Influence of heterogeneity on unsaturated hydraulic properties: (1) local heterogeneity and scale effect

Spatial heterogeneity is ubiquitous in nature, which may significantly affect the soil hydraulic property curves. The models of a closed‐form functional relationship of soil hydraulic property curves (e.g. VG model or exponential model) are valid at point or local scale based on a point‐scale hydrological process, but how do scale effects of heterogeneity have an influence on the parameters of these models when the models are used in a larger scale process? This paper uses a two‐dimensional variably saturated flow and solute transport finite element model (VSAFT2) to simulate variations of pressure and moisture content in the soil flume under a constant head boundary condition. By changing different numerical simulation block sizes, a quantitative evaluation of parameter variations in the VG model, resulting from the scale effects, is presented. Results show that the parameters of soil hydraulic properties are independent of scale in homogeneous media. Parameters of α and n in homogeneous media, which are estimated by using the unsaturated hydraulic conductivity curve (UHC) or the soil water retention curve (WRC), are identical. Variations of local heterogeneities strongly affect the soil hydraulic properties, and the scale affects the results of the parameter estimations when numerical experiments are conducted. Furthermore, the discrepancy of each curve becomes considerable when moisture content becomes closer to a dry situation. Parameters estimated by UHC are totally different from the ones estimated by WRC. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

中国西北内陆盆地水分垂直循环及其生态学意义

中国西北内陆盆地中的地下水系统,对维系其浅表水分、热量、盐分均衡以及地表的生态平衡、土壤的资源属性和局部地域气候相对稳定性具有不可或缺的调节作用,这种调节作用是通过饱和带水、包气带水(土壤水)、近地表大汽水和植物体内水("四水")之间的垂直循环来实现的.目前的相关研究主要侧重于地下水与地表植被类型间对应关系的统计分析,较少涉及水分运移的机制;而以水分垂直循环的动力学机制为研究对象的SPAC系统(土壤-植物-大气连续体),则对地下水的重视程度不够,且存在着尺度转换的困难,更为完整的应该是GSPAC系统(地下水-土壤-植物-大气连续体).干旱区内陆盆地地下水生态效应的研究需要开展以下的工作:"四水"垂直循环的动力学过程与机制研究,尤其是饱水带-包气带界面水、汽、热转化过程的研究;人类活动影响下地下水系统演化特征的研究,它不仅是实现水分垂直循环研究的最终目的——水资源合理开发利用的中间环节,更是将"四水"垂直循环这一微观水文循环过程与区域水文循环过程相结合,实现尺度转化的关键所在.     

青藏高原云-辐射-加热效应和南亚夏季风--1985年与1987年对比分析

文中首先利用NCEP NCAR再分析的风场资料 ,分析了南亚夏季风的时空特征 ,选取了有代表性的典型强、弱夏季风年 ,继而利用ISCCP C2、ERBE S4卫星观测资料和NCEP NCAR再分析资料 ,对比分析了强、弱夏季风前期青藏高原地区的云—辐射—加热状况及其在海、陆差异中的作用。分析结果表明 ,南亚夏季风强或弱 ,其前期青藏高原地区的云—辐射—加热效应有明显的差异。在强 (弱 )南亚夏季风的前期 ,青藏高原大部分地区为相对少 (多 )云区 ,其云量变化不仅表明了此区的云—辐射—加热效应的不同 ,更重要的是与此同时出现的海、陆之间云量分布的“跷跷板”现象 ,进一步改变了海、陆之间的热力差异。而且 ,在强南亚夏季风年 ,这种热力差异不但开始得早 ,而且持续时间长、作用范围大 ,从而对南亚夏季风的形成和变化产生重要的影响     

利用BP神经网络技术建立自贡地区地震动地形效应模型及其在汶川地震中的效验

地形效应是地震学、地震工程学和工程地震学中非常重要的研究课题.地震震后调查发现: 地形起伏变化引起了更严重的地震灾害, 地震仪器也记录到复杂的三维地形对地震动具有放大效应.关于地形激发的地震动效应问题, 目前仍处于定性研究阶段, 得到了一些定性的结论: 如地形效应表现为与地形坡度相关、与山脊和山谷相关、与山形坡面形态相关、与山体高宽比相关、与地形变化的尺度相关等等.这些定性结论没能给出影响地形效应的主要因素, 如何预测地形效应仍是难题.本文通过谱元数值模拟方法, 计算了自贡地区的地震动地形效应的放大系数, 同时引入BP神经网络技术, 揭示了地形放大系数可以用不同尺度地形上的变化来表述, 即可以用地形高程、地形变化梯度及其高阶变化梯度来表示.据此为参量, 文中建立了地形效应BP神经网络的预测模型, 并将该预测模型的结果与自贡地形台阵在汶川地震中的主震记录获得的地形放大系数结果进行了对比, 给出了预测结果与实际结果的差异范围, 讨论了造成差异的成因, 该论文提出的研究方法为更全面的研究地形效应提供了重要的研究思路.

     

可调滞回模型的磁流变阻尼器及其试验

本文在现在磁流变阴尼器性能研究的基础上，提出了可调滞回模型的磁流变阻尼器及其试验方法，并进行理论、试验及算例分析。首先，根据恒定电流下磁流变阻尼器的阻尼力滞力特性，利用磁流变材料特性的电流（即磁场）可控特点，建立了变电流下的阻尼力滞回模型；其次，在中通过电路板控制外加电流与装置变形间的函数关系，实现了变电流调节的阻尼力滞回模型；最后，将磁流变阻尼器与橡胶隔震装置结合，形成智能磁流变隔夺装置，并对一个单自由度隔震结构进行了数值仿真分析。     

西太平洋暖池区热带波动的天气效应

为了探讨西太平洋暧地区热带波动的天气效应，利用1980年2－9月140°E日本静止卫星纬度时间剖面卫星云图，分析了5d和14d左右周期热带波动云的演变特征，井综合分析了14d周期的云系演变型式与流场的关系，为预报热带中期天气变化规律提供了依据；热带波动中30－60d大气低频振荡的云量变化最显著，北半球夏半年热带波动的天气压主要在10°N－0°，各半年在10°N－10°S，超过这个区域热带云量的港分布型式就有明显的变化。     

Process and Mechanisms of Deep Fluid Effects on Hydrocarbon Generation and Pore Space in Shale: A Case Study from the Mesoproterozoic Xiamaling Formation in the Zhaojiashan Section

Heat carried by deep fluid might greatly affect hydrocarbon generation and pore space in shale. Dyke intrusion carrying high levels of heat may be a means by which to explore the influence of deep fluid on shale reservoirs. This study evaluates hydrocarbon generation and analyzed the evolution of shale storage space in the third member of the Xiamaling Formation in the Zhaojiashan section, Hebei Province, based on experimental data such as TOC, SEM, VRo, low-temperature N2 adsorption and high-pressure mercury injection. The results show that the dyke intrusion reduced the shale TOC content drastically―by up to 77%―and also induced instantaneous hydrocarbon generation over a range about 1.4 times the thickness of the intrusion. Furthermore, the dyke intrusion might transform organic pores in surrounding shales into inorganic pores. There were two shale porosity peaks: one appeared when VRo = 2.0%, caused by the increase of organic pores as thermal maturity increased, the other occurred when the VRo value was between 3% and 4%, caused by the increase of inorganic mineral pores. It can be concluded that dyke intrusion can be an effective tool with which to study how deep fluid affects instantaneous hydrocarbon generation and pore space in shale.     

五圆柱体结构群绕流特性及互扰效应研究

基于Fluent流体计算平台,运用大涡模拟方法对亚临界雷诺数Re=3900下“X”形排列五圆柱体结构群三维绕流特性进行研究,主要分析来流攻角α与间距比L/D两个关键参数对五圆柱体结构群的尾流区三维涡结构演化与流体力系数的影响,并揭示其内在流动互扰机理。研究表明:来流攻角和间距比的变化对五圆柱体结构群流动控制及互扰效应的影响显著。在小间距比工况下,观察到柱体群间隙区域内流体高速流动的现象,导致五圆柱体之间的互扰作用十分强烈。间隙流对中间圆柱体和下游圆柱体有较强的冲击作用,对其表面的流体力分布特性有显著的影响。另外,大间距比工况下,当α=0°与L/D≥5.0工况时,柱体群尾流效应强于其间隙流效应。当α=22.5°与L/D=7.0时,位于下游与中间处的圆柱体流体绕流特性存在较大差异。而当α=45°与L/D≥6.0时,位于上游与中间处的圆柱体尾流区均会产生正负交替的漩涡结构。     

鄱阳湖地区大气边界层特征的数值模拟

采用WRFV2.2中尺度数值模式对鄱阳湖地区200 km×200 km范围内,2009年11月5日00∶00至2009年11月6日12∶00不同高度的气象要素进行了数值模拟,得到了水平分辨率为1 km的鄱阳湖地区大气边界层风、温、湿度场和廓线分布的大气边界层物理特征.模拟结果发现:白天鄱阳湖面上空存在着冷岛效应并伴随湖风,而夜间湖面上空存在着热岛效应并伴随陆风,湖面与陆地之间最大温差可达6 ℃;同时地形以及下垫面类型对鄱阳湖区风场的分布具有很大影响,夜间存在一条东北西南走向的低空辐合带,白天逐渐消失;此外受风场和地形作用湖面上空的湿度分布也不均匀,白天湿度层厚度低而夜晚湿度层厚度高,湖中心右侧湿度值大于左侧湿度值.模拟结果能较好地反映鄱阳湖的大气边界层物理特征,有助于了解鄱阳湖地区区域气候的特点,以及由于地形、地理环境、地表特征所形成的不同高度上的风、温、湿的分布规律和大气边界层物理特征,为鄱阳湖地区局地天气预报、风能资源开发、环境保护等提供了科学依据.     

输电线断线对高压输电塔-线体系的冲击作用分析

研究了输电线断线对高压输电塔-线体系的冲击作用。给出了断线前后的结构动力平衡方程。分别采用梁单元、杆单元和悬链线单元对输电塔、绝缘子和输电线进行了模拟。根据实际工程,考虑输电线的几何非线性建立了高压输电塔-线体系的三维有限元模型,并计算了输电塔的动力特性。根据分析方法及分析工况,分别研究了不同工况下断线对高压输电塔-线体系的冲击作用及安全度评定。研究结果表明,地线的断线冲击较小,应该考虑不同的导线断线组合情况;断两根导线的冲击值,接近于设计所取的安全系数;输电线断线对高压输电塔的冲击作用不可忽视。