二维强非均质含水层中水力传导度空间变异对污染物迁移的影响

对于介质的非均质性相对较小的情况，可将水力传导度对数(lnK) 的空间分布概化为正态分布的统计均匀随机场。而对于强非均质介质，lnK的空间分布可表征为其增量遵从Levy稳定分布的非平稳随机场。本研究假设二维承压含水层内面积为128m x 128 m的研究区域中,在(10m,64m)处瞬时注入浓度为1000 mg/L的污染物：利用改进的连续随机增加（successive random additional, SRA) 方法生成含水层lnK增量具有Levy稳定分布的统计特征的随机场；采用Monte-Carlo数值实验方法并结合MODFLOW与MT3DMS分别模拟研究区域内水流和溶质迁移过程，分析水力传导度强变异性对污染羽状物浓度空间矩及宏观弥散的影响。结果表明：Levy指数a决定lnK的空间分布形状，宽度参数C则影响lnK的取值范围；污染羽的质心位置(一阶矩)与C、a的大小无关；C越大、a 越小，污染羽形状越不规则，污染羽状物的扩散范围(二阶矩)越大；且a 越小，污染羽状物具有明显的拖尾现象；纵向宏观弥散度随时间呈幂函数递增趋势。     

强变异渗透系数对地下水和溶质迁移影响的模拟研究

渗透系数的空间变异性是影响地下水运动和溶质迁移过程的主要因素。本文利用改进的连续随机增加方法(Successive random additional method,简称SRA)生成了渗透系数对数(lnK)具有分维Levy运动统计特征的随机场,并对生成样本的统计特征进行了分析验证,同时应用蒙特卡罗方法研究含水层渗透系数的空间变异性对地下水运动和溶质迁移过程的影响。结果表明:Levy指数α越小,渗透系数空间变异性越强。当研究区域渗透系数的对数lnK增量符合Levy稳定分布时,其纵向流速对数lnv增量同样具有Levy稳定分布,且所对应的Levy指数αlnK与αlnv的大小基本一致。污染羽一阶矩纵向分量Mx随lnK平均值的增大而增大,而与α的大小无关。同一lnK均值条件下,纵向分量Mx随时间增大而增大,横向分量My与时间无关。污染羽二阶矩分量Mxx和Myy随α的减小而增大,表明渗透系数的空间变异性越强,污染物质心的扩散范围越大。渗透系数的空间变异程度对地下水运动和溶质迁移过程的影响十分明显。     

渗透系数空间变异性对堤基渗透稳定影响的数值模拟

土性参数变异性较大是堤防工程风险管理面临的问题之一。在分析土体渗透系数空间变异性的基础上,通过随机数值模拟研究了堤防渗流场统计特征和堤基渗透稳定性。将土体渗透系数作为随机场,采用转动带法进行随机抽样模拟,通过蒙特卡罗方法分析渗流场分布,并计算堤基渗透失稳概率,结合堤防工程进行了计算分析。结果表明,渗透系数的空间变异性对渗流场有较大影响,随渗透系数和临界比降的变异性增大,容易造成局部渗流集中,堤基渗透失稳概率增大。     

土壤孔径分布对污染物迁移过程中弥散系数的影响

弥散作用主要受土体孔隙结构影响,基于孔隙结构特征对弥散作用的影响这一问题,通过压汞实验确定土样孔径分布,以水动力弥散理论为基础,以3种不同粒径组分砂土作土样,以氯化钠作为示踪剂,进行一维土柱水动力弥散和扩散实验。并由实验结果计算出各土样的机械弥散和扩散系数,得出以下结论:随着特征孔径d60或者不均匀系数Pu增大,分子扩散系数只有很小程度的增加,但机械弥散系数却有大幅度的增大,而且扩散作用在整个水动力弥散作用中所占的比例也越来越小,机械弥散受孔隙结构特征影响程度较分子扩散而言要大的多。     

地下水流速及介质非均质性对重非水相流体运移的影响

重非水相流体(DNAPL)在地下介质中的运移分布受多种因素影响,包括DNAPL的物化性质、泄漏速率、地下水流速和介质非均质性等。本文采用地质统计方法生成渗透率随机场刻画非均质性,运用T2VOC模拟不同流速情形下DNAPL在均质/非均质介质中的运移分布,以评估地下水流速和非均质性对DNAPL运移的影响。研究结果表明,地下水流速的增大显著促进了DNAPL的水平和垂向运移。相同流速情形下,非均质性的增强使得DNAPL污染羽分布形态及运移路径的空间变异性增强,出现明显的蓄积和绕流。当DNAPL运移的优势通道方向与流速方向相反时,水流对DNAPL水平运移的促进作用将减弱,反之,其促进作用增强。随着流速与非均质性的同时增强,水平方向上污染羽的扩散范围增大,另外水平和垂直方向上质心位置(一阶矩)及展布范围(二阶矩),污染池起始位置及其长度的空间变异离散程度增大。     

西咸新区降雨空间非一致性对内涝过程影响模拟研究

为分析降雨空间分布非一致性对城市内涝的影响,应用耦合了水文和水动力过程的数值模型,以陕西省西咸新区海绵城市部分核心试点区为研究区域,对不同重现期设计暴雨及离差系数Cv条件下的内涝过程进行模拟,并对内涝积水总量峰值、重度内涝积水总量峰值及其与均匀降雨情况下的内涝积水削减进行对比分析。结果表明:相比于空间均匀降雨,各重现期下空间分布不均匀的内涝积水量均会减少。各重现期下,Cv值越大,即降雨越不均匀,相比于均匀情况内涝积水削减量越大。当Cv值为0.07、0.11、0.15及0.2时,积水总量削减率分别为1.94%～2.05%,3.00%～3.17%,4.08%～4.23%,4.86%～5.15%。重度内涝情况下,同一Cv值,相比于均匀情况内涝积水削减量随设计降雨重现期变长而增多,当Cv=0.07、Cv=0.11、Cv=0.15、Cv=0.20时,削减率的范围分别为2.00%～2.51%、2.60%～3.82%、3.66%～4.98%、3.80%～5.83%。研究结果揭示了降雨空间分布非一致性对内涝的影响规律,为城市内涝防治工作提供了理论依据。     

胶州湾点源污染物扩散的二维模拟研究

建立动边界的平面二维水动力、污染物扩散数值模型,采用ADI法对胶州湾四方港区工程实施前后点源污染物的排放进行了模拟计算.研究表明,工程实施后,各类水质超标水域面积均略有增加,增加的面积主要分布在李村河口与海泊河口的河口混合区区段.     

基于流固耦合的垃圾污染物运移模型及模拟

基于流固耦合和溶质运移理论,建立了垃圾渗滤液有机污染物运移耦合模型,用SOM法对所建的模型进行数值求解,利用该数值模型对垃圾渗滤液在地下水中迁移行为进行模拟,预测了污染物浓度的时空分布特征,对耦合、非耦合模拟结果结合实际监测数据进行对比,并对污染晕的大小、分布范围进行了数值模拟分析.结果表明,耦合模型模拟的污染物浓度变化趋势与监测值基本吻合,从而验证了耦合模型的可靠性和实用性.     

污染场地渗透系数非均质性表征研究

介绍了分区赋值、克里格和序贯高斯随机模拟3种表征渗透系数非均质性方法的原理,对比了不同方法对结果的影响。以某污染场地为例,综合考虑地层、数据采集方法和非均质性表征方法设计了5种方案,研究不同方案对地下水溶质运移模型的影响,探讨了不同表征方法的优缺点及差异性。研究结果表明:序贯高斯模拟法所得的空间分布结果,能反映出存在于局部区域边缘的渗透系数的突变,克服了另外两种方法的局限性。分层序贯高斯随机模拟法能够体现出较为连续的渗透带的分布范围及场地内部渗透性发生变化的位置,较其他几个方案的结果准确性较高。应用分层赋值法能够最大程度地表征污染羽的范围;应用分层随机模拟法能够较为全面地描述出污染羽分布的浓度变化差异。在进行污染场地溶质迁移模拟时,应综合考虑地层岩性、数据采集方法和非均质性的表征方法来描述渗透系数的空间分布。     

基于渗透系数序贯高斯模拟的水库渗漏量不确定性分析

水库库底地层渗透系数是影响水库渗漏量的主要因素之一,研究渗透系数的空间变异特征可为水库渗漏量计算结果的可靠性分析提供科学依据。以天津市北塘水库库底地层渗透系数为研究对象,先利用克里金插值对该参数系列进行了插补,再对插补后的渗透系数系列进行了500次序贯高斯模拟,最后分析了其空间变异性对库区渗漏量计算值不确定性的影响。结果表明:库底地层垂向渗透系数空间结构可用球状模型描述,在变程1210 m范围内具有高度空间相关性。以2005年7月16日渗漏量计算值总体为例,最小值与最大值分别为1 389.49 m3/d、1 897.30 m3/d,且落在区间1 600~1 850 m3/d的频率高达77.6%。     

表层土壤饱和导水率的空间变异对农田水分渗漏的影响

本文将条件模拟方法所得到的表层土壤饱和导水率(Ks)的随机场与土壤水分运动模型相结合,随机地模拟了冬小麦地1999年3月10日～6月10日这一时段的农田水分渗漏情况。总来水量为 353.8mm(灌水量270mm)的情况下,2m土体水分渗漏量最小值为23.73mm,最大值达到了64.73mm,分别占此段灌水量的8.8％和24.0％。另外,比较了实测法、克立格插值法和100次条件模拟得到的水分渗漏量结果,发现条件模拟法与实测法的结果较接近,而克立格插值法具有明显的“平滑效应”,缩小了农田水分渗漏量的范围。这3种方法均反映了表层土壤Ks空间变异对农田水分渗漏的影响,其结果均要好于传统方法。     

山东淄博裂隙岩溶水中污染物运移的数值模拟及治污措施

本文分别应用5种数值计算方法，模拟了山东淄博裂隙岩溶水中污染物的运移，结果表明总变异消减法(TVD法)和混合特征线法(HMOC法)求解该类水文地质条件比较合适。为了解影响污染物运移的主要因素，为污染物治理提供依据，文中将数值计算和敏感度分析结合起来。通过大量的计算，找出主要因素是污染源和水井抽水。因此治理的主要策略为在移去污染源的基础上采用水力截获法，且水力截获带的水井位置、间距、深度和抽水量等，必须充分考虑当地的水文地质条件。     

湖区地层垂向渗透系数概率分布特征分析

为了确定某湖区湖水与地下水的交换水量,根据湖底地层渗透系数的野外现场测定值,用适线法和蒙特卡罗法对研究区地层垂向渗透系数的概率分布进行拟合,在此基础上,分析了渗透系数试验测定值的可靠性.结果表明:与正态分布和均匀分布相比较,湖底地层垂向渗透系数概率分布较接近对数正态分布;渗透系数超过测定均值的概率在30%以上.     

土壤机械阻力对玉米根系导水率的影响

研究了土壤干旱(基质势为-0.86MPa)和湿润(基质势为-0.17MPa)条件下土壤机械阻力对玉米根系导水率(Lpr)的影响．结果显示，土壤机械阻力降低根系导水率，原因是土壤机械阻力使根系平均直径增大，根直径增大使根的径向导水阻力增大，从而使根系导水率降低，土壤干旱除了使土壤机械阻力增大外，还可能加速根内外皮层木质化和栓质化，从而降低根系导水率。     

岩石节理非饱和渗流特性研究

根据岩石节理非饱和渗流试验所测定的节理排泄和吸湿过程，探讨了节理非饱和渗流机理，提出了基于节理概率分布的毛细压力与饱和度的解析模型以及节理非饱和水力传导度的理论表达式. 研究表明，单节理非饱和渗流特性与二维非均质多孔介质具有一定的相似性，本文提出的有关模型可作为确定岩石节理非饱和渗流参数的基本方法。     

黏土渗透性温度效应试验

采用改造的GDS全自动环境岩土渗透仪(柔性壁)和南55渗透仪(硬性壁)开展渗透试验,研究温度和试验方法对黏土渗透系数的影响。结果表明:黏土的渗透系数随温度的升高而增大,渗透系数对数值与温度线性正相关,当温度从20℃升高至70℃时,柔性壁和硬性壁渗透试验结果增幅分别为5.5倍和2.7倍。由于两种渗透试验中试样尺寸和制样方法等差异,柔性壁渗透试验所得渗透系数大于相应干密度下硬性壁渗透试验结果。仅考虑流体黏滞系数和密度随温度的变化(即假设固有渗透率为定值)时,渗透系数估算值随温度的变化规律与实测结果一致,渗透系数随温度的变化主要由流体物理性质的变化引起;但渗透系数估算值与实测值有一定差异,固有渗透率并不是定值。柔性壁渗透试验55 k Pa围压下所得固有渗透率随温度的升高而显著增大,渗透系数估算值小于实测值;而硬性壁渗透试验所得固有渗透率随温度的升高略有降低,渗透系数估算值与实测值相差不大。     

农田土壤表层饱和导水率的条件模拟

本文简单地介绍了地统计模拟中的序贯高斯方法, 以农田土壤表层饱和导水率Ks为例, 对其分别进行了条件模拟和克立格插值, 并将条件模拟、克立格插值结果与实测数据进行了对比分析. 结果表明克立格插值具有明显的"平滑"效应, 改变了Ks数据的空间结构; 而条件模拟具有与实测数据相同的空间自相关结构, 并且对未知点的模拟值具有不确定性. 因此, 条件模拟对于研究那些具有空间不确定性且会对环境带来不良影响的风险性变量, 更具有实际意义.