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。     

不同数学模型模拟非均质土壤溶质大尺度运移的对比分析

利用长度为1250cm的非均质土柱中NaCl运移的试验资料,分别应用对流-弥散方程(CDE)、两区模型(TRM)、对流对数正态传递函数模型(CLT)、分数微分对流-弥散方程(FADE)和连续时间随机游走理论(CTRW)等数学模型对长土柱中溶质的运移过程进行模拟,对比各个模型的模拟结果,并从模型机理上分析模拟结果差异的原因,探讨各种模型描述非均质土壤中溶质大尺度运移的适用性。结果表明:CDE、CLT和FADE难以描述非均质土柱中的不规则穿透曲线,但FADE对穿透曲线尾部的模拟精度比CDE和CLT有所提高;与CDE、CLT和FADE相比,两者的模拟结果与实测值吻合更好,在穿透曲线尾部CTRW的模拟值略大于TRM的模拟结果;两者不仅较好地描述了穿透曲线的提前穿透和拖尾等不规则特征,而且捕捉到了非均质土柱中溶质不规则运移程度随着尺度增加而减弱的变化趋势。尽管TRM和CTRW均能很好地模拟长土柱试验所研究的饱和非均质土壤中保守性溶质的一维运移问题,但对于复杂的溶质运移问题的模拟,TRM和CTRW各有其优缺点。     

大理石平板裂隙水运移实验与模拟研究

为了揭示单个裂隙中水流和溶质运移的规律,该文选取大理石平板作为实验介质,开展了平板裂隙水运移实验,分析了水力梯度和水流速度之间的关系,研究了溶质运移规律;利用连续时间随机步长(CTRW)软件包中的截断幂函数(TPL)模型对溶质浓度穿透曲线进行了模拟,并与传统的对流-弥散方程(ADE)模拟结果进行了对比。结果表明:实验条件下,大理石平板裂隙水流为非达西流,利用Forchheimer方程可以更好地模拟;大理石平板裂隙内溶质运移为no-Fickian运移,表现出明显的拖尾现象;在不同流速条件下模拟溶质穿透曲线时,利用TPL模型拟合结果明显优于ADE模型。     

畦灌施肥地表水流与非饱和土壤水流-溶质运移集成模拟：Ⅰ模型

本文基于零惯性量方程和一维对流-弥散方程建立起畦灌溉施肥地表水流溶质运移模型,并利用HYDRUS-2D软件模拟二维非饱和土壤水流溶质运移过程,以一维地表水流溶质运移模拟得到的通量条件作为二维非饱和土壤水流溶质运移模拟的上边界,利用编制的程序将两个模型进行集成,构建起畦灌施肥地表与非饱和土壤水流溶质运移集成模型。基于多时段分步迭代计算方法,实现沿畦长地表入渗溶质通量动态变化条件下的二维非饱和土壤水流溶质运移模拟。     

多孔介质中溶质运移问题的奇异摄动分析

本文从描述多孔介质中溶质运移问题的数学模型出发,分析比较了对流-弥散-非线性吸附-溶解和衰亡各因素的相对大小和作用,用奇异摄动法求出了溶质浓度在全流场的渐近解析分布,根据所得结果讨论了溶质运移过程的特征以及各种物理化学因素的影响。     

均质与非均质土中水动力弥散规律研究

为探究均质与非均质土中溶质迁移扩散的一般性规律,通过室内柱试验对不同条件下的水动力弥散现象进行观察监测。并利用经典的对流扩散(ADE)模型拟合分析相应的溶质穿透曲线。结果表明：在均质土中溶质浓度对水动力弥散系数和穿透曲线的影响甚微;而溶质迁移流速对水动力弥散具有促进作用,流速越大,水动力弥散系数越大,穿透曲线完成时间越快;同一流速下,水动力弥散系数与砂土的平均粒径存在正相关关系,且平均粒径越大的砂土,受流速影响越大。此外,土壤中溶质迁移扩散时存在明显的尺度效应,一般迁移距离越远溶质水动力弥散系数越大。与均质土壤介质相比,层状土壤的非均质性及不同层状结构对水动力弥散作用更为显著。     

Poiseuille-Rayleigh-Benard流动中的局部行波对流

Poiseuille-Rayleigh-Benard流动是研究非平衡对流的斑图(pattern)及非线性动力学特性的典型模型之一。本文通过流体力学基本方程的数值求解,研究了二维矩形腔体中水平来流和瑞利数对Poiseuille-Rayleigh-Benard流动中的局部行波斑图形成的影响。当水平来流强度为定值时,随着瑞利数的增加,能够依次出现有水平流动的传导状态,局部行波对流和充分发展的行波对流等3种斑图。如果瑞利数被固定,随着水平来流强度的增加,依次出现充分发展的行波对流,局部行波对流和有水平流动的传导状态等3种斑图。局部行波对流的存在宽度依赖于水平来流强度和瑞利数。并进一步讨论了局部行波斑图的动力学特性。     

考虑时空相关的分数阶对流-弥散方程及其解

本文在考虑弥散过程的时空相关性的基础上,用非局域性的处理方法,将二阶对流-弥散方程进行推广得到了分数阶的对流-弥散方程,方程中弥散项和对时间的导数被分数阶导数所代替。此方程的柯西问题的格林函数解是一分数稳定分布密度函数。由方程的稳定分布密度函数解说明了局域等效弥散系数与弥散过程有关,得出了等效弥散系数与运移尺度有关,是运移距离的幂函数的结论。这一结论从理论上解释了弥散系数的尺度效应。最后,用一实验的实测数据对所得结果进行检验,检验结果很好地说明了弥散过程中的偏态特征和“拖尾”现象,而传统二阶对流-弥散方程的高斯分布解却不能解释。因此,用分数阶的对流-弥散方程比二阶对流-弥散方程能更好的描述溶质在多孔介质中的弥散行为。     

利用同一土柱测定土壤水分和保守性溶质运移参数

利用数学模型预测土壤水分和溶质运移过程的准确性取决于所涉及的水力参数和土壤溶质运移参数的可靠性和精度。目前由于实验系统和研究方法的限制,在测定水力参数和溶质运移参数时所采用的土壤样本不一致,产生了样本误差。本文建立了利用同一土壤样本测定水力参数和溶质运移参数方法,即首先进行水平一维入渗实验,待土壤饱和后改换为供溶液试验,测定土壤边界层随时间的变化过程从而计算出溶质运移参数。与传统的利用土壤溶质穿透曲线获得参数的方法比较表明,本文提出的方法是可行的。     

土壤溶质迁移的两区模型与两流区模型对比分析

本文在分析描述土壤溶质迁移的两流区与两区模型的区别与联系的基础上,利用连续和脉冲输入情况下的试验资料对两区和两流区模型的预测能力进行了比较和分析。结果表明,与两区模型相比,两流区模型可以更好地描述优先流情况下的溶质穿透曲线。对于无优先流情况,两个模型预测结果基本相同。通过在无优先流情况下两个模型参数间关系的分析发现,在连续流输入情况下两个模型的参数一致性较好,而在脉冲输入时一致性较差。     

抛泥运动研究述评及展望

抛泥运动的研究是港口和航道建设及维护经常涉及的内容。本文从现场观测及试验、抛泥运动机理及试验研究、抛泥运动数值模拟等方面对抛泥运动的国内外研究成果进行了较为全面的总结,分析了当前研究成果中存在的不足,对本学科的研究进行了展望。     

关于对四卯酉闸下移工程的思考

沿海水闸工程可以提高该流域的防洪、排涝、挡潮标准,极大地改善周边广大群众的生产和生活环境、区域水环境,促进社会经济持续稳定发展.旨在对大丰区四卯酉闸下移工程前期观测的综合数据成果进行处理,分析其变化规律及趋势,并根据分析结果对工程可行性进行总结,为工程后期控制运用等方面提出参考意见.     

土壤溶质运移的微观机理模型研究

由于不合理灌溉形成的次生盐碱化，养分流失，以及化学肥料和杀虫剂随土壤水分入渗进入河流和地下水造成水体污染等各种环境问题。迫切地需要量化的溶质运动模型为指导进行研究。本文在分析现有数学模型的物理基础上，探讨了此类模型目前需要解决的问题及可能途径。     

窟野河泥沙输移与冲淤特征分析

依据实测资料,并结合流域地质、地貌特点,对窟野河泥沙输移与冲淤特征做了分析。结果表明,流域的地质背景及地面物质组成决定了流域高产沙的特征;产沙量与汛期水量有良好的相关关系;河床有周期性的揭河底冲刷特征;流域内分布特征不同的暴雨产生的泥沙对黄河干流的影响明显不同,在黄土区出现暴雨的情况下黄河干流会较快做出响应;近年来窟野河水沙量有显著减少的趋势,但存在稀遇暴雨下的增沙可能。     

水管理措施对区域水盐动态的影响

以内蒙古河套灌区义长灌域永联试验区为背景,基于野外观测试验数据,利用Visual MODFLOW4.2地下水运动模拟软件建立了区域非饱和-饱和水流与溶质运移耦合模型,并运用该模型,分析了不同节水方案下区域水盐动态.结果表明:在实施渠道混凝土衬砌,总引水量为现状87%的节水方案下,总体积盐量与现状水平相当,耕地非饱和带积...     

泥石流运动特征及动力学特征分析

泥石流的危害主要包括对城镇、建筑、工厂等带来毁灭性的破坏，同时威胁人身以及畜牧的生命安全，因此，加强泥石流的预防、治理工作成为了各地政府日常工作的重中之重。针对贵州省望谟县灾后重建工程结合泥石流产生的重度、流量、速度等运动特征和动力特征以及拦渣坝进行简要分析和探讨，提出初步解决措施，从而最大限度的保护泥石流易发区域群众的人身财产安全。     

基于声学原理的卵石运动实时追踪研究

针对常用的卵石运动观测技术在时效性与时空同步性等方面存在的不足,结合当前追踪技术,提出一种实时定位的卵石运动观测方法。基于声波在水中传播的独特优势,采用水声信号对水下目标进行实时追踪。由安装有声波发射器的卵石以及近水面布置的多个声波接收器构成卵石运动实时追踪系统,根据冗余观测数据的最小二乘解推求卵石位置,以实现卵石运动实时追踪。经过初期现场测试,验证了追踪模型以及算法的有效性。     

偏转型滑坡滑动与堆积影响因素研究

高速远程滑坡不仅具有运动机理复杂、危害大、发生突然等特点,而且滑坡在运动中经历了斜坡加速、坡脚碰撞、偏转持速效应、减速堆积的过程。通过室内滑坡模型试验,研究了岩土体类型、偏转角和下垫面对高速远程滑坡运动特征的影响。试验结果表明:滑坡体的运动距离受控于岩土体类型,随着偏转角的增大,滑坡运动距离减小,最大堆积厚度增加,同时偏转角对滑坡体有明显的颗粒筛分现象。下垫面摩擦类型对滑坡运动参数具有明显的作用,影响滑坡体最终的堆积形态。试验结果为深入研究滑坡运动速度、运动距离及堆积形态提供了重要的参考依据。     

点源入渗土壤水分运动规律实验研究

由不同质地土壤的点源入渗实验，得出了在不同滴头流量情况下，实际滴灌可以形成两种入渗边界，边界一是非充分供水点源入渗边界；边界二为变边界积水点源入渗边界。本文对两种边界条件特点及其滴头流量、灌水时间、湿润锋、含水量分布等之间的关系进行了分析，认为湿润比可以作为确定滴灌灌水参数的指标之一，对于实验滴灌的适宜湿润比以小于1.0为宜。