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。     

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。     

基于集合卡尔曼滤波法的二维土壤水流状态变量和参数联合估计

集合卡尔曼滤波方法(EnKF)显式地考虑了模型输入、输出以及模型结构等因素的不确定性,近年来被广泛应用于水文模型参数估计研究中。本文基于EnKF方法开展二维土壤水流运动模型状态变量和参数联合估计研究,设计数值实验探究了在线源入渗条件下EnKF方法对粉壤土、壤土和砂壤土的饱和导水率和进气值参数的估计以及压力水头的同化效果,分析了观测点布置方式和观测点数量对同化效果的影响。研究结果表明,粉壤土条件下观测点垂向布置方式更好;壤土和砂壤土条件下,在0～30cm深土壤中水平向布置观测点可以得到较好的参数估计值。观测点水平向布置时应尽量靠近地表,同化系统可以有效地利用观测信息更新状态向量,参数更快地收敛于真值,但压力水头的同化效果仅限于一定深度的土壤。增加观测点数量可以有效地减小参数估计偏差,进而提高土壤剖面压力水头的预测精度。     

基于热示踪的饱和层状介质水热参数反演

多孔介质的水热运移参数是影响介质中水热运动过程的主要因素。本文基于热示踪方法,开展了稳定流场条件下饱和层状石英砂的热示踪实验,分别采用热电偶与热成像两种方法测定了砂箱内部和表面的温度,同时结合HYDRUS模型的反问题算法对层状石英砂的水热运移参数进行了反演。研究结果表明:当介质中存在细粒夹层时,热成像图像能反映非均匀流场中热流峰面在分层界面处出现的"收束"现象;层状介质中的细颗粒夹层可导致热流锋面沿水流方向迁移速率下降、热量沿垂直于水流方向运移范围加大、温度分布更均匀。同时对于热源持续输入的系统,热成像温度在前期能较好的反映层状介质对水流运动的影响。将热示踪与HYDRUS模型相结合可较好地用于反演介质水热运移参数,反演所得的饱和导水率估值随粒径的减小显著降低,纵向热弥散度随粒径的减小而增大,而横向热弥散度变化趋势与之相反;纵横弥散比变化范围在10~120之间,且纵横弥散比随粒径减小而逐渐增大。对细砂饱和导水率的估计不足及热量损失是造成水流通量估计误差的主要原因,在模拟模型中增加细砂层测点数量可显著降低水流通量的估计误差。本研究可为非均质介质中水热迁移过程模拟与参数反演提供相应的方法。     

承压含水层中扩展井附近非达西流数值解

本文采用数值差分方法得到了承压含水层中扩展井附近非达西流情况下的数值解,并假设非达西流可以用Forchheimer定律描述,同时考虑了裂隙储水效应的影响,采用无量纲变量分析了主裂隙以及含水层中的水位降深规律,并将数值解与Boltzmann变换得到的解析解进行了比较。研究结果表明,Boltzmann变换所得到的解析解在整个抽水时期都会高估水位降深,在考虑裂隙储水效应后,抽水初期不同的无量纲紊动因子βD的水位降深曲线互相重合,且在双对数坐标下表现为直线;含水层中的水位降深在抽水初期随βD增大而减小,在抽水后期随βD增大而增大。     

高速列车齿轮传动系统黏滑振动特性分析

为了分析黏滑振动时高速列车齿轮传动系统的扭转振动,考虑高速列车齿轮系统的时变啮合刚度和齿轮啮合误差,建立高速列车齿轮传动参数振动模型,分析了轮轨蠕滑率变化引起的齿轮传动系统扭转自激振动特性。结果表明,时变啮合刚度是齿轮传动系统发生谐波振动的主要原因,当蠕滑率超过最佳蠕滑率时,传动系统发生自激振动,系统响应出现稳定的极限环运动,自激振动不会改变系统振动主频,但使参数谐波振动更加明显,从而导致系统振动更为剧烈。     

大尺度非饱和土壤水分运动的随机模型及有效参数的结构分析

本文将大尺度空间上的局部土壤水力特性及土壤水分变量视为三维统计平稳随机场的实现，在土壤参数及土壤水分变量的随机扰动为小扰动的条件下，通过对描述小尺度非饱和土壤水分运动的数学模型进行了平均处理，推导出描述大尺度非饱和土壤水分运动宏观特征的数学模型，模型的控制性方程与Ｒｉｃｈａｒｄｓ方程的形式是一样的，应用谱分析理论对层状土壤条件下模型有效参数及负压水头方差的结构进行了分析，通过分析得到有效参数是各向     

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。     

环境因子对异养小球藻脂肪酸组分含量和脂肪总酸产量的影响

通过调节小球藻异养培养的pH值、盐度等环境因子,可在保证小球藻生物量的同时有效地提高小球藻脂肪酸总产量.试验表明,低pH值环境比高pH值环境更有利于脂肪酸的合成.当pH值为5.0时,可得到最高脂肪酸总产量0.84 g/l,比在最适生长条件下(pH=6.0)小球藻的脂肪酸总产量提高了0.28g/l.在浓度为0.1～0.4 ml/l的NaCI培养基中,藻细胞的生物量没有太大变化,但是藻细胞的脂肪酸含量比培养基中未添加NaCl的藻细胞有了明显的提高,当NaCl浓度为0.3 mol/l时得到最高脂肪酸总产量1.04g/l,比培养基中未添加NaCl提高了0.32g/l.     

通气对光合自养培养下蛋白核小球藻生长和有机碳成分含量的影响

为了研究通气速率、气体的CO2浓度、通气阶段对小球藻光合自养生长和小球藻有机碳成分含量的影响,分别进行了未通气体、通入空气、通入纯CO2(99.9%)条件下的小球藻光合自养培养试验。试验发现,通入空气速率为1 L/min时小球藻的生长速率最快;高浓度CO2对小球藻生长有抑制作用;在接种初期进行通气试验更有利于小球藻的生长。不同通气条件下小球藻的有机成分含量无明显差异,在通空气和通纯CO2条件下的小球藻有机碳组分中,除总脂肪酸含量有所降低外,其余有机碳组分含量都有所升高。由于通入空气有利于小球藻的生长,所以通气条件有利于提高小球藻的固碳。