基于降雨空间变异的潜水运动随机模拟方法Ⅰ——非条件模拟

将降雨视为随机场,考虑降雨入渗补给量与地下水埋深的关系,采用二维稳定-非稳定潜水运动的KLPC模型,分析了降雨的空间变异性对水头均值、方差和协方差的影响,利用变异系数描述了水头、流速和水动力弥散系数的变异程度。结果表明,KLPC算法的随机模型具有优越的计算效率;水头方差随降雨场方差和相关长度的增大而增大;在降雨空间变异的条件下,水头随机场呈现出明显的非平稳特性且具有各向异性结构;在非稳定流中,水头协方差表现出“扩散”和“平移”的特性;水头的变异程度较小,在随机模拟中可以不考虑降雨空间变异对地下水流动的影响;但水头的变异导致了流速和水动力弥散系数强烈的变异性,在溶质运移的随机分析中需要予以充分重视。     

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。     

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。     

基于时变矩模型的湄公河上游非一致性洪水频率分析

以湄公河上游为研究案例,基于清盛水文站1960-2019年逐日流量观测数据,采用时变矩模型进行非一致性洪水频率分析,探讨梯级水库建设对洪水频率的影响。结果表明：清盛水文站年最大日流量序列呈显著减小的非一致性特征;清盛水文站广义逻辑斯谛分布搭配均值具有线性趋势的模型拟合最优;与传统频率分析方法相比,时变矩方法计算得到的100年一遇设计流量随时间呈减小趋势,重现期随时间呈上升趋势。湄公河上游梯级水库尤其是糯扎渡水库运行后明显减小了清盛水文站100年一遇的洪峰流量,对下游防洪具有积极作用。     

历史洪水变化时矩法与线性矩法统计性能对比分析

1990年由Hosking等学者提出的线性矩法（method of L-moments）,是水文频率计算中参数估计的新方法,极值分布是水文频率计算中常用的分布,在频率计算中充分考虑历史洪水是我国设计洪水计算的重要经验。为此,简要介绍了线性矩的基本概念,分析了极值分布统计参数与线性矩的关系,通过统计试验对比分析了在历史洪水变化时矩法、线性矩法的统计性能。结果表明,线性矩法的参数比矩法的更稳定。     

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。     

基质吸力对花岗岩残积土强度影响分析

花岗岩残积土分布相当广泛,是工程建设中经常遇到的土体之一。借助非饱和三轴仪进行花岗岩残积土抗剪强度试验分析,探究基质吸力对其强度参数影响。试验结果表明基质吸力和净围压的增大对花岗岩残积土强度有提升作用,花岗岩残积土黏聚力随基质吸力增大呈线性增长趋势,内摩擦角随基质吸力增大呈曲线增长趋势。基质吸力对土体弹性模量的影响也是正相关的,即弹性模量随基质吸力增大呈递增规律。根据试验结果,得出抗剪强度参数与基质吸力的关系式及不同基质吸力下土体的弹性模量表达式。     

P-Ⅲ型分布参数的线性矩估计与期望概率研究

探讨用线性矩法估计P-Ⅲ型分布参数的期望概率,提出利用计算频率提高设计值精度;分析了线性矩法估计参数时的期望概率、计算频率与样本容量的关系。     

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。     

乐亭县降水量及变化特征分析

选用乐亭县10个雨量站1956~2013年降水量资料,采用矩法计算降水量统计参数,再进行适线调整,确定统计分析乐亭县平均降水量的时空分布特征、年代年际变化规律和年内分配特征。结果表明,降水量在空间分布上具有自北部滦河平原区向东南沿海平原区逐渐减少,降水量的年际变化总体呈略微减少趋势。     

Stochastic back analysis of permeability coefficient using generalized Bayesian method

Owing to the fact that the conventional deterministic back analysis of the permeability coefficient cannot reflect the uncertainties of parameters, including the hydraulic head at the boundary, the permeability coefficient and measured hydraulic head, a stochastic back analysis taking consideration of uncertainties of parameters was performed using the generalized Bayesian method. Based on the stochastic finite element method （SFEM） for a seepage field, the variable metric algorithm and the generalized Bayesian method, formulas for stochastic back analysis of the permeability coefficient were derived. A case study of seepage analysis of a sluice foundation was performed to illustrate the proposed method. The results indicate that, with the generalized Bayesian method that considers the uncertainties of measured hydraulic head, the permeability coefficient and the hydraulic head at the boundary, both the mean and standard deviation of the permeability coefficient can be obtained and the standard deviation is less than that obtained by the conventional Bayesian method. Therefore, the present method is valid and applicable.     

渗透系数空间相关性对渗流场统计特征影响分析

渗透系数的空间变异性是影响渗流场不确定性的重要因素。将渗透系数作为各向同性对数正态平稳随机场,通过数值模拟研究渗透系数空间相关性对渗流场统计特征的影响。选取了3种具有代表性的相关函数模型,即指数模型、高斯模型和球状模型,分别以渗透系数的相关距离和变异系数为变化因子对水头方差作敏感性分析。结果表明,渗透系数相关函数模型的选取、相关距离和变异系数的取值对水头方差具有较大影响。     

广义Bayes法在裂隙岩体渗透系数随机反演中的应用

工程中由于存在各种随机因素,采用确定性的渗流分析方法进行渗透系数的反演必然会导致结果的不确定性.本文基于渗流场的随机有限元分析方法,结合变尺度优化算法和广义Bayes法,建立了一种渗透系数的随机反演方法,推导了详细的计算公式.该方法不仅考虑量测水头、渗透系数的随机性,还考虑了边界水头的随机性,不仅可以获得渗透系数的均值反演结果,还可以得到标准差的反演结果.最后将该法应用于重力坝坝基渗流算例分析中,以渗流有限元正分析计算结果作为"假想"的实测点水头值,通过随机反演,同时获得渗透系数均值与标准差的反演结果,将输入信息与反演结果对比分析,验证了渗透系数和标准差反演结果的正确性.     

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     

Stochastic simulation of fluid flow in porous media by the complex variable expression method

A stochastic simulation of fluid flow in porous media using a complex variable expression method (SFCM) is presented in this paper. Hydraulic conductivity is considered as a random variable and is then expressed in complex variable form, the real part of which is a deterministic value and the imaginary part is a variable value. The stochastic seepage flow is simulated with the SFCM and is compared with the results calculated with the Monte Carlo stochastic finite element method. In using the Monte Carlo method to simulate the stochastic seepage flow field, the hydraulic conductivity is assumed in three different probability distributions using random sampling method. The obtained seepage flow field is examined through skewness analysis, and the skewed distribution probability density function is given. The head mode value and the head comprehensive standard deviation are used to represent the statistics of calculation results obtained by the Monte Carlo method. The stochastic seepage flow field simulated by the SFCM is confirmed to be similar to that given by the Monte Carlo method from numerical aspects. The range of coefficient of variation of hydraulic conductivity in SFCM is larger than used previously in stochastic seepage flow field simulations, and the computation time is short. The results proved that the SFCM is a convenient calculating method for solving the complex problems.     

KL展开在渗流场随机分析中的初步应用

在水力特性参数空间变异性的影响下,渗流场具有一定程度的不确定性。分析了随机场KL展开的特点,阐述KLME渗流随机分析方法的基本原理,发现利用KL展开的均方收敛性和摄动方法的渐进收敛性,并将随机偏微分方程转化为递推的确定性偏微分方程组求解,提高了计算效率;对非饱和渗流场进行随机数值模拟,考虑了非饱和渗透函数的参数场之间不相关、正相关和负相关3种情形,分析表明参数场之间的互相关性对渗流场的统计特征具有较大影响。     

土坝坝体注水试验的影响因素

针对目前病险土坝地质勘察中选取坝体土渗透系数较难的问题,采用适合土坝坝体注水试验的渗透系数计算公式,分析了注水试验参数对渗透系数的影响,并对常水头与降水头室内渗透试验与现场注水试验成果进行对比分析。结果表明:土坝坝体注水试验水头和初始水位对试验结果影响最大,注水试验水头过高易产生坝体水力劈裂,造成坝体土渗透系数偏大的假象;大坝坝体填土均适合进行常水头及降水头注水试验;土坝坝体土渗透系数的确定应综合注水试验及室内渗透试验的成果。     

厦门海绵化改造区入渗性能测定及特征

为探究厦门海绵城市改造完成区的入渗性能,利用Guelph入渗仪法测量了两条海绵道路及一个海绵小区的土壤饱和导水率,对比分析了5 cm单水头、10 cm单水头、单水头均值及双水头法所测得土壤饱和导水率的差异,并与传统城市建设区进行了对比分析。结果表明:设有生态多孔纤维棉的新顺路绿化带入渗性能最好,采用一般转输型植草沟的新景路绿化带次之,而设有隔水顶板、地下为停车场的洋塘居住区B13绿地入渗性最差。不同测量方法的结果对比显示,5 cm单水头法计算所得的土壤饱和导水率标准差最小,双水头法的土壤饱和导水率标准差最大;在厦门进行土壤入渗试验时,推荐采用5 cm单水头法计算土壤饱和导水率。     

非饱和水流动态空间变异的随机分析

本研究首先根据野外３０ｍ×３０ｍ的小区域上以一定的间距布设１００个土壤张力监测网点，对土壤张力在空间和时间上变化进行了观测，并对土壤张力的空间变异结构进行了随机统计分析．然后以野外实测的土壤水力特性参数样本的统计分析结果为基础，在假设有关土壤水力特性参数及非饱和水分运动变量为二阶平稳随机场的条件下，应用小扰动分析法导出了层状土壤非饱和水流变量（张力）方差的解析结构．理论分析和试验结果同时表明，土壤张力的方差随张力均值的增大而增大，且方差是均值的二次函数，同时土壤张力的变差函数也是土壤张力平均值的二次函数．