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。     

不同渗透系数的非均质黏土劈裂注浆数值模拟

针对地下工程中软弱黏土地层病害治理问题,考虑黏土材料的非均质性与低渗透性,对黏土进行劈裂注浆加固特性分析。基于Weibull分布函数理论构建非均质黏土地层模型,对黏土进行劈裂注浆加固模拟;基于注浆模拟计算结果,分析不同均质度与渗透系数对黏土劈裂注浆效果的影响。结果表明:土体劈裂注浆难度随均质度的增大而增加,均质度较高土体劈裂后产生的裂缝较为单一,裂缝分布范围较小;均质度较低土体劈裂产生的裂缝宽度较大,裂缝影响范围更广。浆脉扩展的长度及增长幅度随土体渗透系数的增大而减小,高渗透系数土体的劈裂浆脉宽度要大于低渗透系数的土体,渗透系数较小土体的浆脉长度始终比较大,浆脉距注浆孔越远,其宽度越小。研究可为软弱黏土地层劈裂注浆的工程应用提供指导。     

渗透系数的非均质性对地下水溶质运移的影响

本文应用贝叶斯推断方法和随机模拟技术,定量研究了渗透系数的非均质性对地下水溶质运移的影响,并进行了二维理想流的分析计算。计算时分别考虑了随机模拟引起的不确定性和随机模型中参数的不确定性的影响。计算结果表明,贝叶斯推断的参数后验分布是不对称的;当条件数据较多时,参数后验分布的标准方差较小,参数分布的集中趋势较明显;地下水溶质运移的不确定程度随着时间的推移而增加,随着条件数据数量的增多而减少;当考虑参数不确定性时,溶质运移的不确定程度明显增加。     

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。     

基于非均质强弱程度评价GMS求参模块适用性

GMS软件中MF2K PES Process和PEST模块都是参数估算程序,两模块在参数运算过程中交替调用、反复迭代,得到最优的参数值。对于精度要求高、水文地质条件复杂的地下水流模型,GMS反求参数模块的适用性需进行有效验证。以地下含水岩层的非均质性为唯一变量,采用高斯模拟法生成非均质程度不同的渗透系数场,建立给定水文地质参数的理想地下水流模型,进行模型识别,得到等效渗透系数。分析可得,GMS软件反求参数模块的计算精度与水文地质条件有一定的相关性,均质含水层参数估算结果与给定值基本吻合。而含水层非均质性越弱,估算结果精度越高,误差越小,反之计算结果误差越大,为水文地质参数的计算提供借鉴及依据。     

二维强非均质含水层中渗透系数空间变异对污染物迁移的影响

对于强非均质介质,渗透系数的对数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。本文利用改进的连续随机增量方法生成含水层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,分析渗透系数强变异性对污染物浓度空间矩及宏观弥散的影响。结果表明:Levy指数α决定lnK的空间分布形状,宽度参数C则影响lnK的取值范围;污染物的质心位置与C、α的大小无关;C越大、α越小,污染物形状越不规则,污染物的扩散范围越大;且α越小,污染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。     

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%。     

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。     

基于GMS的云南德厚水库下游废弃砒霜厂地下水溶质运移模拟

地下水溶质运移模拟是找出污染物迁移规律、确定污染范围及污染物浓度分布的重要手段,可以为合理开发地下水资源、优化设计地下水开采方案及地下水污染修复提供定量依据。在分析德厚水库咪哩河流域裂隙岩溶含水层的水力性质和污染物运移特征的基础上,运用GMS软件建立地下水流场模型和溶质运移模型,对裂隙岩溶水的流场和污染物进行了数值研究,判断出了污染源分布及污染羽扩展范围,分析了砒霜厂污染物运移对水库建设的影响。     

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。     

水库裂隙岩体渗透系数张量的确定

通过裂隙在空间展布状况的测量,用统计学方法初步确定裂隙岩体的渗透系数张量,获得渗透系数张量的主值及主方向。考虑到裂隙测量的误差,根据野外压水试验得到的单位吸水量,利用巴布什金公式计算岩体的各向同性渗透系数,对其进行修正,从而得到研究区裂隙岩体的修正渗透系数张量。并运用上述方法对蒲石河抽水蓄能电站上水库坝址区裂隙岩体的渗透系数张量进行了计算。结果表明,该方法能较好地反映裂隙岩体渗透性的各向异性特征,可为岩体渗透性分区及防渗帷幕的优化提供科学依据。     

Effects of heterogeneity distribution on hillslope stability during rainfalls

The objective of this study was to investigate the spatial relationship between the most likely distribution of saturated hydraulic conductivity(Ks) and the observed pressure head(P) distribution within a hillslope. The cross-correlation analysis method was used to investigate the effects of the variance of ln Ks, spatial structure anisotropy of ln Ks, and vertical infiltration flux(q) on P at some selected locations within the hillslope. The cross-correlation analysis shows that, in the unsaturated region with a uniform flux boundary, the dominant correlation between P and Ksis negative and mainly occurs around the observation location of P. A relatively high P value is located in a relatively low Kszone, while a relatively low P value is located in a relatively high Kszone. Generally speaking, P is positively correlated with q/Ksat the same location in the unsaturated region. In the saturated region, the spatial distribution of Kscan significantly affect the position and shape of the phreatic surface. We therefore conclude that heterogeneity can cause some parts of the hillslope to be sensitive to external hydraulic stimuli(e.g., rainfall and reservoir level change), and other parts of the hillslope to be insensitive. This is crucial to explaining why slopes with similar geometries would show different responses to the same hydraulic stimuli, which is significant to hillslope stability analysis.     

基于地统计学的伊犁-巩乃斯河谷渗透系数空间变异性研究

渗透系数的空间变异性研究是水文地质领域研究的热点问题之一,然而伊犁-巩乃斯河谷区渗透系数的变化规律尚不清楚,一定程度上制约了该地区地下水形成演化和资源评价的研究进程。运用地统计学理论和方法,进行了伊犁-巩乃斯河谷含水层渗透系数的空间变异性分析。结果表明:伊犁河谷西部平原区的潜水含水层的渗透系数服从Box-Cox变换的正态分布,承压水的渗透系数服从对数正态分布,变差函数均符合高斯模型;采用Kriging最优值理论进行了插值空间分析,潜水渗透系数插值结果表现为霍城县西部渗透系数偏高,伊宁县北部为渗透系数最小的区域,巩乃斯河谷地渗透系数较稳定;承压含水层渗透系数除察县附近外,总体呈现自东向西逐渐变小的特点;结合该区地形地貌和水文地质条件,划分了潜水和承压水的渗透系数分区,为地下水资源评价提供了关键水文地质参数。     

An Appraisal on the Interpolation Methods Used for Predicting Spatial Variability of Field Hydraulic Conductivity

Knowledge of spatial variability of soil hydraulic conductivity is a key parameter for hydrological modeling. Spatial variability of soil hydraulic conductivity, K_s is attributed to soil heterogeneities associated with texture/structure, different initial conditions, meteorological changes, and clogging. The spatial variability is quantified by employing interpolation methods to point measurements performed in the field. There are not many studies reported in the literature that deals with the critical evaluation of the relative performance of different interpolation methods for predicting spatial variability of hydraulic conductivity. The primary objective of this study is to perform a critical evaluation of five interpolation methods, namely Kriging, Inverse Distance Weighted, Natural Neighbor, Spline and Trend for the spatial prediction of hydraulic conductivity. The accuracy of different methods was assessed by comparing the predicted values with the measured hydraulic conductivity of selected locations. It was noted that the Kriging method with exponential model gave a better spatial prediction as compared to other methods. The spatial variability of K_s was found to be in the same pattern as that of the percentage variation of the sand fraction for both the sites investigated in this study. It was further noted that the prediction of K_s was found to be more precise for those stations with a higher percentage of sand. A sudden transition of soil type from sand to silt was found to influence the accuracy of spatial prediction.

     

渭河临潼段漫滩沉积物渗透系数分析

河漫滩沉积物渗透系数空间变异性特征对流域生态环境修复与保护具有重要意义。为研究河漫滩沉积物渗透系数空间变异性特征,采用双环试验法和竖管试验法,分别选取渭河临潼段内6个试验段合计6个非饱和试验点、138个饱和试验点渗透系数进行研究,并通过地统计学法进行分析,发现渭河漫滩非饱和带渗透系数和饱和带渗透系数分别介于1.30~6.08 m/d和0.002~1.763 m/d之间,结果表明:渭河临潼段漫滩沉积物非饱和渗透系数较大,饱和渗透系数较小;河漫滩饱和渗透系数沿河符合正态分布且变异性较强;河漫滩饱和渗透系数空间相关性较弱,但均具有空间自相关性。研究结果为渭河流域地表水和地下水转换关系研究提供了理论和数据支持。     

城市流域径流峰值对降雨时空异质性的响应

基于高时空分辨率的降雨产品,采用RainyDay暴雨生成器生成具有不同时空分布情景和降雨历时的设计降雨,通过分布式水文模型GSSHA模拟分析径流峰值对降雨时空异质性的响应规律,结合协方差分析方法和所构建的降雨时空异质性指标体系,定量研究不同降雨时空异质性指标对径流峰值的影响。结果表明:耦合短时序(2008—2016年)栅格降雨数据和RainyDay暴雨发生器,可以生成与实际降雨时空分布相似的流域设计降雨;降雨时空异质性对径流峰值具有显著的影响,其影响比降雨历时和降水量对径流峰值的影响大;雨峰系数、降雨集中度、1 h最大降水量对径流峰值的影响较大,其中雨峰系数的影响随着降雨历时或降雨重现期增大而减小,而降雨集中度则相反。     

STOCHASTIC ANALYSIS OF UNSATURATED FLOW WITH THE NORMAL DISTRIBUTION OF SOIL HYDRAULIC CONDUCTIVITY

Stochastic approaches are useful to quantitatively describe transport behavior over large temporal and spatial scales while accounting for the influence of small-scale variabilities. Numerous solutions have been developed for unsatu-rated soil water flow based on the lognormal distribution of soil hydraulic conductivity. To our knowledge, no available stochastic solutions for unsaturated flow have been derived on the basis of the normal distribution of hydraulic conductivity. In this paper, stochastic solutions were developed for unsaturated flow by assuming the normal distribution of saturated hydraulic conductivity ( K,). Under the assumption that soil hydraulic properties are second-order stationary, analytical expressions for capillary tension head variance (σh2) and effective hydraulic conductivity (Kii*) in stratified soils were derived using the perturbation method. The dependence of σh2 and K," on soil variability and mean flow variables (the mean capillary tension head and its temporal and sp     

基于含水层渗透系数研究的云-Markov模型：建立与应用

渗透系数的精度对地下水流和溶质运移有重要影响，传统方法在计算渗透系数的过程中均存在一些局限性。本文建立了一种新的云-Markov模型对渗透系数进行预测：利用云模型中的多条件多规则不确定推理技术，根据样品的粒径分布对渗透系数进行预测，并对其进行误差分析；在此基础上利用权Markov链对预测误差的随机性进行模拟，进而根据此模拟值对云模型的预测结果进行校正，将校正后的预测值作为云-Markov模型最终的计算结果输出，即完成对一个样品渗透系数的预测。将该模型应用于华北平原典型区冲洪积扇含水层参数研究，计算结果表明：与渗透系数的实测值相比，云模型的误差相对数介于0.996~1.178间，通过权Markov误差校正后，云-Markov模型的误差相对数为1.021~1.134，预测精度较最初的云模型有了一定的提高。故与传统模型相比，云-Markov模型基本可以应用于含水层渗透系数的计算。     

自然状态下流域洪峰对降雨时空异质性的响应规律

针对自然状态下降雨时空异质性如何影响流域洪峰的难题,提出了基于RainyDay模型和SWAT模型的洪水频率分析方法。以东江流域为例,利用RainyDay模型构建不同重现期下的设计降雨,并将其重构为6种不同降雨时空异质性的降雨情景,将上述情景作为SWAT模型前端输入,定量模拟自然状态下流域洪峰对降雨时空异质性的响应。结果表明：当情景间的时间异质性差值趋于0时,随着情景间的空间异质性差值的增加,洪峰差值随之增大,最大洪峰差值超过700 m³/s,平均洪峰差值超过300 m³/s;当情景间的空间异质性差值趋于0时,随着情景间的时间异质性差值的增加,洪峰差值随之增大,最大洪峰差值接近700 m³/s,平均洪峰差值超过200 m³/s;在同一重现期下,降雨时空异质性均较高的情景所产生的洪峰高于其他情景,最大洪峰差值超过1 000 m³/s;降雨空间异质性对洪峰的影响较时间异质性更为显著。     

Modeling Leachate Contamination and Remediation of Groundwater at a Landfill Site

Leachate contamination of an aquifer from a landfill site was simulated using the groundwater flow and transport model SUTRA developed by the U.S. Geological Survey. The model calibration was performed by spatially adjusting the hydraulic conductivity in order to capture the measured hydraulic head spatial variation and then by adjusting the dispersivity and porosity match the measured chloride plume. Based on the simulations it was found that without remedial action the contaminants in the existing leachate plume would remain above acceptable regulatory concentration levels for longer than 2010. The chloride loading of an adjacent stream exceeds acceptable levels under Ontario's Reasonable Use Guidelines. Simulations indicate that a pump-and-treat system using additional two purge wells could remediate the leachate contamination within approximately 10 years from now.