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。     

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。     

大武水源地裂隙岩溶区示踪试验研究

为在淄博大武水源地遭受污染地区合理布置治理工程,在堠皋试验区进行裂隙岩溶水示踪试验,分析试验区地下水流向,了解金岭断裂两侧水力联系。结果表明:示踪剂运移方向主要为12°和104°方向,优势主流方向为104°;示踪剂浓度与水力坡度、速度、观测孔距离无明显相关关系,试验区岩溶介质具有非均质各向异性特征;地下水视流速大多超过100 m/d,说明研究区地下水流动迅速,污染物运移以对流为主;研究区灰岩断裂构造为张性断裂,导水性良好,对地下水流动有促进作用;研究区含水层岩溶发育不均一,溶孔、溶隙、裂隙、管道、溶洞并存。     

轻非水相液体在非均质地层包气带中运移和分布特征数值分析

论文采用数值分析方法，对轻非水相液体在包气带非均质介质中的迁移和分布特征进行了分析研究。分析过程中，充分考虑了不同结构的土层特征对非水相液体运移的影响。所获得的研究成果将有助于对非水相污染物包气带的污染过程的理解，评价其污染程度。     

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。     

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。     

包气带中裂隙对轻非水相流体运移和分布影响的模拟研究

岩土体中存在的大孔隙、裂隙等,使其呈现出强烈的非均质性。相比均质介质和不含裂隙的非均质介质,轻非水相流体(Light Non-aqueous Phase Liquids,LNAPLs)会优先通过裂隙管道进入土壤中,其运移规律更为复杂,造成的污染更为严重。为此,研究LNAPL在含裂隙基质中的运移与分布规律显得很有必要,研究成果将为裂隙发育区域的污染修复提供理论依据。本文通过室内试验和TOUGH2数值模型分析了裂隙对LNAPL运移及分布的影响。经过分析发现,LNAPL注入后,裂隙中的压强迅速增加,形成以裂隙为核心的、压强逐渐减小的辐射区;LNAPL优先流入裂隙中,以裂隙为核心向四周缓慢扩散,形成圈层状的饱和度逐渐减小的分布区;相同条件下,裂隙越长,同时刻LNAPL的污染面积越大,LNAPL到达饱水带的时间也越短;裂隙的存在,起到了"快速通道"的作用,使得LNAPL在短时间内渗入土壤中,造成严重的污染。     

参数随机模拟在地下水溶质运移数值模拟中的应用

从水文地质参数的随机性出发,以我国南方某大型铀尾矿库为例,采用GMS软件(地下水模拟系统)建立了参数随机模拟的数值模型,分析了渗透系数的空间变异性对地下水溶质运移的影响.结果表明:渗透系数的空间变异性对地下水溶质运移结果有较大的影响.在其它条件都相同的情况下,随着渗透系数标准差的增大,污染物运移的范围扩大,污染物浓度标准差等值线图变得越来越不规则,污染物质心位置偏离面源中心.     

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。     

组合隔板式鱼道水力特性数值模拟研究

鱼道是为鱼类提供洄游通道的一种重要的工程措施。基于Flow-3D采用标准RNG k-ε紊流模型和Tru-VOF追踪自由液面方法,对鱼道池室内流场进行三维紊流数值模拟,研究池室内水流流速、流态空间分布,分析鱼道的水力特性对目标鱼类洄游上溯的影响。结果表明:溢流堰与竖缝组合隔板式鱼道在设计流速v=0.75 m/s条件下,竖缝处平均流速为0.83 m/s,竖缝处流速分布范围为0.76~0.89 m/s;堰上流速为0.90~1.12 m/s,回流区流速分布范围为0.09~0.25 m/s,流速大小在鱼类的克流能力范围之内,但靠竖缝隔板处存在明显的主流贴壁现象。为此开展了池室优化方案设计,使鱼道池室流态满足鱼类上溯要求。     

闸站结合泵站前池流态优化

为了优化闸站结合泵站运行时的前池流态,消除不良流态的影响,采用物理模型试验和数值模拟相结合的方法,分析了不良流态发生的原因。提出了多种优化整流方案,研究了其整流效果,构建了由带通水孔的导流墙、Y型导流墩和沿流向导流坎所形成的组合式整流措施。数值模拟发现,带通水孔的导流墙能够有效缩小并上移导流墙后回流区,再借助Y型导流墩和沿流向导流坎的整流作用,能使前池水流均匀顺直地进入进水池,较好地解决了因横向流速产生的偏流问题。研究结果表明,该组合式整流措施使得进水流道进口流速均匀度由86.30%提高到了93.46%,进水池两侧轴向流速偏差度由原来的12.63%下降为3.47%,整流效果显著。研究成果可为类似泵站工程流态改善提供参考。     

FLOW STRUCTURE OF PARTLY VEGETATED OPEN-CHANNEL FLOWS WITH EELGRASS

Aquatic vegetation can influence the transport of sediment and contaminants by changing the mean velocity and turbulent flow structure in channels. It is important to understand the hydraulics of the flows over vegetation in order to manage fluvial processes. Experiments in an open-channel flume with natural vegetation were carried out to study the influence of vegetation on the flows. In a half channel with two different densities of vegetation, the flow velocity, Reynolds stresses, and turbulence intensities were measured using an Acoustic Doppler Velocimeter (ADV). We obtained velocity profiles in the lateral direction, Reynolds stresses in the vertical direction, and the flow transition between the vegetated and non-vegetated zones in different flow regimes. The results show that the streamwise velocity in the vegetated zone with higher density is almost entirely blocked. Reynolds stress distribution distinguishes with two different regions: inside and above the vegetation canopies. The turbulence intensities increase with increasing Reynolds number. The coherent vortices dominate the vertical transport of momentum and are advected clockwise between the vegetated zone and non-vegetated zone by secondary currents (a relatively minor flow superimposed on the primary flow, with significantly different speed and direction), generated by the anisotropy of the turbulence.     

Hydraulic and turbulence structure of triangular labyrinth weir‐pool fishways

Detailed laboratory experiments were conducted to analyze and evaluate a new weir‐pool fishway design. The new design consisted of a series of one‐cycle, triangular labyrinth weirs that formed a weir‐pool fish passage. Hydraulic characteristics of flow over the proposed fishway were examined for three pool lengths and a wide range of discharges. It was found that the new design had superior discharge capacity over classical weir‐pool fishways in plunging flow regime. Spatial and point analyses of measured velocity data were carried out to understand turbulence structure and distribution of turbulent flow. The power dissipation per unit volume was calculated for different tests, and it varied nonlinearly with discharge. Based on the limiting criteria for energy dissipation rates of different fish species, the maximum operating discharge for different slopes was extracted for the proposed design. The model‐to‐prototype scaling analysis was performed based on the recommended scaling factor of three for prototype. It was found that the approach velocity of prototype increased by 12%, whereas the total discharge increased by more than five times. The contour plots of time‐averaged velocity indicated that the proposed fishways offered diversified flow fields without exceeding the maximum velocity above the standards recommended for weir‐pool fishways. To study the size, direction, and periodicity of turbulent eddies, magnitude of the most energetic eddy and dominant frequencies were extracted using power spectrum analysis. Quadrant analysis consistently showed that Reynolds shear stresses in ejection and sweep events became weaker as the pool length increased. The small region of strong ejection and sweep events evidenced a good resting place for fish migration, whereas the generated turbulence was large enough to attract fish species to use the passage.     

地下水化学动力学方法运用中若干问题的探讨

文中对用地下水化学动力学方法计算出的五种水文地质参数(渗透系数K、导水系数T、渗透速度K实际速度“、贮留时间t)定量评价研究区水文地质条件的整个过程中存在的问题进行了较全面的分析，也就是对用地下水动力学公式求出K值或者T值之后，再由K值或者T值反算推出的地下水化学动力学常数K或者K’j的整个过程中可能引起的误差因素进行了逐个分析并加以说明。对这五种水文地质参数获取的整个过程中能够引起计算结果出现误差的各种因素进行了较全面分析。     

Distributed hydrological models for addressing effects of spatial variability of roughness on overland flow

In this study, we investigated the origin of the overland flow roughness problem and divided the current overland flow roughness research into three types, as follows: the first type of research takes into account the effects of roughness on the volume and velocity of surface runoff, flood peaks, and the scouring capability of flows, but has not addressed the spatial variability of roughness in detail; the second type of research considers that surface roughness varies spatially with different land usage types, land-cover conditions, and different tillage forms, but lacks a quantitative study of the spatial variability; and the third type of research simply deals with the spatial variability of roughness in each grid cell or land type. We present three shortcomings of the current overland flow roughness research, including(1) the neglect of roughness in distributed hydrological models when simulating the overland flow direction and distribution,(2) the lack of consideration of spatial variability of roughness in hydrological models, and(3) the failure to distinguish the roughness formulas in different overland flow regimes. To solve these problems,distributed hydrological model research should focus on four aspects in regard to overland flow: velocity field observations, flow regime mechanisms, a basic roughness theory, and scale problems.     

不同透水率对水力插板透水丁坝防冲促淤效果的试验研究

水力插板透水丁坝新型护岸结构的提出提高了新疆粉细沙河床上治河工程的防洪护岸效益。本文为了探讨透水率对水力插板透水丁坝防冲促淤效果的影响,利用动床模型水槽试验研究了水力插板透水丁坝缓流效果、局部冲刷及坝后最大淤积高度随透水率的变化规律,为透水率这个重要工程设计参数的合理选取提供理论依据。试验结果表明:水力插板透水丁坝坝后流速的减缓效果明显,且透水率对坝后流速的影响较小;坝头最大冲刷深度随着透水率的增大而变小;坝后最大淤积高度随透水率的增加先增加后减小;当透水率为30%左右时,水力插板透水丁坝的防冲促淤效果达到最佳。     

三峡工程地下电站前流速流态和泥沙淤积对电站运行的影响分析

依据三峡工程地下电站河工模型试验结果,分析了三峡枢纽运用70年间,地下电站前及引水渠的流速流态和泥沙淤积状况.分析认为,造成地下电站前流态复杂的主要原因是由于与大坝相连的偏岩子山体被部分挖除,使地下电站和右电厂之间形成连通道,从地下电站引水渠和连通道进入地下电站的两股水流在电站前交汇并相互作用的结果,随着枢纽运用年限的增加,坝前泥沙淤积量增大,通过连通道的水流流量逐渐加大,使电站引水渠内水流的回流强度和表面行近流速进一步增强,因而增大发电水头损失.因此,建议在枢纽运用初期,修建连通道隔流堤,使汛期地下电站引水由正向和侧向混合进流变为单一、平顺的正向进流,以减少电站水头损失,提高机组发电效益.     

湍浮力射流形成后区特性的预报

应用作者所提出的数学模型和计算方法,对浮力射流形成后区的特性进行了预报。得出中性浮力点以前的形成后区,可分为非浮力区、过渡区和卷流区。得到了非浮力区和卷流区的时均流速、时均温差、雷诺切应力、湍动能及其耗散率的分布和湍动能的平衡。这些预报结果与试验资料基本吻合。