人工湿地工程应用中面积计算与基质堵塞研究进展

人工湿地因其具有处理效果好、环境友好、投资低、管理简便等特点,在污水处理领域被广泛应用。然而,湿地面积计算粗放与湿地基质堵塞问题日益突出,成为限制人工湿地工程应用的主要因素。综述人工湿地工程面积计算的4种方法(水力停留时间法、水力负荷法、污染物表面负荷法和速率系数法)与应用现状,湿地基质堵塞的影响因素、预防与恢复措施及其未来的发展方向,以期为人工湿地工程设计与应用提供参考。     

自然资源地表基质调查技术体系构建

地表基质层是支撑孕育地表自然资源的关键层位和重要载体。自然资源的数量、质量以及生态环境状况、陆地表层系统碳储碳汇等都与地表基质的基本类型、空间结构和景观特征、数量质量和理化性质、支撑孕育情况、生态功能特征等基本属性息息相关。本文依据前人工作成果和实施典型地区地表基质调查试点等取得的进展与认识,通过阐明地表基质概念、定位、特点,提出构建地表基质调查技术体系的思路和原则、基础和前提。从资料收集与作业准备、外业实施与数据采集、数据集成与融合处理、产品制作与服务应用的调查流程,以及景观要素、类型结构、理化性质、生态属性等调查内容两个维度初步形成地表基质调查技术方法体系,旨在为自然资源调查技术体系构建提供参考。     

土体龟裂力学机理及理论模型研究进展

土体龟裂是一种常见的自然现象,它对土体的物理力学性质有重要影响,是许多工程地质及环境地质问题的重要诱因。开展土体龟裂研究,探讨其形成机理并构建相应的理论模型,一直是本课题的研究重点和难点。根据近年来国内外围绕土体龟裂所取得的研究成果,着重对土体龟裂的力学机理及相关理论模型研究进展进行了归纳和总结,并依据各模型的理论基础及其特点进行了分类和评价,得到如下主要认识:学界关于龟裂的形成机理尚未有统一认识,主流观点认为龟裂是土体张拉破坏的一种表现形式,张拉应力和抗拉强度是控制龟裂形成的两个关键力学指标,但上述力学机理不能解释所有的土体龟裂现象。与土体龟裂相关的理论模型总体上可以分为4大类:（1）以断裂力学为理论基础的模型:代表性的有线弹性断裂力学模型、弹塑性断裂力学模型和基于线弹性断裂力学的有限元模型;（2）以张拉破坏为理论基础的模型:代表性的有线弹性力学模型、剪切破坏模型、弹性力学模型和黏性开裂模型;（3）以土体干缩变形过程为基础的含水率-体积变化模型;（4）以土体固结理论为基础的应力路径分析模型。在此基础上,进一步对各模型的适用条件及不足之处进行了评价。最后,笔者对该课题今后的研究重点和方向提出了建议,包括:蒸发过程中土体微观结构变化及微观力学分析;蒸发过程中孔隙水的迁移过程、分布特征及赋存状态研究;土体收缩研究;土体抗拉强度研究;裂隙发育宽度及深度预测理论模型研究;龟裂发育几何形态特征预测理论模型研究。     

煤样渗透率有效应力与基质收缩双重耦合效应及其与煤阶关系

为研究煤层气在排采过程中不同煤阶煤储层渗透率动态变化规律,利用煤岩三轴应力应变（基质收缩膨胀）测试系统,对褐煤、气煤和无烟煤样开展了有效应力与基质收缩双重效应物理模拟实验。固定轴压和围压不变,改变气体平衡压力,模拟开发过程中储层压力变化特征,测试其动态渗透率。利用实验结果,分析了不同煤阶煤岩在排采过程中动态渗透率反弹特征,并对比分析煤岩动态渗透率改善效果的差异性。研究表明：气体平衡压力从5 MPa降至1 MPa过程中,在有效应力和基质收缩双重效应作用下,褐煤样的归一化渗透率依次为1. 00、0. 60、0. 57、0. 57、0. 52,气煤样依次为1.00、0. 64、0. 50、0. 54和0. 55,无烟煤样依次为1.00、0. 74、0. 58、0. 50和0. 56。随气体平衡压力下降,中阶及高阶煤样动态渗透率先下降后上升,整体呈不对称“V”型变化规律,但拐点略有不同;低阶煤样动态渗透率呈先下降后基本稳定的趋势,整体呈斜“L”型变化规律。在有效应力和基质收缩双重效应影响下,中阶及高阶煤样动态渗透率改善效果优于低阶煤样。     

刚性挡墙后非饱和土破坏模式及主动土压力计算

目前主动土压力计算方法多仅针对土体处于饱和或干燥状态,忽略了其从非饱和到局部饱和,或饱和到非饱和的渐变过程,进而导致计算结果失真。鉴于此,首先开展了一系列刚性挡墙非饱和砂土主动土压力模型试验,揭示了墙后土体的破坏规律：（1）墙后土体顶部出现了近似竖直裂缝,且其发展深度随墙面粗糙度和含水率的增加而变大;（2）墙土界面摩擦对塑性区形状影响较小,且在挡墙移动过程中,墙后土体塑性区形状始终近似保持为平面。在试验基础上,引入广义有效应力原理,基于极限平衡分析建立了考虑吸应力效应的非饱和土主动土压力计算方法,理论与试验实测值表明,所提方法相比其他方法,更接近于试验值。分析了各主要因素对非饱和土压力分布规律的影响,结果表明：主动土压力随有效内摩擦角值增加而减少,而界面摩擦角对其分布影响较小;相比于无吸力情况,考虑吸力时主动土压力更小;随着进气值增加,吸应力对主动土压力的贡献减少,最终趋于恒定。     

湖相泥页岩基质储层直井压裂选层方法研究——以松辽盆地三肇凹陷松页油3井为例

湖相泥页岩基质储层是中国页岩油赋存的主要载体,相对于夹层型和裂缝型储层更难被压裂改造和实现工业开发,因而压裂层位的选择至关重要. 本文以松辽盆地三肇凹陷松页油3井为例,建立了一套湖相泥页岩基质储层直井压裂选层方法. 通过录井、测井解释优选出青山口组一段中的I类页岩油层,对I类页岩油层的电性、物性、含油气性、烃源岩性、脆性、可压性6项指标进行综合分析,基于上述6项指标,利用层次分析法对所有I类页岩油层进行综合排序,确定了27、25和23号层为最有利页岩油层. 松页油3井针对上述页岩油层进行了压裂试油,实现了三肇凹陷页岩油工业油流突破,证实选层方法可行有效,可推广应用于湖相基质型页岩油的甜点层优选和水平井部署.     

滑坡对降雨响应的多指标监测及综合预警探析:以赣南罗坳滑坡为例

降雨量和位移是当前降雨型滑坡监测预警最常用的指标。然而,降雨量和位移监测结果只能反映降雨作用下滑坡的变形情况,不能揭示滑坡内在物理力学性状对降雨的响应。因此,除降雨量和位移监测之外,建立包括体积含水率、基质吸力等反映滑坡动态演化过程的关键指标监测体系必将成为今后更真实地把握滑坡内在演化趋势、更准确地建立滑坡综合预警判据的最有效手段。笔者对赣南地区典型降雨型滑坡进行了多指标监测及综合预警示范研究。结果表明:(1)在降雨条件下滑坡土体内部体积含水率、基质吸力和温度等多指标均产生有规律的动态响应;(2)随着降雨的持续,滑体体积含水率与基质吸力的变化均具有显著的滞后现象;(3)体积含水率和基质吸力变化速率与滑体位移具有显著的正相关性;(4)滑体温度分布变化规律受大气温度和体积含水率的共同影响。以实测数据的滑坡稳定性分析为基准,在考虑实际降雨入渗深度与滑坡稳定性的关联度上,建立了包括日降雨量、体积含水率增加速率、基质吸力减小速率以及位移速度多元指标预警方法体系,提出了基于关键指标综合预警体系及确定方法,旨在为降雨滑坡准确预警提供新模式。     

新疆东部莫钦乌拉山尤尔敦蛇绿混杂岩主要特征及构造意义

莫钦乌拉山尤尔敦蛇绿混杂岩位于天山山脉东北部莫钦乌拉山,该区构造上为东准噶尔卡拉麦里构造带的向东延伸。通过野外地质调查、地球化学和年代学研究,初步查明尤尔敦蛇绿混杂岩基质与外来岩块的主要特征。基岩岩石化学特征表明,洋岩石圈残片形成于弧相关盆地,获得洋壳辉长岩锆石U-Pb年龄为（411.5±2.7）Ma。结合前人资料和区域地质特征,认为尤尔敦蛇绿混杂岩所代表的洋盆是卡拉麦里有限洋盆的向东延伸,形成于早—中泥盆世,晚泥盆世开始俯冲消减,于石炭世晚期闭合。     

准噶尔盆地玛湖凹陷风城组页岩自生长英质矿物的成因机理及其储层改造意义

玛湖凹陷二叠系风城组是近几年准噶尔盆地页岩油接替的主攻领域,但其页岩成岩改造强烈,原始岩性归属尚不明确。X射线粉晶衍射测得风城组页岩黏土矿物含量普遍较低（<10%）,长英质矿物含量较高（60%~80%）。薄片分析发现风城组长英质页岩存在三种类型：① 粉砂级（4~63 μm）长石和石英碎屑含量丰富,为典型的粉砂岩;② 燧石条带和团块发育,为富硅页岩;③ 长英质基质发育,呈非碎屑状,且火山尘及火山玻璃少见,其矿物组成和形态与典型的黏土岩、粉砂岩及沉凝灰岩明显不同。背散射图像和高精度扫描电镜测得该长英质基质由碎屑和自生石英、钾长石和钠长石共同组成,可见黏土矿物、碎屑钾长石和钠长石向自生石英转化,碎屑钾长石向自生钠长石转化。通过调研全球中新生代碱湖沉积中自生硅酸盐矿物组合特征和成岩演化规律,探讨了二叠系风城组“贫”黏土矿物和“富”自生长英质矿物的原因,并提出风城组发育一类“改造长英质页岩”,主要由原始黏土和长石碎屑矿物和火山物质经过多期成岩改造而成。早期高碱（pH>9）沉积和成岩环境增加了SiO2溶解度和元素铝的活性,导致黏土矿物、泥级—细粉砂级长英质碎屑、火山灰等在入湖后发生“溶解、转化”,形成次稳定的硅酸盐矿物,如沸石和含镁蒙皂石,在经历漫长埋藏成岩后进一步转化为更为稳定的石英、钾长石和钠长石。碱湖页岩的成岩改造过程消耗了黏土矿物和火山灰,极大增加了页岩脆性,同时伴生了大量基质溶孔和晶间孔,是一类优质的页岩储层。