月球极区冻结模拟月壤物理力学特性研究

近年来越来越多的探测结果表明,月球极区永久阴影区月壤中存在水冰。水是人类赖以生存的化学物质,也是理解月球独特的形成与演化过程的关键环节。因此,各航天大国均将月球极区作为探月工程的重要目标。冻结月壤的导热系数和单轴抗压强度是月球极区原位探测取样的基础和关键参数。本研究采用低温试验研究了冻结模拟月壤的导热系数和单轴抗压强度。结果表明：冻结模拟月壤导热系数随含水率增大而线性增大,冻结模拟月壤的导热系数为0.2~1.3 W?m^-1?K^-1。冻结模拟月壤单轴压缩过程中发生脆性破坏,5%含水率冻结模拟月壤单轴抗压强度约为5 MPa,10%含水率冻结模拟月壤单轴抗压强度约为13 MPa。在初始加载阶段,干密度相同、含水率不同的冻结模拟月壤试样因微裂纹压密导致的应变量基本相同;在线弹性阶段,冻结模拟月壤有效弹性模量随含水率增大而增大,其主要原因是含水率增大使得月壤颗粒间的冻结强度增大;在破坏阶段,含水率较高的冻结模拟月壤表现出脆性破坏特征,含水率较低的冻结模拟月壤表现出更显著的塑性特征。研究结果将为月球永久阴影区水冰探测方案制定、探测器研制等提供基础的科学数据支撑。     

江汉平原土壤饱和渗透系数变化规律及影响因素

目前对影响土壤饱和渗透系数规律的机理缺乏深刻认识.以不同沉积环境、不同岩性及不同土地利用方式的江汉平原汉江下游浅层土壤为对象,采用改进的TST-55型土壤渗透仪开展室内变水头达西实验.结果表明,研究区内土壤饱和渗透系数平均值为4.94×10-5cm/s,服从对数-正态分布;粉砂壤土冲积物和湖积物的饱和渗透系数平均值为3.53×10-5cm/s和1.98×10-5cm/s,粉砂质粘壤土中,两者分别为8.13×10-7cm/s和5.88×10-7cm/s,同一岩性冲积物的饱和渗透系数较湖积物大;冲积物中,砂壤土、粉砂壤土和粉砂质粘壤土饱和渗透系数平均值为1.98×10-5 cm/s、3.53×10-5 cm/s和8.13×10-7 cm/s,表现为砂壤土>粉砂壤土>粉砂质粘壤土;耕作土壤中,粉砂壤土、粉砂质粘壤土的饱和渗透系数平均值为3.75×10-5 cm/s和8.11×10-7cm/s,非耕作土壤中,两者分别为1.88×10-6cm/s、5.93×10-7cm/s,同一岩性耕作土壤饱和渗透系数较非耕作土壤大.      

北京平原区第四系热物性参数特征及对浅层地热能开采的影响因素分析

【研究目的】 岩土热物性是影响浅层地热能资源评价及利用的重要参数。【研究方法】 在北京平原区各冲洪积扇采集了695件第四系岩土样品进行热物性及土工参数测试,分析了热物性参数特征及其对浅层地热能开采的影响。【研究结果】 北京平原区第四系岩土热导率平均值为1.465~2.022 W/(m·K),热扩散率平均值为0.450×10^-6~0.841×10^-6 m²/s,比热容平均值为2.323~3.080 MJ/(m³·K),热导率（λ）与热扩散率（κ）值存在一定的线性关系,相关方程为λ =1.6973κ + 0.6127。第四纪松散沉积物颗粒越细,热导率值越低;含水率0~5%范围内,热导率随含水率增加迅速增大,含水率5%~20%范围内,热导率增加变缓并趋于稳定,含水率20%~40%范围内,热导率随含水量增大而降低;在天然状态下,热导率随着密度的增加而增大,随着孔隙比的增加而降低;样品温度在0~40 ℃范围内,热导率随温度升高呈先减小后增大的趋势,20 ℃时热导率最低。【结论】 第四系热物性参数随地质条件变化而变化,热物性参数大小会影响浅层地热能储存、采集和扩散能力,热导率、热扩散率及比热容越大,岩土蓄热和导热能力越强。     

利用趋势化随机参数场的地下水流数值模拟优化方法

水文地质参数场的刻画是建立地下水流数值模拟模型的关键问题和难点问题。通常来讲,参数场合理性程度越高,模型拟合精度越高。本次研究将随机方法和参数空间分布表达进行结合,提出了趋势化随机参数场的构建方法。以渗透系数为研究对象,首先利用MCMC采样和样本数据特征确定水文地质参数的基本数据结构,进而根据样本空间分布特征对其进行趋势化处理,最终形成趋势化的渗透系数场。通过算例分析,利用趋势化处理后的渗透系数场能够大幅提高模拟精度,相比传统赋均值方法其误差可降至原来的1/3。在北京大兴跌隆起地区进行的实例应用说明,趋势化渗透系数场对提升岩性粒径较大(中砂以上)地区模拟精度效果显著,案例中粗砂区域渗透系数经趋势化处理后平均拟合误差由2.76 m下降至0.64 m;而对岩性以细砂及以下粒径为主的区域模拟精度提升并不明显。总体来说,该方法可为地下水流数值模型的优化提供借鉴,提升模型拟合精度,从而更加合理地刻画地下水流系统。     

连续电导率观测系统在五龙金矿深部找矿预测中的应用研究

辽宁省五龙金矿区地质工作程度较高,截至目前开采深度达近千米,而地球物理工作相对滞后,急需开展深部隐伏矿地球物理探测工作,进而指导深部找矿预测研究,实现寻找深部隐伏矿的有效突破。为此,在分析矿区地质、构造及岩矿石物性资料的基础上,结合区域航磁资料和区域构造的分析结果,针对矿区主要成矿地质体和成矿构造,实施开展了连续电导率观测,通过二维反演与综合分析,预测五龙矿区163主矿体向下仍有较大的成矿空间,且矿体向东南方向延伸,在矿区东南部及外围形成较为有利的成矿部位,进而为下一步矿区地质找矿工作提供有效帮助或指导。     

冻土导热系数研究现状及进展

冻土导热系数是影响冻土温度及热通量变化的一个重要参数,也是研究陆地表层水热盐耦合运移的基本物理参数。根据国内外研究现状,列举了导热系数的测试方法（稳态法和瞬态法）,总结并讨论了冻土导热系数的影响因素及其变化规律,并对目前已有的导热系数计算模型进行了比较分析。现有研究认为：土壤质地、温度和含水（冰）量、孔隙度、土壤有机质等是影响冻土导热系数的主要因素,因此,冻土土导热系数随这些影响因素的变化规律方面的研究工作非常多;而关于未冻水含量、土骨架组成及冻土结构等对冻土导热系数影响的相关研究较为缺乏。通过比较分析国内外土壤热导率计算的相关模型,认为适用于常温下导热系数的模型发展趋于成熟;而现存的适用于冻土区的导热系数计算模型多以一种或几种土壤条件为前提,或者多考虑局地因素影响,模型的适用性具有局限性。考虑到多年冻土区土壤受冻融循环影响较大,以及多年冻土内部水热传输过程的复杂性,多年冻土区导热系数的计算模型仍需进一步深入研究。     

A pore-scale numerical model for flow through porous media

A pore-scale numerical model based on Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is described for modelling fluid flow phenomena in porous media. Originally developed for astrophysics applications, SPH is extended to model incompressible flows of low Reynolds number as encountered in groundwater flow systems. In this paper, an overview of SPH is provided and the required modifications for modelling flow through porous media are described, including treatment of viscosity, equation of state, and no-slip boundary conditions. The performance of the model is demonstrated for two-dimensional flow through idealized porous media composed of spatially periodic square and hexagonal arrays of cylinders. The results are in close agreement with solutions obtained using the finite element method and published solutions in the literature. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

Effects of experimental uncertainty on the calculation of hillslope flow paths

Measurement uncertainty is a key hindrance to the quantification of water fluxes at all scales of investigation. Predictions of soil‐water flux rely on accurate or representative measurements of hydraulic gradients and field‐state hydraulic conductivity. We quantified the potential magnitude of errors associated with the parameters and variables used directly and indirectly within the Darcy – Buckingham soil‐water‐flux equation. These potential errors were applied to a field hydrometric data set collected from a forested hillslope in central Singapore, and their effect on flow pathway predictions was assessed. Potential errors in the hydraulic gradient calculations were small, approximately one order of magnitude less than the absolute magnitude of the hydraulic gradients. However, errors associated with field‐state hydraulic conductivity derivation were very large. Borehole (Guelph permeameter) and core‐based (Talsma ring permeameter) techniques were used to measure field‐saturated hydraulic conductivity. Measurements using these two approaches differed by up to 3\9 orders of magnitude, with the difference becoming increasingly marked within the B horizon. The sensitivity of the shape of the predicted unsaturated hydraulic conductivity curve to ±5% moisture content error on the moisture release curve was also assessed. Applied moisture release curve error resulted in hydraulic conductivity predictions of less than ±0\2 orders of magnitude deviation from the apparent conductivity. The flow pathways derived from the borehole saturated hydraulic conductivity approach suggested a dominant near‐surface flow pathway, whereas pathways calculated from the core‐based measurements indicated vertical percolation to depth. Direct tracer evidence supported the latter flow pathway, although tracer velocities were approximately two orders of magnitude smaller than the Darcy predictions. We conclude that saturated hydraulic conductivity is the critical hillslope hydrological parameter, and there is an urgent need to address the issues regarding its measurement further. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.     

用格子玻尔兹曼方法模拟非均匀介质中的电场响应

介绍了用格子玻尔兹曼方法模拟非均匀介质中的电场响应的数值模拟方法. 格子玻尔兹曼方法是从微观领域出发进行数值计算的一种全新的正演模拟方法;从玻尔兹曼碰撞模型出发,利用泰勒展开和Chapman Enskog展开,在基本力学守恒条件和约束条件的限制下,导出了电场响应的扩散方程,得到了局部平衡分布函数的表达式,给出了若干正演模拟的结果;其结果表明,利用这种方法进行非均匀介质中的电场响应正演模拟具有灵活、方便和简单等优点.