Simultaneous identification of parameter,initial condition,and boundary condition in groundwater modelling

In this paper, we perform an inverse method to simultaneously estimate aquifer parameters, initial condition, and boundary conditions in groundwater modelling. The parameter estimation is extended to a complete inverse problem that makes the calibrated groundwater flow model more realistic. The adjoint state method, the gradient search method, and the least square error algorithm are combined to build the optimization procedure. Horizontal two‐dimensional groundwater flow in a confined aquifer is exemplified to demonstrate the correlation between unknowns, the contribution of observation, as well as the suitability of applying the inverse method. The correlation analysis shows the connection between storage coefficient and initial condition. Besides, transmissivity and boundary conditions are also highly correlated. More observations at different location and time are necessary to provide sufficient information. A time series of unsteady head is requested for estimation of storage coefficient and initial condition. Observation near boundary is very effective for boundary condition estimation. The observation at pumping well mostly contributes to the estimation of transmissivity. According to all observations, it is possible to identify parameters, initial condition, and boundary condition simultaneously. Furthermore, the results not only illustrate the traditional assumption of known boundary condition but also initial condition, which may cause an incorrect estimation. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

中深层套管式换热器可持续供热性能及优化设计研究

中深层套管式换热器的热提取具有“取热不取水”的特点,是我国北方地区稳妥推进中深层地热能供暖的重要技术之一。针对当前中深层套管式换热器在长期热提取期间供热性能不明的问题,本文基于可持续供热的运行特点,建立数值换热模型分析换热器水温、性能系数随运行年份的变化规律,并针对性地开展设计优化研究。结果表明:在可持续供热过程中,换热器水温在前5年的下降程度较为明显,运行至20年以后,基本不发生变化。换热器季节性能系数的下降程度受岩土体导热系数的影响较大,在1.5 W/(m·K)条件下的SPF₁、SPF₂分别下降11.50%和10.56%,在3.0 W/(m·K)条件下的SPF₁、SPF₂则分别下降4.73%和4.23%。岩土体导热系数越小,换热器供热性能的下降程度越明显。基于可持续供热性能的变化规律,提出以“准稳态特征年”的供热性能为基准进行设计,并综合考虑运行要求与节能性要求优化换热器的运行条件,明确了在不同地热特征参数、埋管深度下的最优运行流速与最佳供热负荷的分布情况,对中深层套管式换热器的高效可持续供热设...     

渭河盆地岩石圈热结构模拟及其对地热系统热源机理的启示

深部温度场与岩石圈热结构特征是认识地热系统深部热源机理的重要途径。本文在系统分析渭河盆地及其邻区现今大地热流特征基础上,基于旬邑—西峡宽角反射/折射地震测深剖面揭示的地壳分层结构,采用二维有限元方法,对渭北隆起、渭河盆地以及北秦岭构造带的深部温度场和岩石圈热结构开展数值模拟研究,在此基础上分析渭河盆地地热系统深部热源机理。结果表明,旬邑—西峡剖面上大地热流介于57.6～75.7mW/m²之间,平均为(70.4±4.7)mW/m²;地幔热流在29.5～38.6mW/m²之间,平均值为34.1mW/m²;莫霍面温度变化范围约在600～740℃之间;“热”岩石圈厚度约为95～110km。从渭北隆起—渭河盆地—秦岭造山带,大地热流、莫霍面温度和地幔热流值表现出低→高→低的变化规律,相应地“热”岩石圈厚度则表现出厚→薄→厚的变化趋势。渭河盆地地壳厚度减薄明显,莫霍面温度显著高于渭北隆起和秦岭造山带,暗示着渭河盆地地壳活动性显著。然而,从渭北隆起—渭河盆地—秦岭造山带,“热”岩石圈厚度变化范围不大,且渭河盆地内...     

渤海湾周缘高温地热异常特征及深部热结构分析

渤海湾周缘高温地热异常区是华北重要的地热资源区,研究其浅层高温地热异常及深层高温地热结构,是解决中国东部高温地热勘查开发瓶颈的重要基础,对加快构建东部现代能源体系、推进“双碳”目标进程具有重要的科学意义。利用最新的中国大陆岩石圈速度模型USTClitho2.0和航磁资料,在大地热流资料约束下,本文计算了渤海湾周缘浅层与深层高温热结构,结果表明:该区居里面平均深度20.8km,居里温度420℃,中、上地壳高温热结构与居里面起伏形态密切相关。上地壳生热率随深度增大而递减,反映了放射性生热元素向上迁移、在浅层富集的垂向分异特征。Moho面温度在600～800℃之间,岩石圈底界面1300℃等温面深度在66.3～97.5 km之间,平均值为76.8 km。依据USTClitho2.0模型Vp、Vs速度结构,本文修正了前人的地壳分层结构及上地壳生热率,计算了研究区内全部91个大地热流点的壳幔热流比,结果表明:Qc/Q=56.4%、Qm/Q=43.6%, Qc/Q>Qm/Q,显示该区为“热壳”结构。前人认为此区是“冷壳热幔”型热结构,本文的计算结果修正了前人的认识,指出上地壳层热流在地表总热流...     

常州市地下水化学特征与成因分析

常州市是长江三角洲地区典型的工业化城市,多年来的快速发展对地下水环境产生了系列影响,地下水化学组分受到天然条件和人为活动的双重因素控制,现状地下水化学成因和影响因素亟需深入研究。本文在地下水赋存条件分析的基础上,综合采用统计分析、离子比值、主成分分析法对常州各层地下水化学特征和成因开展分析。结果表明,区域潜水水化学类型以HCO₃^-—Ca²⁺·Mg²⁺、HCO₃^-—Ca²⁺和HCO₃^-·Cl^-—Na⁺·Ca²⁺型为主,第Ⅰ承压水以HCO₃^-—Na⁺·Ca²⁺和HCO₃^-—Ca²⁺型为主、第Ⅱ承压水以HCO₃^-—Na⁺     

国家自然科学基金资助体系下的地下水科学领域发展总结和分析

地下水属于基础性、战略性水资源,其科学开发利用和保护关系到人类社会与生态系统的协同健康发展。因此,地下水一直是自然科学关注的热点和焦点之一。笔者统计分析了1986~2022年期间国家自然科学基金委对地下水科学领域的资助情况,从受资助项目的学部学科分布、项目类型和主要研究方向入手,总结了地下水科学研究现状,揭示了目前存在的短板和瓶颈问题,并分析了地下水科学发展趋势。研究结果表明：①地下水科学领域资助项目的数量和类型均呈快速增长态势;②地下水科学领域与其他学科领域的交叉融合越来越频繁、紧密,涉及多个学部和学科,申报与资助均呈现“多点开花”态势;③地下水科学作为地球科学的分支学科,面临新的机遇和挑战,许多重大科学问题亟待解决,需进一步提高重大项目支持力度;④地下水科学研究具备与更多相关领域交叉渗透的潜力,如海洋学、化学、气象学和大气科学等,国家自然科学基金委可为地下水科学与其他学科交叉提供培育平台。     

大地电磁测深法在冀中坳陷深部碳酸盐岩热储调查评价中的应用

地热资源作为一种清洁能源,在“双碳”背景下,其开发和利用越来越受到重视。为了探查渤海湾盆地的冀中坳陷深部碳酸盐岩的热储条件,笔者等利用3条大地电磁测深剖面,进行了数据处理、分析和反演,获得可靠的二维电阻率模型和电阻率等深度平面图。分析研究区深部电性结构特征及主要断裂构造特征,同时根据基底隆起形成的高阻异常对深部碳酸盐岩分布和埋深进行了推断,并对冀中坳陷深部碳酸盐岩热储进行评价,以圈定地热异常远景区。分析认为：① 研究区电性结构可以被划分为5层,其中第5电性层为高阻标志层,对应深部碳酸盐岩基底;② 据此圈定了3类深部地热远景区：基岩埋深小于4000 m,如高阳低凸起地热远景区、黑龙口低凸起地热远景区（徐水凹陷）和河间潜山地热远景区（饶阳凹陷）,基岩埋深4000~5000 m,如雁翎潜山地热远景区（霸县凹陷）,基岩埋深5000~5500 m,如肃宁潜山地热远景区和留路潜山地热远景区;③ 大地电磁测深方法适用于冀中坳陷深部碳酸盐岩热储远景区的探查。深部热储远景区的圈定,可为后期的地热资源评价和开发利用建立基础。     

江西印支期蔡江岩体中暗色微粒包体的发现及其地质意义

文章报道了江西蔡江花岗质岩体中发现暗色微粒包体,以及这些包体的地质、岩相学、LA-ICP-MS锆石U-Pb年代学和元素地球化学特征。包体多呈椭圆状,显示淬冷边和反向脉,具有典型的岩浆结构并含有针状磷灰石,有的包体含有长石捕虏晶。包体具有相对较低的SiO₂（低至57.05 wt%）和较高的MgO+Fe₂O₃（高达14.21 wt%）含量。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年数据表明,包体形成于晚三叠世（224 Ma）,与寄主花岗岩（230~228 Ma）在误差范围内基本一致。上述特征表明,包体是离散的幔源偏基性岩浆团或者是幔源与寄主岩浆混合的产物。原始包体岩浆属于超钾质岩浆,可能是通过岩石圈地幔中交代成因的金云母辉石岩脉发生部分熔融而形成的。暗色微粒包体的发现为幔源岩浆底侵提供了直接证据,从而为蔡江花岗质岩石形成于较高温度提供佐证。该研究对于进一步探讨华南印支期花岗岩形成的热源机制具有意义。