基于集合卡尔曼平滑算法的土壤水分同化

为研究观测资料稀少情况下土壤质地及有机质对土壤水分同化的影响,发展了集合卡尔曼平滑(Ensemble Kalman Smooth, EnKS)的土壤水分同化方案。利用黑河上游阿柔冻融观测站2008年6月1日至10月29日的观测数据,使用EnKS算法将表层土壤水分观测数据同化到简单生物圈模型(Simple Biosphere Model 2, SiB2)中,分析不同方案对土壤水分估计的影响,并与集合卡尔曼滤波算法(EnKF)的结果进行比较。研究结果表明,土壤质地和有机质对表层土壤水分模拟结果影响最大而对深层的影响相对较小;利用EnKF和EnKS算法同化表层土壤水分观测数据,均能够显著提高表层和根区土壤水分估计的精度,EnKS算法的精度略高于EnKF且所受土壤质地和有机质的影响小于EnKF;当观测数据稀少时,EnKS算法仍然可以得到较高精度的土壤水分估计。     

地下水污染强度及渗透系数场的反演识别研究

在制定地下水污染修复方案时,污染源参数和渗透系数场是最重要的地下水数值模型参数,但前人研究多集中于单一类型参数的识别。文章中采用地下水污染物运移模型（MT3DMS）和数据同化方法（迭代局部更新集合平滑器,ILUES）构成地下水污染源识别的求解框架,并利用Karhunen-Loève展开技术实现渗透系数场的参数降维,最后通过同化水头与浓度数据实现地下水污染源强和渗透系数场的联合反演。结果表明：（1）ILUES算法能精确识别污染源参数和渗透系数场,并且具有很高的普适性;（2）精确表征渗透系数在空间上呈现出的非均质性,是预测污染物迁移路径、反演污染强度的关键;（3）ILUES算法参数影响着反演效果,综合考虑计算效率和计算精度等,可以得到算例的最佳样本集合大小（Ne=4000）和ILUES算法最佳参数组合（局部临近样本集合占比α=0.4,相对权重b=4）。但在实际工程案例中,如果对精度的要求不是过高,经验组合（α=0.1,b=1）更值得推荐。研究结果对于区域地下水资源调查、评价和管理等工作具有较强的实践意义,并可为后期地下水污染预测及地下水监测井网优化提供技术支撑。     

基于局域化EnKF同时同化地下水水流和溶质运移数据的渗透系数场识别研究

局域化改进集合卡尔曼滤波（EnKF）可以克服EnKF方法在使用小集合时,对参数识别精度较低的缺陷,其能同化 地下水位观测数据有效识别渗透系数场。实际工作中,溶质运移数据也较容易获得。崔凯鹏（2013）尝试增加溶质运移 数据以改进只同化水流数据对渗透系数的估计结果,但是精度提高有限。本文在其基础上修改模型,进一步增加溶质注 入井,探究同时同化水头和溶质运移数据,对渗透系数场识别效果,之后对比了局域化EnKF与非局域化EnKF参数识别结 果,并分析了溶质影响范围与参数识别的关系。结果表明：同时同化溶质运移和水头资料,比同化单一种类观测数据识别 的渗透系数精度更高;相同实现数目下,局域化EnKF比EnKF对渗透系数场的估计结果与真实场更为接近;仅考虑溶质影 响范围内的渗透系数,同化水头数据在最后时刻参数识别结果好于同化溶质运移数据参数识别结果,但差别不大。     

基于不同地质统计方法的渗透系数场对污染物运移的影响

渗透系数场的空间变异性是影响污染物运移结果的决定因素,而地质统计方法是解决渗透系数空间变异性的主要技术手段。本文利用野外场地实测数据,采用普通克里格法和指示克里格法、顺序高斯模拟法和顺序指示模拟法四种地质统计方法,插值估测和模拟再现随机渗透系数场,进而对比研究四种渗透系数场对大尺度污染物运移的影响。研究结果表明,污染羽的质心位置（一阶矩）主要由渗透系数的平均值来决定;污染羽在空间上的展布范围（二阶矩）主要受渗透系数空间变异方差的影响;条件模拟克服了估计法的平滑效果,较好地再现真实曲线的波动性,渗透系数（ lnK）估计方差与污染羽空间二阶矩随着条件模拟次数的增加而减小,并且顺序指示模拟程度更加明显。     

基于连通性函数的多点地质统计建模参数敏感性分析方法

不同建模参数不仅影响建模质量,也决定了油气藏预测开发风险,找到一个合适的建模参数设置是获得良好建模的前提,对降低油藏开发风险具有积极意义.这里以多点地质统计学经典算法Snesim为例,通过连通性函数定量化地分析Snesim建模过程中参数两个关键参数(搜索节点数、多重网格层数)对建模效果的影响.针对以上参数利用连通性函数...     

一种基于沉积模式的多点地质统计学建模方法

地下储层分布是位置的函数,不同位置处的沉积模式具有差异性。在储层预测时,除了挖掘已有资料所提供的结构和统计信息外,还应该引入待估点位置的信息,以反映沉积储层模式随位置变化的非平稳特征。提出了一种基于沉积模式的多点地质统计学方法,通过距离函数将储层特征与沉积位置相关联,采用整体替换、结构化随机路径以及多重网格策略再现沉积模式。基于现代鄱阳湖沉积所建立的合成非平稳性三角洲前缘沉积地层建模表明,新设计的方法较传统的建模方法更好地反映了三角洲相沉积地层非平稳沉积模式,新设计方法有更好的地质适用性。研究丰富了储层三维建模理论和方法,为实际油藏建模提供了新手段。     

多源异构地质数据集成方法应用研究

大数据技术的高速发展为地质数据挖掘与分析带来了新的机遇。借鉴大数据技术的思想,提出了一种多源异构的地质数据集成方法,为数据挖掘、地质数据信息化服务提供了技术基础。针对北京周口店研究区,建立了其野外地质三维综合信息平台,将各类地表、地质体、地质信息等结构、半结构、非结构数据集成到统一的平台系统中,实现了研究区域相关地质数据的集成管理、可视化浏览、查询与分析,为大数据方法在地质领域的应用提供了新的思路。     

基于随机游走过程的多点地质统计学建模方法

在分析国内外建模方法现状及其特点的基础上,提出了一种用于河流相储层模拟的新方法,即基于随机游走过程的多点地质统计学方法(RMPS).首先提出了7个方向迁移概率计算及4个方向河道源头搜索的随机游走过程的改进,实现了高曲率回旋河道和网状河等模拟以及各种类型河流相的主流线预测.其次在预测河道主流线的基础上,利用它对多点地质统...     

基于VR技术的多尺度地质数据3D沉浸式可视化与交互方法

随着科技的飞速发展,地质大数据正在呈爆炸式增长,地质大数据可视化与交互方法成为研究的新方向。如何通过可视化方法将巨大的、复杂的、潜逻辑的地质数据展现与交互是需要进一步探索的。本文提出基于VR技术的多尺度地质数据3D沉浸式可视化与交互方法,该方法既符合计算思维又符合地质专业理论。首先,从理论上提出多尺度地质数据可视化理论模型;其次,基于VR技术实现多尺度、多分辨率地质数据的可视化;最后,构建了3D沉浸式虚拟现实平台,采用实际数据验证方法的有效性。该方法适用于地质数据的可视化与交互,为科学的定量评价、分析和教学提供新思路,是未来的必然发展趋势。     

基于二维地质剖面的三维地质结构多点统计学模拟方法

利用三维地质模拟技术重构地质现象的三维空间分布,是实现自然资源管理和风险评估的重要基础和前提。多点统计学方法通过探寻多点间的空间结构关系,结合随机模拟方法生成具有差异性的模拟结果,较好地再现了复杂的地质现象。然而,如何构建合适、有效的训练图像一直是基于多点统计学三维地质模拟的核心问题。本文提出了一种改进的多点统计学算法。本方法结合了序贯模拟和迭代的方法,将二维剖面扩展为三维训练图像,再结合EM-Like算法,实现了三维地质结构的优化模拟。建模实例结果表明,本方法能确保训练图像对内部模拟网格的约束,准确模拟研究区的地层层序,并很好地再现二维地质剖面所反映的地层结构关系。     

Deterministic ensemble smoother with multiple data assimilation as an alternative for history-matching seismic data

This paper reports the results of an investigation on the use of a deterministic analysis scheme combined with the method ensemble smoother with multiple data assimilation (ES-MDA) for the problem of assimilating a large number of correlated data points. This is the typical case when history-matching time-lapse seismic data in petroleum reservoir models. The motivation for the use of the deterministic analysis is twofold. First, it tends to result in a smaller underestimation of the ensemble variance after data assimilation. This is particularly important for problems with a large number of measurements. Second, the deterministic analysis avoids the factorization of a large covariance matrix required in the standard implementation of ES-MDA with the perturbed observations scheme. The deterministic analysis is tested in a synthetic history-matching problem to assimilate production and seismic data.     

A comparative study of hydraulic conductivity estimations using geostatistics

Three approaches for estimating the hydraulic conductivity (K) of the Trifa aquifer, Morocco were investigated: (1) kriging of the K values obtained from pumping tests, (2) cokriging of the pumping test data with electrical resistivity data as a secondary variable, and (3) cokriging of the pumping test data with the slope of the water table. Gauss-transformed values of the variables are used because they provide more robust variograms and transformed values of the primary and secondary variables show correlations higher than the raw values, which is beneficial in cokriging. In cokriging with electrical resistivity, two zones are considered since the geological deposits are different from the north to the south of the aquifer, which is reflected in different correlations between the variables. Comparison of the three approaches is based mainly on the estimation errors, and to a lesser degree on the cross-validations of the corresponding variogram models and general considerations, like the measurements’ reliability and aquifer make-up. The best-estimated K is given by cokriging with the slope of the water table and is therefore preferred for further use in groundwater flow modeling. Thus, electrical resistivity or the slope of the water table can both be used as secondary variables to estimate K, especially in heterogeneous aquifers with lateral variations in lithology, as is the case of the Trifa aquifer.     

Simulation of a reactive tracer experiment using stochastic hydraulic conductivity fields

Reactive tracer tests are performed to derive flow, transport and in situ biodegradation parameters. This paper describes the 3D simulation of a reactive tracer test using the transition probability geostatistical approach. Fifty different equally probable aquifer realizations were generated based on the geological information of 107 boreholes in an area of 62,500 m². One realization was chosen for the reactive transport simulation based on the results of groundwater flow modeling and on particle tracking calculations for the site. Field velocities at the site vary between 0.4 and 3 m/d. The transport of the reactive tracers deuterium ring labeled toluene-d₅ and fully deuterated toluene-d₈ was simulated and first-order biodegradation rates of 0.017 d⁻¹ for toluene-d₅ and 0.012 d⁻¹ for toluene-d₈ were determined.     

History matching time-lapse seismic data using the ensemble Kalman filter with multiple data assimilations

The ensemble Kalman filter (EnKF) has become a popular method for history matching production and seismic data in petroleum reservoir models. However, it is known that EnKF may fail to give acceptable data matches especially for highly nonlinear problems. In this paper, we introduce a procedure to improve EnKF data matches based on assimilating the same data multiple times with the covariance matrix of the measurement errors multiplied by the number of data assimilations. We prove the equivalence between single and multiple data assimilations for the linear-Gaussian case and present computational evidence that multiple data assimilations can improve EnKF estimates for the nonlinear case. The proposed procedure was tested by assimilating time-lapse seismic data in two synthetic reservoir problems, and the results show significant improvements compared to the standard EnKF. In addition, we review the inversion schemes used in the EnKF analysis and present a rescaling procedure to avoid loss of information during the truncation of small singular values.     

利用CFCs定年数据计算静升盆地含水层渗透系数

文章利用CFCs(氟氯碳化合物)定年数据,计算山西静升盆地含水层渗透系数。结果表明:补给条件较好的区域与补给条件差的深层承压区相比,地下水年龄偏年轻;从冲洪积扇顶部到扇缘,地下水径流逐渐变缓,含水层渗透系数变小;盆地南部较北部,地下水流动缓慢,渗透系数整体偏小。该方法获得的渗透系数符合实际地质条件。     

Simulations of solute transport in fractured porous media using 2D percolation networks with uncorrelated hydraulic conductivity fields

Two-dimensional percolation networks have been used to model a disordered and fractured porous medium. The advantage of percolation networks is that they allow the flow and transport properties of the system to be systematically studied as a function of the connectivity of the fractures and/or the permeable regions. The aim of this research is to study hydrodynamic dispersion in such networks, and to investigate the behavior of the longitudinal dispersion coefficient D_L with binary and log-normally distributed hydraulic conductivity fields. In particular, the study focuses on the behavior of D_L at the percolation threshold p_c, where the insufficiency of flow field homogenization and the limited number of tortuous paths for flow and transport force D_L to behave anomalously, i.e., to be scale- and time-dependent. The simulations indicate that the D_L population taken over a large number of the network realizations resembles a log-normal distribution, hence indicating that, unlike the hydraulic conductivity, D_L is not a self-averaged property whose variance should tend to zero when the size of the system tends to infinity. In addition, it was found that the power law that characterizes the scale dependence of D_L is contingent upon its computation method. Moreover, D_L is found to have a completely different behavior in networks with low and high connectivities.

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Resumen Simulaciones de transporte de solutos en medio heterogéneo utilizando redes de precolación 2D con campos de conductividad no correlacionados. Se han utilizado redes de percolación en dos dimensiones para modelizar un medio poroso fracturado y desordenado. La ventaja de redes de percolación es que permiten estudiar sistemáticamente las propiedades de flujo y transporte del sistema en función de la conectividad de las fracturas y/o regiones permeables. El objetivo de esta investigación es estudiar la dispersión hidrodinámica en las redes mencionadas, e investigar el comportamiento del coeficiente de dispersión longitudinal DL con campos de conductividad hidráulica que tienen distribución log-normal y binaria. El estudio se enfoca particularmente en el comportamiento de DL cuando se alcanza el threshold de percolación pc, donde la insuficiencia de homogenización del campo de flujo y el número limitado de trayectorias tortuosas de flujo y fuerza de transporte DL se comportan de manera anómala, i.e., son dependientes del tiempo y la escala. Las simulaciones indican que la población DL tomada en un número grande en las redes realizadas se asemeja a una distribución log-normal, indicando por lo tanto que, a diferencia de la conductividad hidráulica, DL no es una propiedad auto-promediable cuya variación tienda a cero cuando el tamaño del sistema tiende al infinito. Se encontró además que la ley potencia que caracteriza la dependencia en escala de DL es dependiente del método de cálculo. Más aún, se encontró que DL tiene un comportamiento completamente distinto en las redes de alta y baja conectividad.

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Résumé Des réseaux de percolation bi-dimensionnels ont été utilisés pour modéliser des milieux poreux fracturés et désordonnés. Lavantage de ces réseaux est quils permettent détudier les propriétés découlement et de transport en fonction de la connexité des fractures et/ou des zones perméables. Lobjectif est dappréhender la dispersion hydrodynamique et dinvestiguer le comportement du coefficient de dispersion longitudinal D_L pour des réseaux ayant une distribution des conductivités hydrauliques binaire et log-normale. En particulier, le comportement de D_L a été étudié au seuil de percolation p_c, là où linhomogénéité des vitesses du fluide et le nombre limité de chemins tortueux disponibles pour lécoulement et le transport entraînent un comportement anormal de D_L, à savoir, une dépendance vis-à-vis des échelles de temps et despace. Les simulations montrent que les populations de D_L définies pour un grand nombre de réseaux ressemblent à des distributions log-normales, indiquant que, contrairement à la conductivité hydraulique, D_L nest pas une propriété dont la variance tend vers zéro lorsque la taille du système tend vers linfini. Il a également été trouvé que les lois de puissance qui caractérisent la dépendance déchelle de D_L découlent directement de la méthode de calcul. Enfin, les simulations engendrent un comportement très différent de D_L dans des réseaux faiblement ou fortement connectés.

     

不同地质统计方法在确定渗透系数场中的对比研究

应用地质统计方法研究渗透系数场的空间变异性。利用MMR含水层场地实测数据,通过去类分析、特异值处理、正态变换,逐步逼近研究区渗透系数的稳健变差函数,得到三维渗透系数场的几何各向异性套合模型。在此基础上,采用普通克里格法和指示克里格法、高斯序列模拟法和指示序列模拟法分别对数据进行插值和条件模拟。最后结合具体的地质条件,对四种方法在渗透系数场生成中的应用进行对比分析和评价。     

伴随数据同化法反演涌潮河口开边界

构造了非线性守恒型浅水方程的伴随方程,并给出无结构三角网格的开边界校正表达式,利用Godunov格式和Riemann间断解Roe通量格式的设计思想,建立了无结构三角网格有限体积法的伴随开边界反演模型。进行了概化涌潮河口和钱塘江涌潮河口M2分潮开边界反演的数值实验,经过同化得到开边界上振幅的平均误差分别为0.000 6 m和0.053 3 m,证实了本文构造有限体积伴随模型的可行性,也表明本模型能够适应间断解问题。     

利用RQD估算岩体不同深度的平均渗透系数和平均变形模量

渗透系数是进行裂隙岩体渗流模拟的必备参数,变形模量是工程岩体数值模拟的必备参数。大量研究中忽视了渗透系数和变形模量随深度变化这一重要规律,从而影响模拟结果的可靠性。为此,探讨了利用极易获取的RQD（岩石质量指标）资料估算不同深度的渗透系数和变形模量的可行性。通过以某花岗岩体为例,研究发现,RQD均值随深度增大,渗透系数均值随深度减小,其相关性很好。因此,利用RQD估算不同深度的平均渗透系数是可行的。根据RQD随深度的变化,利用经验公式估算了不同深度的变形模量均值和变化范围。估算得到的变形模量与实测结果基本一致。