一种可增加海岛地下淡水资源储量的方法研究

淡水透镜体作为海岛上珍贵的地下淡水资源，对于满足居民生活用水与维护生态系统具有重要作用,增加海岛地下淡水资源储量可有效缓解海岛地区普遍存在的水资源短缺问题。本研究提出通过在海岛外部区域采用低渗透性介质材料增加海岛地下淡水资源储量的方法，采用室内物理模型实验与基于变密度地下水流溶质运移模型的数值模拟相结合的方法对提出方法的有效性进行了验证，并通过野外尺度的数学模型分析工程实施可能性。实验与数值模拟结果较吻合,表明该方法具有抵御海水入侵、增加海岛地下淡水资源储量的巨大潜力。通过基于野外尺度的数值模拟分析工程实施的可能性，发现对于降雨入渗补给强度为0.005 7 m/d、长度为200 m，孔隙度为0.3的狭长形均质海岛，地下淡水储量为66.5 m3/m，在海岛外部区域采用渗透系数为1 m/d、厚度为5 m的低渗透性介质材料后，淡水透镜体经过约8 a时间可再次达到稳态，地下淡水储量为343.8 m3/m，增加约4倍，工程实施具备一定可能性。本研究为缓解海岛地区缺水问题、实现淡水资源可持续利用提供了一种新方法。     

基于大地电磁法的水文地质结构及参数推断

大地电磁法已被广泛用于矿产资源勘探和工程勘查,但该方法在水文地质参数定量方面的成果文献尚不多见。以科尔沁沙丘—草甸相间地区巨厚第四系沉积层为研究对象,通过EH-4大地电磁法的测试结合地质钻探试验数据,划定出研究区埋深105 m范围内砂黏土层在空间上的分布;经检验大地电磁法探测总体误差在5.1%~7.2%,其精度足以满足水文地质勘察的需求。然后利用研究区已有的土壤传递函数(Pedo-transfer functions,PTFs)模型对测区埋深105 m范围内的饱和导水系数进行了估算,进而首次利用大地电磁法所得数据建立了视电阻率与饱和导水系数的拟合模型。利用该模型推断出研究区埋深200 m范围内含水层的富水性,刻画出饱和导水系数的空间分布,为研究区提供了更加丰富的水文地质信息,同时也极大地提升了水文地球物理方法在水力参数预测方面的尺度。     

轻非水相液体污染源区结构的影响因素数值分析

轻非水相液体（light non-aqueous phase liquid,LNPAL）在地下介质中的运移分布与残余捕获受多种因素影响和控制。LNAPL污染场地概念模型中一般视LNAPL从地表泄漏后穿过包气带至潜水面。然而地下介质的非均质性与包气带含水量的空间变异分布可形成复杂的LNAPL污染源区结构,LNAPL可能无法到达潜水面,而在毛细水带蓄积。文章基于数值模型综合分析了LNAPL泄漏量、介质非均质性与含水量空间变异分布、潜水面周期性变化等多种因素对LNAPL污染源区结构的影响。研究表明:（1）当泄漏量较大时,LNAPL可运移至潜水面;（2）当泄漏量较小时,对于上粗下细的层状非均质条件,LNAPL可能在毛细水带边缘发生蓄积,无法到达潜水面;（3）包气带中黏土透镜体并非都是LNAPL运移的阻碍,LNAPL可以穿透低含水量的黏土透镜体,只有高含水量的黏土透镜体才对LNAPL的入渗有阻碍作用;（4）潜水面周期性变化将导致污染范围扩大。     

三维区域地面沉降数值模拟

由于地裂缝研究及地表变形监测技术(例如GPS,In SAR等)的快速发展,抽取地下水引起的地层水平位移受到关注。传统区域地面沉降模型虽然求解快速但不能模拟水平位移;比奥模型虽然能够模拟土体的三维变形,但模型求解的计算量较大,较少应用于大尺度的区域地面沉降数值模拟。为解决以上问题,推导了解耦三维地面沉降数学模型,模型推导过程显示:比奥模型假设法向总应力和不变,则可简化为解耦三维地面沉降模型;解耦三维地面沉降模型假设土体仅有垂向一维变形,则可简化为传统区域地面沉降模型。同时通过数值试验验证了解耦三维地面沉降模型可以作为比奥模型的替代模型和传统区域地面沉降模型的改进模型,用来模拟抽取地下水引起的三维区域地面沉降。     

考虑预报偏差的迭代式集合卡尔曼滤波在地下水水流数据同化中的应用

集合卡尔曼滤波（Ensemble Kalman Filter,EnKF）方法已广泛应用于地下水水流和污染物运移模拟相关问题的求解。但前人研究多建立在同化系统预报模型是准确的基础上,忽视了模型概化的不确定性。当模型概化不准确时,将导致预报偏差,可能带来错误的系统估计。因此,文章提出考虑模型预报偏差的迭代式集合卡尔曼滤波（Bias aware Ensemble Kalman Filter with Confirming Option,Bias-CEnKF）方法。以地下水水流数据同化为例,研究模型概化存在不确定条件下,边界条件、初始条件、源汇项概化不准确时新方法的有效性。结果表明,当预报模型概化不准确时,使用标准EnKF方法进行数据同化,可能会导致滤波发散,造成同化失败。Bias-CEnKF方法不仅保留了较好的同化性能,同时减小了参数、变量、偏差项非线性关系带来的不一致性。针对文章中4种情景,Bias-CEnKF同化获得的含水层渗透系数场以及水头场均接近真实场,且预报结果可靠。本研究进一步提升了模型概化不确定时EnKF方法的适用性,为实际野外复杂条件下地下水水流数据同化问题提供了可靠的方法。     

祁连山区多年冻土空间分布模拟

祁连山区位于青藏高原东北边缘,是亚洲水塔重要的组成部分,多年冻土的变化对生态系统和水资源平衡有着重要影响。基于青藏高原第二次综合科学考察、道路勘察钻孔点以及前人所获得的多年冻土下界资料,回归得出祁连山区多年冻土下界统计模型,借助ArcGIS平台在DEM数据的支持下,模拟出祁连山区多年冻土空间分布图。结果表明：祁连山区多年冻土分布的下界具有良好的地带性规律,表现为随经纬度增加而降低的规律;祁连山区多年冻土在空间分布上呈现出以哈拉湖为中心向四周扩散的分布格局;祁连山区总面积约为16.90×10⁴ km²,其中多年冻土面积约为8.03×10⁴ km²,占总面积约47.51%。多年冻土区与季节冻土区之间存在着有不连续多年冻土分布的过渡区,过渡区面积约1.43×10⁴ km²,占总面积约8.46%。     

基于EnKF综合水头和浓度观测数据推估地下水流模型参数

地下水反应运移模型具有参数个数众多，观测数据类型多样的特点。为了探究不同类型观测数据在反应运移模拟数据同化中的数据价值，构建了三氯乙烯降解反应运移模型的理想算例，基于水头和浓度两种类型观测数据，采用集合卡尔曼滤波方法推估渗透系数和贮水系数的非均质空间分布，讨论了影响同化结果的因素。结果表明:与仅同化水头数据的结果相比，联合同化水头和浓度观测数据推估渗透系数场和贮水系数场时具有更高的精度，在观测数据拟合和模型预测方面也有更好的表现。与目前溶质运移模型、非饱和流模型等地下水模型中的研究结果相似，数据同化结果受样本数量，观测井的数量和位置的影响，合理优化布置监测井和选择样本数量可有效改善数据同化效果并提高计算效率。     

青藏高原热融湖塘的水热过程及其对下伏多年冻土的热影响

以青藏高原查拉坪地区一处热融湖塘(40 m×50 m,最大深度为1 m)为研究对象,由实测数据对比分析了热融湖塘与天然地表相同深度的温度变化特征.结果表明:与天然地表相比,热融湖塘融化时间长,冻结时间短,且存在接近4℃的水温变化;受太阳辐射及热对流的影响,垂向水温梯度仅在水表从4℃降温及冻结阶段较大,其余时段接近0;湖底年均温度比相同深度的天然地表高约6.4℃,湖底下部存在约14 m深随时间发展的融区,土体吸热增大,放热减小;热融湖塘2.5~3.0 m土体的年内热交换为19592.0 k J/m2,约是天然地表的230倍,其中吸热量及放热量分别为后者的1.4倍及8.7%.湖塘下部的融化夹层是深层冻土的主要热源,湖塘对下部土体放热的抑制作用是湖塘对土体产生热影响的主要原因.     

基于INPGA的地下水污染治理多目标优化管理模型:Ⅰ——理论方法与算例验证

基于小生境技术的Pareto遗传算法(NPGA)是一种求解多目标问题的智能搜索方法,适用于优化多种非线性、不连续等复杂多目标问题.但该算法存在局部早熟收敛和收敛速度慢两个不足,在求解Pareto前沿上效果不佳.本文在NPGA的基础上,提出了改进NPGA方法(INPGA),通过Pareto解集过滤器、精英个体保留策略、邻...     

基于多元自适应回归样条的青藏高原温泉区域的冻土分布制图

以探地雷达、电磁测深、钻探等技术方法获得野外数据及数字高程（DEM）遥感数据为基础,通过聚类分析和相关性分析对高程、坡度、坡向等因素对多年冻土分布的影响进行了定量化研究.利用非线性的多元自适应回归样条（MARS）方法建立了基于高程、太阳辐射的多年冻土分布模型,通过自身的交叉验证及对比年平均地温模型和逻辑回归模型的总体分...