SPAC系统中水热耦合运移方程的有限元迭代算法

本文给出了ＳＰＡＣ系统中水热耦合运移方程的有限元算法，该算法将水热方程离散为一个块三对角代数方程组，使得水热参数同时被求出。同时，在总体上实行了迭代，一定程度上提高了计算精度     

河道低温水对地表水-地下水交错带温度的影响

利用饱和多孔介质水热耦合运移数学模型,分析了流入河道的水库下泄低温水水位和水温对地表水-地下水交错带温度场的影响规律。研究表明:在低温水下渗过程中,水热运移以热对流作用占主导,热传导、热弥散等作用较弱;河道水位升降明显决定着受影响的温度场区域范围大小;河道水温高低主要影响温度场各点温度的变化幅度。     

基于时空分数阶导数模型的潜流带溶质运移模拟

为弥补传统整数阶导数对流-弥散方程在潜流带溶质运移模拟时难以描述介质非均质性引起的溶质运移的不足,在潜流带溶质运移模型中引入时空分数阶导数项,分别从一维和二维角度出发对分数阶导数方法在潜流带溶质运移模拟中的适用性进行讨论。研究发现：时间分数阶阶数α体现溶质运移过程的滞时效应,使穿透曲线具有明显的拖尾特征;空间分数阶阶数β刻画介质非均质性引起的溶质超扩散现象。参数敏感性分析结果表明：引入分数阶方法相较于传统对流-弥散方程使得方程对流速和弥散系数改变的敏感性增强,解决了传统整数阶方法无法准确描述潜流带中介质强非均质性的缺陷。野外示踪试验进一步证明：由于潜流带中介质非均质性强且存在多维流的特点,传统二维整数阶对流扩散方程对溶质运移过程刻画存在不足;一维分数阶导数模型在模拟潜流带溶质运移时,能够更准确计算溶质浓度峰现时间,描述穿透曲线拖尾现象;二维分数阶导数模型受到不同方向参数设置的影响,在没有纵深方向介质差异导致的水流、介质参数差异的前提下,模拟水平面内溶质扩散过程更具适用性。     

基于热追踪方法的河道垂向潜流通量的非均质性研究

提出以河床温度作为示踪变量,基于一维稳态垂向热量运移问题的解析解,结合曲线拟合的热追踪方法推求潜流通量和地表水温度等参数。以山东省汶上境内大汶河为例,对3个不同剖面的潜流通量进行实例分析,并通过地下水温度和潜流带深度的关系曲线揭示潜流带深度的分布规律。结果表明：热追踪方法可以定量刻画河道垂向潜流通量的非均质性。本次试验测温剖面上潜流通量变化范围为99.61~356.25L（/ m2·d）;在夏季,实测河床温度剖面低温区为潜流通量高值区;河道剖面上潜流通量服从正态分布,同一剖面不同位置处数值差异较大,没有明显变化趋势,存在多个集中排泄区,约62%的总潜流通量来自于50%的总剖面长度,呈显著空间非均质性,证实了通过热追踪方法研究潜流通量非均质特征的有效性;潜流带深度与潜流通量大小呈反比关系,通过此方法说明潜流带深度也呈现空间非均质性。     

基于Bayes理论的田间层状土壤水分运动参数识别及不确定性分析

土壤水分运动参数是非饱和带水分及污染物运移研究的核心参数,根据点尺度土壤样本的室内稳态试验得到的水分运动参数往往不能准确反映天然条件下田间尺度土壤水分运动特征。本文基于为时2年的田间土壤含水量观测数据(2013年为率定期,2014年为验证期),通过土壤转换函数得到了VGM(van Genuchten-Mualem)模型水力参数的先验分布,建立了反演层状土壤持水和导水特征的贝叶斯模型,采用自适应差分演化(DREAMZS)的采样方法,结合Hydrus_1d模型,对田间尺度土壤水分含量预测模型进行优化及不确定性分析,获得了水分特征参数的后验分布,分析了最优参数组的模拟效果及模型预测的95%的置信区间。结果表明,基于DREAMZS采样的Bayes方法可以实现田间尺度层状土壤水分特征参数的率定及土壤水分动态的模拟预测。率定结果显示饱和导水率Ks最不敏感,饱和含水量θs最为敏感,可识别性较高,室内试验反演得到θs可用于田间土壤水分运动的模拟。随着土壤含水量模拟深度的增加,PUCI(单位平均相对宽度所包含的实测点数据比例)值越大,模型预测的性能越高。模拟结果的不确定性主要由模型结构所引起,所以对模型结构的修改完善是未来提高模型预测的关键。     

基于温度时间序列分析的水库 下泄低温水入渗速度研究

用温度作为示踪剂,基于饱和多孔介质一维稳态水热运移方程,运用时间序列分析法推求入渗速度,分析该方法的适用条件和范围,以及对热力参数选取的敏感性。以浙江省新安江下游河段为例,通过分析河岸带潜流区不同深度温度传感器的温度分布曲线相位和振幅变化,研究地表水和地下水的交换特征。结果表明流速较低时,入渗速度对不同深度的振幅变化较敏感,入渗速度接近±1×10^-5 m/s时,相位差的变化对入渗速度的影响最大。监测时段内试验区的入渗速度大致为2.22×10^-5~4.39×10^-5 m/s,入渗速度的数值均为正值,即在监测时段内均为地表水补给地下水。时间序列分析法对河床冲刷和沉积较不敏感,适用于较复杂的水流条件,且在一定程度上克服热弥散度的误差。     

不同浓度悬浮物颗粒在多孔介质中迁移特性研究

多孔介质中悬浮物迁移特性的研究,有利于减缓实际回灌工程中的堵塞问题,对地下水人工回灌技术的推广具有重要理论意义。采用室内砂柱试验,研究不同悬浮物浓度条件下多孔介质渗透性的变化、悬浮物颗粒在饱和多孔介质中的运移-沉积规律,并分析堵塞发生的机理。本次试验以中位粒径224.2μm的石英砂作为入渗介质并在砂柱中分别连续注入由中位粒径3.24μm的悬浮物颗粒配制而成的三组不同浓度溶液(100 mg·L~(-1)、300 mg·L~(-1)、500 mg·L~(-1))。研究结果表明,在不同的回灌浓度条件下,砂柱内均发生了表面-内部双重堵塞;且随着悬浮物溶液浓度的增加,悬浮颗粒在多孔介质内的迁移量减少,而滞留量却明显增多,但悬浮物浓度对沉积量的影响随着入渗深度的增加而减小;堵塞速率也会随着回灌液浓度的增加而加快;在回灌的初始阶段,多孔介质的渗透性随时间下降幅度很大,随着试验的进行,最终会趋于稳定状态,且越靠近砂柱表层,悬浮物堵塞的程度越为严重。在实际的人工回灌工程中,要尽可能降低回灌液中悬浮物颗粒的浓度,以降低堵塞的风险,保证回灌工程更为长久地运行。     

基于Lu 模型的浅部地温场与渗流场耦合研究

在浅埋地质体中开展温度示踪地下水运移或渗流热监测等技术研究时,浅部地温场是其背景温度场,热量运移过程涉及非饱和带。非饱和带的导热系数受含水量控制,为提高浅部地温场仿真模型的精度,采用Lu模型来表示导热系数与饱和度的定量关系,据此建立了考虑参数非均质性的饱和-非饱和渗流场与周期性地温场的耦合模型。通过修改COMSOL Multiphysics软件的相关模块,实现了双场耦合模型的有限元求解。数值算例的计算结果表明,非饱和带的水分分布及导热性能在垂向上是非线性变化的,地表附近岩土体的饱和度较低,其热导性能较差,地表的温度波动特征在向下传递过程中受到阻滞。与常用的热参数计算方法进行比较分析,认为常用的体积平均模型不能有效评价低含水量非饱和介质的热传递特性,计算时会引入一定的误差,而指数模型与Lu模型的计算结果较为接近。     

银川地区饱和细砂含水介质弥散实验研究

以水动力弥散理论为基础,在中国石油宁夏石化分公司炼油厂和废渣场各采取5组潜水含水层细砂岩心样,采用NaCl做示踪剂,进行室内一维沙柱弥散实验,以半无限含水层中污染物迁移模型的解析解计算了弥散度,并探讨了室内一维沙柱实验测定含水层弥散参数的误差来源,为地下水水质模型的建立提供基础。研究表明:炼油厂潜水含水层弥散度与废渣场潜水含水层弥散度基本接近。模型误差是对室内一维沙柱实验确定弥散参数产生影响最大的一类误差。目前,需加强银川平原大尺度含水层弥散特征的研究。     

The effect of the scale of horizontal subsurface flow constructed wetlands on flow and transport parameters.

Horizontal subsurface flow constructed wetlands have proven their efficiency in treating wastewater and removing the pollutants of concern. Treatment efficiency depends on the wastewater residence time, which is a function of the hydraulic loading and the physical conditions of the constructed filter system, which can be described with effective parameters such as: hydraulic conductivity, porosity, dispersivity etc. Because spatial variability is often scale dependent, these effective parameters may be affected by the scale of the system being studied. In this paper the results of tracer experiments in constructed filters using saturated horizontal flow at three scales (small and medium lab scales and full-scale system) using the same filter media is reported. Light-weight aggregate (filter media termed Filtralite-P) was used at all scales. Increasing the scale was associated with increasing dispersivity, meanwhile hydraulic conductivity experienced dramatic reduction and variation by increasing the examined scale. Observed changes in the hydraulic parameters indicate that heterogeneity at different scales should be taken into account when the performance of LWA filters are evaluated from small-scale experiments.     

特大型变坡土壤槽纵向垂向弥散系数试验研究

本文借助于特大型变坡土壤槽物理模型装置，试验研究了污染物在饱和土壤中水平运移规律，得到了连续输污条件下，饱和土壤中污染物浓度二维时空变化的过程，在分析实测资料的基础上，运用数学模型解 优化技术率定模型参数，得到了具有重要应用价值的纵向、垂向弥散系数。     

包气带岩性结构对降雨入渗能力的影响

降水是鄂尔多斯盆地风沙滩地区地下水的主要补给来源之一,区内包气带岩性结构影响着降雨入渗补给地下水的过程。试验以该区两组均质结构(风积沙、风化砂岩)与两组层状"上粗下细"结构(风积沙-风化砂岩组、风积沙-淤泥质沙组)中水势和水量变化情况分析不同岩性中降雨入渗过程的差异性。结果表明:均质结构和层状"上粗下细"结构降雨入渗过程均呈线性变化过程,但是均质结构的累计入渗量为层状结构的1.5～3.0倍,更有利于降雨入渗;层状"上粗下细"结构中,岩性由粗到细水力梯度增大1.48～1.78倍,下覆细质土较大的水势梯度反映了其低渗性,且降水入渗过程与上覆粗质土无关,主要由下层细质土控制,下层细质土颗粒越细,入渗量越小,较细细质土的入渗量约为较粗细质土的0.66倍。研究结果对于提高鄂尔多斯盆地风沙滩地区水资源评价的准确性具有重要意义。     

The viscoelastic effects on thermal convection of an Oldroyd-B fluid in open-top porous media

The effects of two viscoelastic parameters on the thermal convection of a viscoelastic Oldroyd-B fluid in an open-top porous square box with constant heat flux are investigated. The results show that the increase of relaxation time is able to destabilize the fluid flow leading to a higher heat transfer rate, while the increase of retardation time tends to stabilize the flow and suppress the heat transfer. The flow bifurcation appears earlier with the increase of the relaxation time and the decrease of the retardation time, resulting in more complicated flow patterns in the porous medium.     

注水井回灌过程中堵塞问题实验研究

采用砂柱在实验室内模拟井灌过程中注水井周围砂层的堵塞过程。通过测定渗透系数的变化来分析堵塞的程度，同时，通过测定水样悬浮物浓度、细菌数目、溶解氧、TOC等水质参数的变化来分析井灌过程中可能发生的物理、生物堵塞。试验分别采用平均粒径为0.59 mm和0.34 mm的两种砂样。试验结果分析表明：悬浮物颗粒填充砂粒介质空隙引起的机械堵塞和微生物积聚、繁殖堵塞介质空隙引起的生物堵塞是砂柱堵塞的主要原因；砂柱上部对悬浮物和微生物的过滤、吸附作用强，堵塞也更严重；介质粒径差异对堵塞过程和堵塞程度的影响明显，平均粒径较小的砂柱更容易发生堵塞，而平均粒径为0.59 mm的砂柱渗透系数减小持续时间长，渗透系数减小的幅度大。     

Numerical simulation of thermal convection of viscoelastic fluids in an open-top porous medium with constant heat flux

This paper makes a numerical study of the buoyancy-driven convection of a viscoelastic fluid saturated in an open-top porous square box under the constant heat flux boundary condition. The effects of the relaxation and retardation times on the onset of the oscillatory convection, the convection heat transfer rate and the flow pattern transition are investigated. It is shown that a large relaxation time can destabilize the fluid flow leading to an early onset of the thermal convection and a high heat transfer rate, while a large retardation time tends to stabilize the flow and suppress the convection onset and the heat transfer. After the convection sets in, the flow bifurcation appears earlier with the increase of the relaxation time and the decrease of the retardation time, resulting in more complicated flow patterns in the porous medium. Furthermore, with the increase of the ratio of the relaxation time to the retardation time, the fluid may be blocked from flowing through the open-top boundary, which may be caused by the viscoelastic effect. Finally, the comparison of our results with those under isothermal heating boundary conditions reveals that the heat transfer rate corresponding to a constant heat flux boundary is always higher.     

饱和砂土流固耦合细观数值模型及其在液化分析中的应用

在饱和砂土连续力学模型的基础上,建立了一个饱和砂土固相颗粒和液相流体耦合的细观力学模型,固相颗粒采用离散元的颗粒流理论模拟,液相流体通过求解平均Navier-stokes方程的计算流体动力学技术计算。该细观模型用二维渗流问题进行了验证,并将其应用于饱和砂土的液化分析。数值模拟结果显示,采用的模型可以描述从低雷诺流到高雷诺流范围很大的流体运动。液化分析表明：液化首先在试样的表层产生,接着向深部发展;而超孔隙水压力则从底部开始消散,然后逐渐向上发展,直至完全消散。砂土液化过程中土体孔隙率不断变化,渗透系数也随之改变。