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．     

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。     

STOCHASTIC ANALYSES OF ADSORBING SOLUTE TRANSPORT IN HETEROGENEOUS UNSATURATED SOILS

ＳＴＯＣＨＡＳＴＩＣ　ＡＮＡＬＹＳＥＳ　ＯＦ　ＡＤＳＯＲＢＩＮＧ　ＳＯＬＵＴＥ　ＴＲＡＮＳＰＯＲＴ　ＩＮ　ＨＥＴＥＲＯＧＥＮＥＯＵＳ　ＵＮＳＡＴＵＲＡＴＥＤ　ＳＯＩＬＳＳＴＯＣＨＡＳＴＩＣＡＮＡＬＹＳＥＳＯＦＡＤＳＯＲＢＩＮＧＳＯＬＵＴＥＴＲＡＮＳＰ...     

基于van Genuchten-Mualem模型的饱和-非饱和介质流动随机数值分析

基于van Genuchten-Mualem非饱和水分特征模型，联合运用Karhunen-Loeve展开法、混沌多项式展开以及摄动方法，对饱和-非饱和流问题进行随机数值分析。将土壤特性参数假定为协方差已知的随机函数，并按Karhunen-Loeve法分解，把压力水头表示为多项式。通过摄动方法得到一系列关于水头展开式的偏微分方程，用有限差分法进行求解，获得了压力水头的随机描述，并计算其均值和方差。应用本文的随机模型研究了二维非饱和以及饱和-非饱和介质流动的实例，结果与动量方法的计算结果一致，而且计算效率高于传统的动量方法。     

A MODEL OF WATER, VAPOR AND HEAT FLOW IN POROUS MEDIA

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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。     

核磁共振技术在非饱和渗透特性研究中的应用

瞬时截面法因能快速地测定岩土材料的非饱和渗透系数,而在非饱和土的渗透特性研究中得到了广泛应用,该方法需要在渗流过程中及时测定非饱和土的含水率(吸力),但目前测量方法存在含水率(吸力)探头尺寸较大、探头与试样贴合不紧密以及测量时间较长等问题。针对上述问题,将核磁共振技术应用于非饱和土渗透特性的试验研究,对白色硅酸盐水泥试样实现快速、无损的探测,获得了试样不同截面处的含水率随时间的变化情况,并用瞬时截面法计算得到白色硅酸盐水泥的非饱和渗透系数。结果表明:白色硅酸盐水泥的非饱和渗透系数随吸力的变化很大,在4.61×10^-12～7.59×10^-8 m/s之间;当吸力>1 MPa时,渗透系数随吸力的降低而缓慢提升;而当吸力降至1 MPa以下时,渗透系数呈现明显的陡升,量值提高多个数量级。与传统的水分测试技术相比,核磁共振技术在非饱和土渗透试验应用中有更大的适应性。     

降雨入渗下非饱和土边坡临界稳定性分析

运用分形模型预测非饱和土的土水特征曲线与导水系数曲线,结合孔隙气体流动分析,模拟降雨入渗条件下的一维非饱和渗透过程。根据非饱和土抗剪强度的分形模型,导出降雨入渗下非饱和土边坡临界深度公式,并分析了影响边坡稳定性的因素。非饱和土的分维与进气值影响土体的水理性质。分维影响降雨的入渗速度与入渗深度,而进气值影响降雨入渗下土体吸力的变化曲线形态。非饱和土的饱和导水系数与降雨强度对边坡稳定性影响较大,在降雨强度远大于非饱和土的饱和导水系数时,孔隙气体在降雨入渗过程中将产生气压,对吸力产生影响。     

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。     

用盘式负压入渗仪计算土壤水动力参数的改进方法

本研究为根据盘式负压入渗仪测定的入渗数据计算土壤水动力参数的一种新方法。该方法是在已有方法结构不变的情况下，引入重力对入渗的影响，发展得到的新模型。为了检验新方法，分别用各种不同模型计算用数值模拟及田间试验得到的不同土壤、盘径、水头压力条件下的入渗数据并进行比较。结果表明，相对于其他方法，新方法不仅对小盘径盘式负压入渗仪得到的入渗数据适用，更适用于大盘径盘式负压入渗仪得到的入渗数据，计算的导水率能在短时间内趋于常量，且计算结果比其他方法精度更高，是一种合理可靠的计算方法。     

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.     

STOCHASTIC ANALYSIS OF WATER FLOW IN HETEROGENEOUS MEDIA

A stochastic model for saturated-unsaturated flow is developed based on the combination of the KarhunenLoeve expansion of the input random soil properties with a perturbation method. The saturated hydraulic conductivity ks(x) is assumed to be log-normal random functions, expressed by f(x). f(x) is decomposed as infinite series in a set of orthogonal normal random variables by the Karhunen-Loeve (KL) expansion and the pressure head is expand as polynomial chaos with the same set of orthogonal random variables. With these expansions, the stochastic saturated-unsaturated flow equation and the corresponding initial and boundary conditions are represented by a series of deterministic partial differential equations which can be solved subsequently by a suitable numerical method. Some examples are given to show the reliability and efficiency of the proposed method.     

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。     

基于随机微分方程的流域汇流模型

摘要：针对水文过程中存在的许多随机不确定性因素,本文以Nash模型为基础,利用随机微分方程理论,在确 定性汇流模型中引入随机输入项,建立了输入具有白噪声特性的随机Nash汇流模型,求解得到出流过程均值和 方差的解析解和数值解,并利用出流过程的均值和方差确定各时刻出流过程的概率分布。该方法借助于各时刻的 方差得到流量过程的分布概率,从而考虑预报的不确定性,为防洪决策提供预报值的不确定度,有利于降低水库 调洪风险率。     

包气带垂向渗透系数的原位试验研究

野外试验测定包气带渗透系数对于研究非饱和带水分运移过程、植物根系吸水特征及产汇流规律具有重要意义。本文采用Inverse Auger法在毛乌素沙地开展了原位包气带垂向渗透系数测定实验。通过实验数据分析表明:①为获得较可靠的垂向渗透系数,野外实验时,需要重复注水过程,使包气带应尽可能湿润,消除水平吸渗对垂向入渗的影响;②采用Porchet推导的计算公式计算包气带垂向渗透系数时,应对获取的数据进行统计分析,放弃不符合实验物理背景的数据。在上述分析基础上,计算得到实验介质平均垂向渗透系数为2.23 cm/h。上述原位实验数据的分析方法和实验结果对相关实验研究具有一定的借鉴意义。     

STOCHASTIC ANALYSIS OF GROUNDWATER FLOW SUBJECT TO RANDOM BOUNDARY CONDITIONS

A stochastic model was developed to simulate the flow in heterogeneous media subject to random boundary conditions. Approximate partial differential equations were derived based on the Karhunen-Loeve （KL） expansion and perturbation expansion. The effect of random boundary conditions on the two-dimensional flow was examined. It is shown that the proposed stochastic model is efficient to include the random boundary conditions. The random boundaries lead to the increase of head variance and velocity variance. The influence of the random boundary conditions on head uncertainty is exerted over the whole simulated region, while the randomness of the boundary conditions leads to the increase of the velocity variance in the vicinity of boundaries.     

基于多场耦合的膨胀土边坡非饱和降雨入渗分析

膨胀土非饱和渗流的过程伴随着膨胀应变的产生。探明多场耦合作用下膨胀应变对膨胀土边坡非饱和降雨入渗的变化规律至关重要。基于有限差分渗流理论、降雨入渗模块的二次开发和膨胀应变的施加,采用C++和FISH语言编制程序,将膨胀应变引入非饱和土的流-固耦合模型,提出了一种综合考虑膨胀应变和应力应变的非饱和膨胀土多场耦合分析法,通过算例实现了降雨入渗条件下膨胀土边坡非饱和渗流的数值模拟,并探讨了膨胀应变对饱和度和暂态面积比的影响规律。研究表明,膨胀应变对膨胀土边坡非饱和降雨入渗的过程影响显著,其降雨入渗深度、湿润锋扩展速度和暂态饱和区时空分布受膨胀应变的控制,考虑膨胀应变时暂态面积比变化的雨后时间滞后性强于不考虑膨胀应变时。     

利用瞬态剖面法测定非饱和黄土的渗透性曲线

瞬态剖面法是量测非饱和土渗透系数的直接方法之一。本文以室内模型试验为基础，利用瞬态剖面法测量重塑黄土试样的非饱和渗透系数。试验以陕西泾阳泾河南岸的黄土塬南缘马兰黄土为对象，将重塑干黄土样筛入一圆形玻璃筒内，上部补给一定量的水，然后量测不同时刻土柱内不同深度的质量含水量，并换算为体积含水量；同时采用张力计法测定模型桶土样的土-水特征曲线，即不同含水量土样的基质吸力。计算得到不同时刻模型桶内土样的水头剖面，由此确定渗流速度和水力梯度，并得出不同体积含水量土样的渗透系数。对瞬态剖面法得到重塑黄土样的非饱和渗透系数进行回归分析，获得渗透系数与含水量，渗透系数与基质吸力的指数函数关系。     

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。     

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。