初始含水率对土壤垂直线源入渗特征的影响

为解决现有渗灌系统在深根系植物应用中存在的问题,该文设计了一种垂直线源灌水器,并通过室内土箱试验研究了不同初始含水率条件下砂黄土和塿土的垂直线源入渗特征。结果表明:Philip入渗公式的形式能够较好地描述2种土壤的三维入渗过程;入渗时间一定时,砂黄土和塿土的累积入渗量均与初始含水率之间呈二次函数递减关系;2种土壤入渗的最大径向距离、最大垂向距离、宽深比均与初始含水率之间呈二次函数抛物线关系;2种土壤相比,偏砂性的砂黄土累积入渗量在低初始含水率下较塿土大,但随着初始含水率的增加其减小速度较塿土快,偏黏重的塿土入渗临界初始含水率较砂黄土大,但其入渗范围较砂黄土小。这些结果可为不同土壤条件下的垂直线源灌水技术发展提供参考。

极端干旱区垂直线源灌方式对葡萄生长及水分利用效率的影响

灌溉方式对根系湿润方式的不同会影响作物生长及其对水分的利用效率。以常规滴灌方式为对照,通过田间试验研究了垂直线源灌方式对葡萄生长和水分利用效率的影响,结果表明:葡萄生育关键期灌水前后垂直线源灌方式根层土壤平均含水率可达到田间持水率的75.1%和82.8%,常规滴灌方式为田间持水率的60%和72%;垂直线源灌条件下净光合速率,蒸腾速率,气孔导度均较常规滴灌高,净光合速率均经历了气孔限制和非气孔限制,其中由水分胁迫引起的非气孔限制,垂直线源灌晚于常规滴灌出现,且表现不明显;垂直线源灌方式在地上生物量生长方面略好于常规滴灌方式,但两者未表现出明显差异;垂直线源灌方式较常规滴灌方式在产量上提高了1.2%;叶片水平上的水分利用效率,垂直线源灌方式较常规滴灌方式提高了57.4%。

垂直线源灌线源长度对湿润体特性的影响

垂直线源灌可将水分直接输送到果树的根系,减少土面蒸发损失,以提高水分利用效率。通过模拟试验,研究了线源长度对土壤湿润体变化特性的影响。结果表明,不同线源长度土壤表面水平湿润半径、最大水平湿润半径和垂直湿润深度均与入渗时间的平方根呈线性关系,线源长度对土壤表面水平湿润半径和最大水平湿润半径的影响不明显,土壤表面水平湿润半径与最大水平湿润半径的比值和入渗时间的平方根符合线性关系,土壤表面水平湿润半径与垂直湿润深度的比值随入渗时间的增加而增大,随线源长度的增加而减小。这些研究结果可为垂直线源灌技术参数确定提供参考。

垂直线源灌溉条件下交汇入渗特性研究

以模拟试验为基础,分析了垂直线源灌溉条件下不同线源长度和线源间距的交汇入渗特性,并提出了含线源长度和线源间距因子的入渗模型。结果表明,随着线源长度的增加,沿着供水管方向剖面和交汇面的湿润深度增加,湿润宽度无明显变化;随着线源间距的增加,沿着供水管方向的剖面的湿润深度减小,湿润宽度增大,在交汇面处湿润深度和湿润宽度均减小;累积入渗量随着线源长度的增加而增大,随着线源间距的增加而增大。经实测资料验证,入渗模型能有效的模拟垂直线源灌溉条件下交汇入渗特性。

垂直线源入渗土壤水分分布特性模拟

基于非饱和土壤水动力学理论,利用Hydrus-2D软件分析了垂直线源入渗条件下的土壤水分分布特征。通过试验对比验证,反推出试验土壤的水力参数。结果表明,Hydrus-2D软件可用于垂直线源入渗土壤水分分布特征的模拟,且精度较好。对不同灌水技术要素条件下的垂直线源入渗土壤水分分布特征进行模拟研究,结果表明,垂直线源入渗条件下,不同质地土壤的湿润体形状差别不大,大小有明显的差别:砂壤土和粘壤土的水平湿润半径分别是砂土的0.59和0.24,垂直湿润深度分别是砂土的0.42和0.31;在不同线源埋深情况下,土壤湿润体的形状和大小差别不大,湿润体的位置有显著的差别,当埋深增加5 cm,砂土、砂壤土、粘壤土的垂直湿润深度分别增加6%、11.5%、16%;线源长度和直径对土壤水分分布影响较大,其中线源长度主要影响垂直湿润深度,线源直径主要影响水平湿润半径;初始含水率高时,相同断面处的含水率增大;在相同入渗时段内,湿润锋水平运移距离和垂直运移距离随土壤初始含水率的增大而增大。

垂直线源灌土壤湿润体尺寸预测模型研究

基于HYDRUS-2D模型建立了垂直线源灌土壤水分运动数学模型,设置81种情景,模拟获得不同土壤质地、初始含水率以及线源长度、线源直径和埋深条件下的湿润体变化过程。湿润体尺寸主要受土壤质地影响,土壤质地越粗,湿润锋运移越快,线源长度、线源直径和埋深对其影响较小。土壤湿润锋运移过程符合幂函数关系,幂函数指数在水平和垂直向上方向上变化较小,而在垂直向下方向上随饱和导水率(Ks)的增大而增大;幂函数系数随Ks的增大而增大。提出了包含Ks在内的垂直线源灌土壤湿润体尺寸预测模型,试验验证了所建模型的可靠性,MAE和RMSE接近0,PBIAS在-4%~9%之间,NSE不小于0.929,说明预测效果良好。所建模型仅需Ks即可推求,试验设计简单,初步实现了由土壤物理参数预测垂直线源灌土壤湿润锋运移距离的可能。

垂直线源井-地电位探测地下动态导体的三维有限元数值模拟

利用钻孔金属套管作为线源供电,在地表观察电位探测地下动态导体是一种实用的方法。在本文中,以垂直钻孔套管为垂直线源,介绍了垂直线源的地电场电位公式,给出了异常电位的变分问题。针对有限元方程求解时计算速度慢和对内存要求高的问题,利用对称超松弛预条件共轭梯度算法结合按行压缩存储技术,提高了计算速度并且减少了对内存空间的要求。采用异常电位的有限元法实现了井-地电位探测地下动态导体的三维数值模拟。通过一个低阻动态导体在不同埋深处模拟超大型垃圾场区渗滤液的地下去向,算例结果表明利用垂直线源井地电位三维有限元研究探测地下动态导体是有效、可行的。

垂直线源电成像理论及应用

垂直线源电成像技术依托于套管井供电,不仅野外作业简便,而且可大幅度增加探测深度和成像精度,并能在不影响油井正常生产条件下实施作业。此法特别适用于油田开发中后期生产中油层注水推进前沿监测和剩余油分布状况研究。文中从井—地方式的电场特征出发,介绍了该技术的成像理论,并在S油田选取15口套管井作为供电电极,在每口套管井周围布设18条放射状、6~8周同心圆状的测量电极,分别进行测量,再将每次测量结果综合在一起,获得该区油层的含水饱和度分布。与该区实际含水饱和度分布相比较,表明电成像技术在油田开发中有广阔的应用前景。

垂直线源灌不同线源直径下的入渗规律及其模型适用性研究

为了提高垂直线源灌的水分利用效率,探明垂直线源灌不同线源直径下的入渗规律,通过模拟试验,研究了垂直线源灌不同线源直径下的入渗规律,比较了三种常规入渗模型的适用性。结果表明,随着线源直径的增加,入渗率和累积入渗量均增大;三种模型均能模拟不同线源直径下的入渗规律,其中Kostiakov入渗公式和Philip入渗模型较精确,Horton(变形)入渗公式更适合于入渗中期和后期的模拟;得出不同线源直径3种入渗模型的经验公式。该研究结果可为垂直线源灌技术推广应用提供理论依据。

利用垂直线源电成像技术获得剩余油分布

垂直线源电成像技术将套管井作为供电电流源,大大地增加了探测深度和成像精度,且可在不影响油井正常生产的情况下实施作业。所获得的视电阻率经反演成像后可得到深部目标储层中的真电阻率,然后利用电阻率与含油(水)饱和度的关系,获得目标储层中剩余油分布状况。其与地质分析、示踪剂测试法和岩芯分析等结果综合后,可为油田制订挖潜方案提供依据,达到稳产、增产的目的。将该技术试验性地应用于某油田已经处于中后期生产的某区块,获得了其目标储层的剩余油分布,将之与该区块中试验探测期间各井的含水率分布图对比分析后发现,利用垂直线源电成像技术获得的剩余油分布是可靠的,可为油田中后期挖潜方案的制订提供可靠依据,具有巨大的应用潜力。

垂直线源井—地电阻率法三维有限元模拟

详细推导了垂直线源的正常电位及其异常电位的变分问题,再利用有限单元法正演模拟了当地下存在三维低阻异常体时地下半空间的电场分布,计算并绘制了过井口主测线上视电阻率剖面图。正演结果显示线源供电测量方式能较好地显示异常体的水平投影位置和埋深,达到分辨异常体的目的。实际工作中,可利用钻杆作为线源供电,通过动态观测地面电位的变化,计算视电阻率,判断地下异常体的位置。

入渗模型对垂直线源灌线源长度的适用性

为了分析垂直线源灌下土壤水分的入渗规律,探明不同线源长度的入渗率和累积入渗量,通过室内土箱模拟试验,研究了3种常规入渗模型对垂直线源灌下不同线源长度入渗规律的适用性.结果表明,随着线源长度的增加,入渗率和累积入渗量均增大;3种模型均能模拟不同线源长度下的入渗规律,其中Kostiakov入渗公式最精确,Philip入渗模型更适合于入渗前期和中期的模拟,Horton(变形)入渗公式更适合于入渗中期和后期的模拟,并且更适合于线源长度大于20 cm的情况;得出不同线源长度下3种入渗模型的经验公式,3种入渗模型入渗率的经验公式精确度均高于累积入渗量的精确度,3种入渗模型累积入渗量的计算值均高于实测值.该研究结果可为垂直线源灌技术的推广应用提供理论依据.

充分供水条件下垂直线源灌入渗模型简化研究

为了定量预测和分析充分供水条件下垂直线源灌土壤入渗特性,基于HYDRUS-2D模型,设置了144种模拟情景,模拟得到了9种土壤在不同线源直径和线源长度条件下的累积入渗量。采用Philip入渗公式对模拟数据进行拟合,从而获得吸渗率和稳渗率。在此基础上,研究了吸渗率和稳渗率与灌溉参数间的关系,建立了考虑线源渗水面积和饱和导水率的充分供水垂直线源灌土壤累积入渗量简化计算模型。最后,利用试验数据验证了简化入渗模型的准确性。结果表明:同一土质的吸渗率与稳渗率均随线源渗水面积的增大而增大,且吸渗率与线源渗水面积符合线性函数关系,稳渗率与线源渗水面积符合幂函数关系。土壤累积入渗量的简化计算模型的统计指标E_(MAE)与E_(RMSE)分别介于1.57~2.05 L与2.38~2.88 L之间,E_(NSE)≥0.92,计算值与实测值一致性较好,简化计算模型预测效果较好,可初步实现仅通过饱和导水率K s这个物理参数来预测充分供水垂直线源灌的入渗量。

垂直线电流源的三维电阻率成像

在油井注水和深井注浆的电法监测中，地表布设平面的电位测量网，而将钻井的钢套管作为线电流源来供电，据此可确定流体的运动方向和分布特征。数据处理中需解决垂直线电流源的三维电阻率反演。本文叙述了相应的反演理论和偏导数计算方法。在某油田的试验中，以生产井为电极圈的中心，每圈均匀布设18个电极，共6圈，在地表得到了108个电位数据，获得500-2000m之间5个不同深度层的真电阻率分布图像，并对深度层为1500～1600m的图像进行了初步解释。结果表明，该方法可以对井下某深度层中的流体运动和分布可进行有效的监测。

任意形状线电流源三维地电场研究

利用套管供电,通过地表观测视电阻率研究油田注水分布和剩余油分布近来在油田开发中得到了应用.由于现在的油井和水井有很多是倾斜的,因此,研究倾斜线电流源三维地电场是必要的.本文针对任意形状线电流源,从异常电位所满足的微分方程出发,利用有限差分方法实现了任意形状线电流源三维地电场正演.正演结果表明相同模型使用倾斜线源和直线源其地表响应有较大的差别,实际应用中不能将井斜较大的井当作垂直线源,而应以倾斜线源处理.

水平管状注水裂隙的井—地电位异常数值模拟与分析

井—地电位法是利用地下储层注水后岩层电阻率的变化来研究储层剩余油分布和注水的推进前沿、判断油田的注水分布和剩余油分布的一种地球物理方法。本文阐述了井—地电位法监测地下注水裂隙的方法原理,研究和推导了水平管状注水裂隙的井——地电位异常的理论公式,建立了地下裂隙模型并在Matlab中计算地下不同长度、深度和方位的地下裂隙在地面的理论视纯异常值,画出了注水前后电位差视纯异常玫瑰图。数值模拟结果表明,水平管状注水裂隙的井——地电位法视纯异常玫瑰图呈苹果状曲线分布,视纯异常的最小值对应的是苹果状曲线的根部,苹果状曲线的根部所指向的方位对应的就是地下注水裂隙的方位。在供电电流为15A,地下裂隙深度在500 m,裂隙长度为50～100 m时,井——地电位法视纯异常的变化幅值在n×10nV～n×100nV之间。井——地电位法视纯异常的形状、幅值随着水平管状注水裂隙的方位、长度和深度的变化而变化,因此,可以采用井——地电位法,监测地下水平注水裂隙的方位、长度和深度情况,从而为监测地下注水裂隙的注水情况及剩余油的分布情况提供地球物理资料。

非饱和区常水头井入渗模型的适用性研究

基于多孔介质渗流基本理论,建立不同水深条件下黏土、粉质黏土及粉土的常水头井入渗有限元模型.利用Green-Ampt及Philip入渗模型对数值计算结果进行拟合,给出各模型关键参数的计算方法及计算精度,分析入渗模型在非饱和区常水头井入渗中的适用性.结果表明:Philip模型对不同土质、不同入渗类型下非饱和区常水头井入渗均具有很好的适用性,GreenAmpt模型仅适用于黏土及粉质黏土的点源入渗及水深与孔径的相对大小不太大时的垂直线源入渗.最后通过室内试验验证了研究结论的准确性.

Reflecting and transmitting effect of a planar unidirectionally conducting screen

The reflecting and transmitting effects of a planar unidirectionally conducting screen are analyzed based on the accurate closed-form expression for electric field of an arbitrarily oriented electric dipole.For a dipole oriented along the wire elements of the screen,the screen acts as a perfectly electrically conducting plane.For a dipole perpendicular to the wire elements,the fields reflected by the screen can be interpreted as the contribution of an image dipole and image transmission-line current source,while the transmitted field is arisen from image transmission-line source.The expressions of related surface waves are derived and can be compared with previous results.