污染场地渗透系数非均质性表征研究

介绍了分区赋值、克里格和序贯高斯随机模拟3种表征渗透系数非均质性方法的原理,对比了不同方法对结果的影响。以某污染场地为例,综合考虑地层、数据采集方法和非均质性表征方法设计了5种方案,研究不同方案对地下水溶质运移模型的影响,探讨了不同表征方法的优缺点及差异性。研究结果表明:序贯高斯模拟法所得的空间分布结果,能反映出存在于局部区域边缘的渗透系数的突变,克服了另外两种方法的局限性。分层序贯高斯随机模拟法能够体现出较为连续的渗透带的分布范围及场地内部渗透性发生变化的位置,较其他几个方案的结果准确性较高。应用分层赋值法能够最大程度地表征污染羽的范围;应用分层随机模拟法能够较为全面地描述出污染羽分布的浓度变化差异。在进行污染场地溶质迁移模拟时,应综合考虑地层岩性、数据采集方法和非均质性的表征方法来描述渗透系数的空间分布。     

地下水流速及介质非均质性对重非水相流体运移的影响

重非水相流体(DNAPL)在地下介质中的运移分布受多种因素影响,包括DNAPL的物化性质、泄漏速率、地下水流速和介质非均质性等。本文采用地质统计方法生成渗透率随机场刻画非均质性,运用T2VOC模拟不同流速情形下DNAPL在均质/非均质介质中的运移分布,以评估地下水流速和非均质性对DNAPL运移的影响。研究结果表明,地下水流速的增大显著促进了DNAPL的水平和垂向运移。相同流速情形下,非均质性的增强使得DNAPL污染羽分布形态及运移路径的空间变异性增强,出现明显的蓄积和绕流。当DNAPL运移的优势通道方向与流速方向相反时,水流对DNAPL水平运移的促进作用将减弱,反之,其促进作用增强。随着流速与非均质性的同时增强,水平方向上污染羽的扩散范围增大,另外水平和垂直方向上质心位置(一阶矩)及展布范围(二阶矩),污染池起始位置及其长度的空间变异离散程度增大。     

含水层非均质性对地下水蒙特卡罗模拟结果的影响

为研究含水层非均质性对地下水蒙特卡罗模拟结果的影响,对非均质性分区渗透系数最终随机场的产生采用对应充填和排列充填两种处理方法,并对两种处理方法的蒙特卡罗模拟结果进行了比较。结果表明:对于具有强烈非均质性的含水层,蒙特卡罗模拟的实现数对于对应充填至少要取至2 500次,排列充填至少要取至10 000次,所得结果才是合理的;在绝对实现数相同的情况下,对应充填处理结果优于排列充填,但当实现数达到22 500次以上时,两种处理方法所得结果就无明显差别。     

不同渗透系数的非均质黏土劈裂注浆数值模拟

针对地下工程中软弱黏土地层病害治理问题,考虑黏土材料的非均质性与低渗透性,对黏土进行劈裂注浆加固特性分析。基于Weibull分布函数理论构建非均质黏土地层模型,对黏土进行劈裂注浆加固模拟;基于注浆模拟计算结果,分析不同均质度与渗透系数对黏土劈裂注浆效果的影响。结果表明:土体劈裂注浆难度随均质度的增大而增加,均质度较高土体劈裂后产生的裂缝较为单一,裂缝分布范围较小;均质度较低土体劈裂产生的裂缝宽度较大,裂缝影响范围更广。浆脉扩展的长度及增长幅度随土体渗透系数的增大而减小,高渗透系数土体的劈裂浆脉宽度要大于低渗透系数的土体,渗透系数较小土体的浆脉长度始终比较大,浆脉距注浆孔越远,其宽度越小。研究可为软弱黏土地层劈裂注浆的工程应用提供指导。     

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。     

基于压水试验的均质含水层渗透系数计算方法

从常规吕荣值计算公式出发,分析了用压水试验中的吕荣值作为衡量岩体透水能力定量指标存在的不足,推导出均质条件下压水试验中稳定流和非稳定流状态下的渗透系数计算公式。该公式完善了压水试验数据的分析计算法。选取锦屏一级水电站帷幕灌浆检测孔实测压水数据,采用稳定流及非稳定流方法分别计算其渗透系数,结果表明在短历时压水中采用非稳定流方法计算的渗透系数小于稳定流的计算值。因此,采用非稳定流计算的结果准确性较高。     

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。     

参数随机模拟在地下水溶质运移数值模拟中的应用

从水文地质参数的随机性出发,以我国南方某大型铀尾矿库为例,采用GMS软件(地下水模拟系统)建立了参数随机模拟的数值模型,分析了渗透系数的空间变异性对地下水溶质运移的影响.结果表明:渗透系数的空间变异性对地下水溶质运移结果有较大的影响.在其它条件都相同的情况下,随着渗透系数标准差的增大,污染物运移的范围扩大,污染物浓度标准差等值线图变得越来越不规则,污染物质心位置偏离面源中心.     

地下水溶质运移解析法的近似求解

地下水溶质运移解析法是地下水环境影响评价中常采用的一种预测方法。对于实际地下水环境影响评价工作而言,手工查表插值计算显得非常困难,计算机编程语言为解决这一问题提供了方便。以应用最广泛的一维稳定流动二维水动力弥散问题中的连续注入示踪剂-平面连续点源计算公式为例,借助IDL编程语言实现计算公式中第一类越流系统井函数以及第二类零阶修正贝塞尔函数的近似求解,并通过坐标系旋转变换得到与地下水流动方向相一致的污染物浓度值。结果表明:IDL语言结合Surfer软件可以实现地下水溶质运移方程解析解的快速、连续、稳定求解和求解结果的可视化,且所得解析解误差小、精度高,污染物运移方向满足地下水环境影响评价中实际预测的要求。     

城区地下水污染物运移特性探讨

探讨了由渗流作用引起的溶质变化量与由布朗运动引起的溶质变化量的比值P随地层渗透系数以及边界水力坡降的变化情况,得出比值P不受地层渗透系数的影响,而水力坡降才是引起比值P变化的决定性因素.     

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。     

一维地下水溶质运移模型多参数反演

以一维地下水溶质运移模型为基础,利用微分进化算法重点探讨监测频次、测量误差等因素对纵向弥散系数DL、有效孔隙度n以及水流速度u等参数联合反演结果的影响,并构造瞬时源和连续源两种工况的典型案例来验证该方法的可靠性。结果表明：微分进化算法具有收敛速度快、精度高等特点,能够运用于瞬时源和连续源地下水溶质运移模型水力、水质参数的反演问题。     

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。     

滨海盆地变密度地下水流与溶质运移三维耦合数值模型研究

针对滨海含水层的复杂性,以北部湾经济区合浦盆地地下水资源应急潜力评价为例,通过概化出合浦盆地水文地质概念模型的基础上,采用SEAWAT模块建立了合浦盆地变密度地下水流与溶质运移三维耦合数值模型。在对模型进行识别、验证的基础上,假设2025年10月出现极端干旱,在保证不发生海水入侵的条件下,获得了度过整个枯水期各水源地地下水资源应急潜力。结果表明:合浦盆地地下水资源应急潜力为83.13万m~3/d,集中开采区中心地下水水头下降3～8 m, 2 a后水位基本恢复;集中开采区降落漏斗远离海岸线,不受到海水入侵的影响。该方法将滨海水源地地下水应急供水预测和盆地的水文地质结构及当地发展规划紧密结合起来,为合浦盆地地下水资源的合理开发利用和应急能力建设提供了可靠依据。     

基于遗传算法的田间尺度土壤水力参数与溶质运移参数优化

合理确定田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数,是保证农田土壤水盐动态模拟与预测正确性的的重要前提。本文开展了基于遗传算法（Genetic Algorithms, GA）与农田水文模型SWAP（Soil-Water-Atmosphere-Plant）耦合进行土壤水力参数和溶质运移参数优化的方法研究。GA以选择、交叉和突变三个算子为基础,融入小生境技术、精英保留策略、Micro-GA算子、蠕式突变等改进算法,同时我们引入了子体优生策略。本研究以完全嵌入方式耦合了GA与SWAP模型,以河套灌区曙光实验站为背景,采用土壤剖面分层含水率(θi)和溶液浓度(cml i)、土壤表层含水率(θsur)、实际土壤蒸腾蒸发量(ETa) 作为观测资料,开展了田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数优化的数值试验与相应分析。结果表明：(1) 采用土壤分层信息 (θi和cml i) 作为观测数据,GA参数优化效果很好;(2) 仅采用ETa作观测数据时的参数优化效果欠佳,需慎重使用,而结合ETa与θsur后可提高优化精度; (3) 引入子体优生策略可提高GA的参数优化效率和精度。综上,结合GA与SWAP模型是优化田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数的一种实用方法。     

Modelling of solute transport in a filled fracture: Effects of heterogeneity of filled medium

In this paper, the developed lattice Boltzmann method(LBM) is used to model the solute transport in a filled fracture under a heterogeneous advective velocity field. The results of the developed LBM in modelling the solute transport are compared with the published experimental data. The numerically derived BTCs indicate that the distribution of the filled medium in the fracture has a significant effect on the characteristics of the BTCs, even with the same porosity. The heterogeneity of the filled medium is responsible not only for the heterogeneous advective velocity field but also for the early arrival and long tails of the BTCs. The long tailings of the BTCs increase their length with the increase of the duration of the input pulse. Furthermore, the BTCs obtained from the LBM simulations are well consistent with the two-region model(TRM). The fitting results show that the fractional mobile region varies with the distribution of the filled medium. The long tailings of the BTCs increase their length with the increase of the immobile region while the concentration peak value increases with the increase of the mobile region.     

基于遗传算法的田间尺度土壤水力参数与溶质运移参数优化

合理确定田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数是保证农田土壤水盐动态模拟正确性的重要前提。本文开展了基于遗传算法(Genetic Algorithms,GA)与农田水文模型SWAP(Soil-Water-Atmosphere-Plant)耦合进行土壤水力参数和溶质运移参数优化的方法研究。在已有GA基础上引入了子体优生策略,并以完全嵌入方式耦合GA与SWAP模型。采用河套灌区曙光实验站的土壤剖面分层含水率(θi)和溶液浓度(cmli)、表土含水率(θsur)、实际腾发量(ETa)等观测资料,开展了田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数优化的数值试验与相应分析。结果表明:(1)采用土壤分层信息(θi和cmli)作为观测数据,GA参数优化效果很好;(2)仅采用ETa作观测数据时,参数优化效果相对欠佳,需慎重使用,而结合ETa与θsur后可提高优化精度;(3)引入子体优生策略可提高GA的参数优化效率和精度。综上,结合GA与SWAP模型是优化田间尺度土壤水力参数和溶质运移参数的一种实用方法。     

土壤机械阻力对玉米根系导水率的影响

研究了土壤干旱(基质势为-0.86MPa)和湿润(基质势为-0.17MPa)条件下土壤机械阻力对玉米根系导水率(Lpr)的影响．结果显示，土壤机械阻力降低根系导水率，原因是土壤机械阻力使根系平均直径增大，根直径增大使根的径向导水阻力增大，从而使根系导水率降低，土壤干旱除了使土壤机械阻力增大外，还可能加速根内外皮层木质化和栓质化，从而降低根系导水率。