cracking problems and dynamically consider the hindering effect of cracks on heat transfer. In the 3D heat transfer model, the continuous-discontinuous medium is discretized into independent tetrahedral elements, and joint elements are inserted between adjacent tetrahedral elements. Heat transfer calculations for continuous-discontinuous media are converted to heat conduction in tetrahedral elements and the heat exchange between the adjacent tetrahedral elements through the joint element. If the joint element between adjacent tetrahedral elements breaks (ie, a crack generates), the heat exchange coefficient of the joint element is reduced to account for the hindering effect of cracks on heat conduction. Then the model and the FDEM are combined to build a thermo-mechanical coupling model to simulate thermal cracking. The thermally induced deformation, stress, and cracking are investigated by the thermo-mechanical coupling model, and the numerical results are compared with analytical solutions or experimental results. The 3D heat transfer model and thermo-mechanical model can provide a powerful tool for simulating heat transfer and thermal cracking in a continuous-discontinuous medium.     

Effectiveness of time-series analysis for thermal plume propagation assessment in an open-loop groundwater heat pump plant

Thermal perturbation produced in the subsurface by open-loop groundwater heat pumps (GWHPs) represents a complex transport phenomenon that is affected by several factors, including intrinsic characteristics of the exploited aquifer, abstraction and reinjection well features, and the temporal dynamics of the accessed groundwater. Post-GWHP water may have become warmed or cooled before being reinjected into the aquifer, thereby creating a thermal plume, known as the thermal affected zone (TAZ), which can alter aquifer temperature. The TAZ is propagated mainly by advection, after which the plume tends to degrade via conductive heat transport and convection within moving water. Groundwater monitoring and multiparametric probes are used to check the dynamics of plume propagation and whether a system’s thermal plumes are generating unsuitable interference with wells, subsurface infrastructure, or land use. Analyses of time-series groundwater monitoring data can be used to monitor TAZ movement. In this paper, the thermal plume velocity was calculated by both an analytical solution and cross-correlation. Cross-correlation calculated between temperature measured in the reinjection well and control downstream piezometers can reveal plume dynamics and demonstrate the importance of advective transport in aquifer heat transfer.     

A Subtidal Model of Temperature for a Well-Mixed Narrow Estuary: the Guadalquivir River Estuary (SW Spain)

This paper analyzes thermal energy transport in the narrow and tidally energetic Guadalquivir River Estuary (SW Spain). Measurements from a comprehensive monitoring campaign (2008–2011) reveal the forcing factors of the temperature field and its spatio-temporal variability. The along-channel thermal energy gradient reaches magnitudes of ～375 J/m⁴ near the mouth during the summer and winter. The water temperature is primarily controlled by shortwave radiation, latent heat transfer through the free surface, and tidal advection, whereas it depends less on freshwater discharge and longitudinal dispersion. The tidally averaged effective longitudinal thermal dispersion coefficient was evaluated at several stretches for each tidal cycle. The mean values of the coefficient tend to increase landward and are on the order of ～10³, larger than (but of the same order of magnitude as) the salinity coefficient values. Based on these analyses, a deterministic operational model for thermal energy transport was developed. The model solves the tidally and cross-sectionally averaged advection–dispersion equation for the thermal energy balance and obtains accurate fits of the subtidal temperature field at any location within the estuary. The modeled water temperatures agreed well with the observations at all the stations (coefficients of determination, R ² greater than 0.98), even after the seasonal oscillation in radiation was removed (R ²?>?0.77).     

热屏障井对地下水源热泵换热影响模拟

对于场地受限的地下水源热泵项目,随着系统运行时间的增加易引发热贯通现象进而降低机组运行效率。地下水源热泵设计中,在抽灌水井连线间布设热屏障井可改变地下水流场,降低热量在抽灌井间的运移速度,有利于延长热贯通发生时间并缓解热贯通程度。通过构建地下水换热模型,模拟计算夏季制冷工况条件下36组热泵运行场景,分析了热屏障井的位置,过滤管长度及回灌量对热贯通和含水层温度场的影响规律。结果表明:热屏障井回灌量的增加有利于提升热屏障效果,但提升幅度随回灌量的增加逐渐减弱;最大水位降深值随着热屏障井回灌量的增加呈线性增长;增加热屏障井滤管长度可提升热屏障效果,提升效果随屏障井回灌量的增加逐渐增强。通过模型多周期、长时间模拟计算发现,热屏障井的运行可促使回灌的冷热量集中在回灌井一侧,对于采用冬夏季抽灌井交换运行模式的热泵系统,可充分利用含水层储能,提升机组运行效率。     

封闭条件下抛石路堤降温效果及机理的试验研究

在多年冻土地区道路工程的修筑与维护中, 如何保证多年冻土不退化所采取措施的长期可靠度问题日益为人们所关注. 通过室内试验研究了实际工程中半开放半封闭抛石路堤受到风沙或积雪填埋后,在不同温度变幅条件下的降温效果. 实验结果发现: 在满足一定厚度时, 封闭条件下的块石层仍具有良好的降温效果, 具有可变等效导热系数的特性, 在实验中充分体现了"热二极管效应". 在外界温度变幅较大的条件下, 降温速度和降温效率均大于温度变幅较小的情况. 通过对块石层顶底温差与其顶部温度变化关系, 以及块石层内温度场特征的分析, 证实了封闭块石层内自然对流的真实存在和对流的运动发展趋势. 试验结果为抛石路堤降温的长期可靠性提供了依据.     

小尺度含水层热量运移试验研究及热弥散效应评估

将小尺度含水层热机械弥散系数模型应用于对流弥散传热过程中,推导了该条件下对流弥散热量运移的解析解,结合试验进行验证,对含水层热弥散效应进行评估,结果表明,热机械弥散系数等于1×10-2 W/(m?°C)可以作为热弥散对温度场影响的临界点,从而将热机械弥散系数的分布划分为不可忽略的三角区域和可以忽略的多边形区域;明确了自然含水层结构条件下纵向热弥散度范围,从小尺度的热弥散研究结果来看,纵向热弥散度最大值为厘米数量级,它与野外大尺度条件下热弥散度的研究成果有着显著差异,表明热弥散尺度效应的存在,这将是进一步开展研究工作的方向。