基于cDC-GAN替代模型的物理-化学非均质矿层CO_(2)+O_(2)地浸采铀过程模拟

基于物理过程的CO_(2)+O_(2)地浸采铀反应性溶质运移模型需要采用高分辨率网格来捕获介质物理-化学参数空间变异性和对流-弥散-化学反应多过程耦合特征,往往面临巨大的模型计算挑战.传统的替代模型处理高维数据空间分布预测时面临精度和维数诅咒问题,基于条件深度卷积生成对抗网络(conditional Deep Convolutional Generative Adversarial Network,cDC-GAN),本文提出了一种多重输入图像到输出图像回归的cDC-GAN替代建模组件,建立了高维物理-化学非均质场(渗透率场和铀矿物品位场)和铀浸出浓度分布场之间的映射关系,训练集和测试集样品中结构相似性指数的中值达0.98以上,可以作为砂岩型铀矿CO_(2)+O_(2)溶浸过程数值模型的替代方案.cDC-GAN替代建模不受底层物理模型的限制,进而可为复杂反应性溶质运移模型的参数识别、不确定性分析、全局敏感性分析和模拟优化方案设计等提供通用框架.

基于PINNs算法的一维潜水流方程的渗流参数反演

在地下水领域中,渗流参数反演有助于了解地下水流动的性质,帮助确定地下水资源的分布、移动和质量,这对于地下水资源管理、水文模型开发和地下水补给的可持续性非常重要.近年来,神经网络方法快速发展,然而其针对潜水流渗流参数反演的研究较少.基于此,首次将物理信息神经网络(Physics-Informed Neural Networks,PINNs)方法结合软硬约束设置来解决潜水含水层渗透系数反演问题,以一维稳态非均质潜水流以及非稳态均质潜水流(含溶质运移)的渗透系数反演为例,对比了不同问题中PINNs软约束方法(PINNs-S)和硬约束方法(PINNs-H)反演渗透系数的表现.PINNs算例结果表明,PINNs算法反演渗透系数具有较高的计算精度.此外,PINNs硬约束算法和软约束算法各有优劣,在实际应用中应根据具体问题和实验效果来合理选择.

多孔介质中多环芳烃与细菌共运移数值模拟

地下水中微生物等胶体对多环芳烃的运移具有促进作用,为进行多环芳烃污染的精准、高效修复,需要建立准确、可靠的多环芳烃与细菌胶体共运移数值模拟模型。研究基于室内砂柱荧蒽运移系列实验,采用Hydrus中Colloid-Facilitated Solute Transport(C-Ride)模块构建荧蒽与细菌FA1共运移数值模型,并采用马尔科夫链蒙特卡洛方法(Markov Chain Monte Carlo,MCMC)进行模型参数不确定性分析,定量刻画荧蒽在水动力和微生物胶体作用下的运移过程。结果表明:基于Hydrus C-Ride模块和MCMC参数不确定性分析,能够准确地刻画荧蒽和细菌FA1的共运移过程;细菌FA1促进了荧蒽在多孔介质中的迁移速度,且导致荧蒽在多孔介质中运移回收率的增加,即由55.06%提升至76.16%,其中吸附至可移动胶体迁移和随水流迁移贡献的回收率分别为41.46%、34.69%。研究成果对于指导地下水污染微生物修复方案的优化设计具有重要的理论和现实意义。

地形演化模型的参数敏感性分析:以库玛拉克河流域为例

地形演化模型是进行地形演化定量研究的基础,其涉及过程复杂、模型参数众多,为缓解参数识别困难和提高模型参数设置的可靠性,识别地形演化模型的关键驱动机制和参数成为当前研究的重点。该研究选择新疆塔里木河流域的库玛拉克河流域为研究区,基于LE-PIHM(Landscape Evolution-Penn State Integrated Hydrologic Model)建立了研究区地形演化模型,通过全局敏感性分析方法—Sobol方法,识别了LE-PIHM模型的参数敏感性。以研究区内三个典型地貌类型的地表高程为敏感性分析的目标函数,结果表明,研究区山区地形演化的关键模型参数为裸露基岩的风化速率(P0)、基岩风化方程拟合系数(α)和构造抬升速率(U),这些参数主要涉及基岩风化作用和构造抬升作用。同时,在研究区的平原区,除含水层孔隙度(ng)以外,模型参数均具有较高的敏感性,平原区高程变化主要由各参数之间的相互作用控制。在研究区的河道地区,模型参数敏感性与在平原区类似,但土壤孔隙度(ns)和含水层水平渗透系数(KHg)有显著更强的敏感性,其分别涉及地表水—地下水交互作用和含水层透水性能。

“大思政”与新工科背景下水文地质类课程改革与实践——以“地下水动力学”课程为例

立足“大思政”时代背景,面对新工科建设的机遇与挑战,水文地质类课程应该如何顺应时代发展需要进行教学改革成为亟须研究的课题。以“地下水动力学”课程为例,介绍“大思政”与新工科背景下水文地质类课程改革与实践。首先,基于文献调研,结合时代背景、学校定位和专业特色确定“面向应用+立德树人”的教学目标,有机融合课程思政案例和典型工程案例,形成了“工程教育+课程思政”的“双目标”驱动下“地下水动力学”课程一体化教学框架与知识体系;其次,改革教学方法,综合采用启发式教学、互动式教学等多种方法进行课堂和实践教学,以激发学生的兴趣、启发学生的思考、提升学生的实践能力;最后,优化课程考核评价方式,利用网络资源、线上平台、线下教学,在主题讨论、随堂练习和课后作业方面实现全过程追踪,对综合考勤、课堂表现、课堂制图、课后作业和期末考试进行全方位课程考核。

不同胶结度的多孔介质中溶质横向弥散的孔隙尺度模拟研究

深入理解、精确刻画溶质孔隙尺度横向弥散行为是揭示溶质运移现象内在机制、提高溶质运移模拟精度的关键。基于孔隙尺度模拟方法研究了不同胶结度的多孔介质中溶质横向弥散特征。结果表明:当胶结度增大时,溶质横向弥散程度有所增强,但与纵向弥散相比增强幅度较小,且在模拟的胶结度范围内横向弥散未展现显著的尺度效应。研究还发现多孔介质中横向弥散系数D_(T)与纵向弥散系数D_(L)间的差异程度不是固定不变的,而是随着溶质运移距离逐渐增大最终达到稳态的过程,并且D_(L)/D_(T)的渐进值及达到渐进值所需时间均受胶结度的影响。因此,将D_(T)视为比D_(L)小一个数量级的值与溶质实际弥散行为存在较大偏差。同时,通过对比不同介质中流体流速横向、纵向分量概率密度及溶质对流速率概率密度的差异,揭示了以上溶质横向弥散特征变化及其与纵向弥散特征变化不同的内在机制。

不同胶结度的饱和土壤孔隙尺度结构对地下水渗流特性的影响

饱和土壤中地下水渗流过程的研究在诸多领域具有重要意义,土壤孔隙尺度结构差异对地下水渗流特性有显著影响。土壤颗粒胶结度是土壤的基本属性之一,但是目前针对不同胶结度的土壤孔隙尺度结构差异对地下水渗流影响的研究尚少。采用整体重排算法构建不同胶结度的土壤介质孔隙尺度结构,基于此运用有限元软件模拟介质中地下水渗流过程开展相关研究。结果表明:土壤颗粒胶结度对饱和土壤中地下水渗流具有显著影响。随着胶结土壤颗粒百分数Pc从0增至60.20%,流场的变异函数增大了70.15%(从1.233到2.098),即随着胶结度增大,流速空间非均质性显著增强。此外,沿地下水主要流动方向和垂直于主要流动方向上的流速概率密度分布函数均越来越发散。流速接近平均流速的区域减少,不流动区、优势流区同时显著增大。当Pc从0增至60.20%时,地下水中不流动区比例增大了23倍(从2.06%到48.31%),而优势流区比例增大了将近9倍(从0.27%到2.41%)。当平均流速不同时,渗流特征的以上变化趋势保持不变。此外,本研究发现不同胶结度介质间的孔隙尺度结构差异正是引起地下水渗流特性发生上述变化的内在原因。

基于地下水安全的六价铬土壤环境基准值推导案例

重金属污染物六价铬[Cr(Ⅵ)]毒性较大,迁移性强,对地下水安全带来很大威胁,现行相关土壤标准多忽视了地下水安全,亟需制定基于地下水安全的Cr(Ⅵ)土壤环境基准值为污染场地监管提供支撑。调研借鉴国外制定基于地下水安全的污染物环境基准值的方法,以浙江黏壤土、江苏壤质砂土和吉林壤质黏土为研究对象,进行室内静态吸附试验,获得3种土壤的Cr(Ⅵ)分配系数。土壤参数及含水层相关参数通过查阅调研国内文献获得,采用美国环境保护署在土壤筛选指南中提出的土壤筛选值(soil screening level,SSL)方法,基于《地下水质量标准》(GBT 14848-2017)反推得到基于地下水安全的土壤环境基准值。研究结果表明:基于地下水安全的Cr(Ⅵ)土壤环境基准值分别为0.944,0.690,0.514 mg/kg,研究结果与国外以保护地下水安全为目的的基准值较为接近,但各研究地区土壤性质的差异使得基准值有所差别。因此各地监管机构在完善土壤环境质量评价体系时应当构建各地土壤及含水层参数数据库,为本地区土壤污染治理提供参考。研究结果可为我国各地区推导基于地下水安全的重金属土壤环境基准值提供科学依据。

温度耦合驱动下土壤–地下水有机污染物迁移规律与模拟研究进展

场地土壤–地下水有机污染空间分布受温度场、水动力场、化学场和生物场等多场控制。明晰有机污染物在土壤–地下水系统中的空间分布规律和驱动机制,定量模拟污染迁移过程,是有效开展污染控制与修复的前提。在众多的影响因素中,温度通过改变有机污染物的理化性质及多相流、化学/生物作用驱动参数,进而影响其在土水介质中的迁移及空间分布。本文综述了有机污染物理化性质(密度、黏度、溶解度)和有机污染化学/生物驱动(挥发、吸附和生物降解)关键参数与温度之间的解析关系,及考虑温度影响的土壤–地下水中有机污染传质过程模拟的研究进展,并针对目前模拟研究的不足提出了耦合温度场的土壤–地下水有机污染物迁移数学模型,为定量探究温度耦合驱动下的有机污染物迁移转化过程和规律提供参考。

脱卤杆菌介导的厌氧微生物富集菌群对1,2,4-三氯苯的降解特性

1,2,4-三氯苯是我国工业污染场地土壤和地下水中典型的有机污染物,具有持久性、生物蓄积性和高毒性特点,对生态环境和人体健康危害巨大。1,2,4-三氯苯密度比水大,容易迁移至深部厌氧区域,因此,开展1,2,4-三氯苯厌氧微生物降解与修复研究具有重要实际应用价值。本文通过长期富集培养,获得一份可以稳定地将1,2,4-三氯苯还原脱氯至1,4-二氯苯,再进一步还原脱氯至氯苯的厌氧菌液。通过16S rRNA基因扩增子测序及引物特异性的定量PCR实验,证明厚壁菌门的脱卤杆菌属细菌(Dehalobacter species)是1,2,4-三氯苯和1,4-二氯苯厌氧还原脱卤的功能菌株,其生长率为(1.68±0.8)×10^(6)copies·μmol^(-1)(释放的氯离子)。通过PCR扩增,获得Dehalobacter菌株的16S rRNA基因序列,构建了系统发育树。本研究可为1,2,4-三氯苯污染场地开展原位厌氧微生物修复提供菌株资源和理论指导。

单井注抽示踪试验推估含水层中DNAPL残留量的数值分析

目前,刻画场地重非水相液体(dense non-aqueous phase liquid,DNAPL)污染常用的钻孔取样和井间分溶示踪试验方法成本高昂。相比而言,单井注抽试验节省经费,且对污染源区的扰动少,但该试验方法推估DNAPL残留量的准确性尚未得到定量验证。针对该问题,基于数值方法分析了示踪剂类型、注抽速率、污染源区结构等因素对单井注抽试验推估DNAPL残留量精度的影响。结果表明:(1)选用分溶系数比2,2-二甲基-3-戊醇(2,2-dimethyl-3-pentanol,DMP)低的己醇进行示踪,示踪剂回收更加充分,推估污染物残留量的平均精度增幅可达35.11%;(2)当注入速率从100 m^(3)/d提高至130 m^(3)/d、抽出速率从120 m^(3)/d提高至150 m^(3)/d,示踪剂接触的污染源区面积更大,均质源区对应的污染物残留量平均精度从42.45%提高到60.26%,非均质源区对应的平均精度从27.69%提高至48.72%;(3)污染源区结构复杂程度的增加会阻碍示踪剂的运移,非均质源区对应的平均精度比均质源区降低了13.15%;(4)单井注抽示踪试验更适用于离散状为主的污染源区,其平均精度比池状为主的源区增加了15.74%。单井注抽试验结合数值分析可有效推估残留非水相液体的分布,建议在DNAPL污染场地精细调查中使用,可为场地风险评估和修复方案的制定提供参考。

高盐废水深部地质封存反应运移数值模拟

高盐废水深井灌注在中国尚处于准入论证阶段,废液组分在深部封存体中的运移涉及变密度驱动、水岩化学反应和变参数协同物理—化学作用过程,定量刻画这些复杂过程是深井灌注亟需解决的关键科学难题之一。文章选择鄂尔多斯盆地某灌注储层为模拟原型,采用PFLOTRAN程序构建适用于高盐废水深井灌注的变密度变参数多组分反应运移模型,以预测和评价高盐废水灌注深部地质体后的迁移转化、储层矿物演变及储层性质的改变。模拟结果表明,高盐废水注入灌注层产生硬石膏、方解石、萤石等次生矿物沉淀;模拟期100年内地质储存能力下降约1.51%,污染羽扩散范围为2.57 km^(2)。所建模型可为定量刻画高盐废水深井灌注组分迁移转化过程提供模拟工具。

基于离散裂隙基质模型的水平双裂隙含水层海水入侵机制

探究水平双裂隙含水层中的海水入侵机制,对理解裂隙含水层中的海水入侵机制具有重要意义。本文构建了大型室内砂槽模型,并通过离散裂隙基质数值模型分析了不同分布形式的水平双裂隙对盐水楔、混合带等海水入侵特征的影响。结果表明:①水平双裂隙能显著增强盐水楔及混合带的发展,裂隙间的咸淡水混合尤为显著;2条主干裂隙会限制彼此的作用,位于近海侧、含水层中部的裂隙作用更加显著。②位于近海侧的裂隙高度越高,则盐水楔发展程度和裂隙间混合作用越显著,而近陆侧裂隙高度则仅对盐水楔尾部有明显影响。③位于含水层中部、底部的裂隙,越靠近内陆则盐趾长度更大、盐水体积更小,而远离盐水楔时则会使混合带和盐趾长度急剧变小。

DNAPL场地污染通量升尺度预测的敏感性分析

重非水相液体(DNAPL)污染问题日益严重。为评估DNAPL污染场地的环境风险,常采用升尺度模型推估DNAPL污染源区溶解相的质量通量(溶解通量)。由于升尺度模型中的参数较多,调查成本较高,因此需筛选模型中的关键参数,指导实际污染场地设计合理的观测数据采集方案。首先对升尺度模型中6个参数(地下水平均流速q、标准化浓度C_(0)/C^(eq)、离散状DNAPL质量比例GF_(0)、初始时刻离散状DNAPL贡献的通量比例f_(g)、拟合参数β1及β2)开展全局敏感性分析,识别其中关键参数,进而采用局部敏感性分析定量化关键参数的变化对通量预测的影响。研究结果表明,参数q、C_(0)/C^(eq)、GF_(0)和f_(g)对通量预测有较大影响。q和C_(0)/C^(eq)在整个衰减过程中敏感性均相对较高,GF_(0)和f_(g)随着衰减过程的进行,敏感性不断增高,分别在衰减中后期和后期达到峰值;对于不同结构的污染源区,q或C_(0)/C^(eq)增大时,通量的增幅基本不变。随着污染源区中离散状DNAPL和池状DNAPL间的质量比例(GTP)增大,GF_(0)或f_(g)增大时,其对通量预测的影响不断增大或减小。因此在预测溶解通量时需将调查成本重点应用于q和C_(0)/C^(eq);在合理设计污染源区修复方案时,应重点调查GF_(0);在预测污染源区寿命时,f _(g)为重要调查对象;对于所有结构的污染源区,q和C_(0)/C^(eq)均为重要调查对象,对于GTP较大的污染源区,应将调查成本重点应用于GF_(0),对于GTP较小的污染源区,应重点调查f _(g)。

岩溶管道结晶堵塞水动力-化学反应耦合模拟对比研究

岩溶隧址区含水层内的高矿化度地下水渗入排水管道中,由于温压条件的改变,会导致渗流结晶从而堵塞排水管道。为定量化研究隧道排水系统结晶堵塞过程,本文首次构建了考虑管道水动力场、浓度场和化学反应场耦合的排水管岩溶水结晶堵塞模型,采用动网格和水平集方法定量刻画隧道排水系统结晶堵塞过程,开展模拟对比研究,分析温度、流速和溶液浓度等因素对结晶堵塞的影响程度。结果表明:(1)两种方法均能实现结晶堵塞过程的模拟预测,其中动网格方法建模简单,且求解精度高;水平集方法可追踪拓扑结构的变化,模拟管道完全堵塞的过程;(2)纵管内流速普遍大于横管,横管内CaCO3晶体浓度高于纵管,因此结晶堵塞主要发生于横管中;(3)温度和溶液浓度与结晶速率呈正相关关系,管内流速与结晶速率呈负相关关系。本文构建的考虑水动力-化学反应耦合的结晶堵塞数值模型可为岩溶隧道堵塞早期识别与安全评价提供技术支撑。

岩溶隧道排水管结晶堵塞除垢试验及数值模拟研究

岩溶区隧道渗水的总硬度和溶解性总固体含量较高且渗入量大,隧道排水管普遍存在结晶堵塞现象,从而引发一系列隧道病害问题,严重威胁隧道的建设及运营安全,迫切需要开展针对性的除垢技术研究。以某岩溶区隧道排水管道结晶堵塞现象为原型,针对岩溶管道堵塞进行水动力冲刷除垢设计并开展室内试验,同步构建考虑水动力冲刷过程的变边界管道水动力除垢数值模型,通过试验数据拟合,验证了模型的适用性和可靠性。结果表明,变边界管道水动力除垢数值模型能定量模拟冲刷除垢过程,初期冲刷效果较好,随着时间的推移,冲刷率逐渐降低至稳定的低值,有效冲刷面积达64%,该研究可为现场开展管道结晶堵塞水动力冲刷除垢提供理论支撑。

利用机器学习从切片的孔隙结构特征预测多孔介质渗透率

利用机器学习模型预测多孔介质的渗透率是当前孔隙尺度模型的关键研究方向之一。由于三维多孔介质数据无法直接应用于经典机器学习模型,对孔隙空间结构进行特征提取是有必要的。深度学习模型作为经典机器学习模型的进阶,在多孔介质三维数字图像预测渗透率方面取得许多成功,但模型的计算成本相当高。该研究提取多孔介质切片的孔隙结构特征,将数字图像转化为多维向量并作为机器学习模型的输入,在减少数据输入量、大幅度提高训练效率的同时,模型保持了出色的预测能力,其中长短期记忆神经网络(LSTM)的预测结果最佳。

降雨引起的非饱和带压力波传播过程及其对地下水快速排泄的影响研究

大量基于河流水化学与同位素的研究表明,降雨引起的河流流量增量很大一部分来源于流域内储存的“旧水”,这一现象被称为“旧水悖论”,降雨引起的非饱和带压力波可能是造成这一现象的一个原因。本研究构建了四种不同土壤类型(砂土、壤质砂土、砂质壤土、壤土)的土柱数值实验,重点探讨非饱和带压力波传播过程及其推动地下水快速排泄的可能性,分析“旧水悖论”发生的原因。模拟结果显示,所有土壤中均能观测到压力波现象,第一次强降雨发生后,四种土柱中压力波传播时间分别为1.86、2.84、5.24和7.46天。压力波现象本质上是水力信号的快速传递,并不表示本次降雨的快速流动,实验中当土柱底部对降雨产生响应时,水化学特征还没有同时发生改变,而是分别滞后到6.12、10.33、18.05和30.00天,引起不同土柱压力波波速和土壤水流速的差分别为74.71、51.05、27.08和20.13 cm/d。研究表明,压力波波速和土壤水流速与土壤特征曲线和饱和渗透系数紧密相关,在所有土壤中砂土中形成的压力波更容易快速传递到地下水。由于流域中非饱和带厚度一般与河流垂直距离成正比,河滨带压力波能够快速传递到地下水,并能够推动土壤水向地下水和河流排泄,这种现象在渗透性较好的土壤中更为明显。本研究为更准确地认识流域水文过程和更好地揭示“旧水悖论”机理提供了重要理论支撑。

基于随机行走的海岛地下水流替代模型构建方法

地下水是海岛重要的淡水资源。为了解决海岛地下水管理实践中遇到的模型计算成本过高以及现有替代模型黑箱性问题,本文提出基于随机行走的海岛地下水流替代模型构建方法。通过GPU并行随机行走算法分别建立海岛的人工增储含水层、分层越流含水层、随机非均质含水层的替代模型,并与相应海岛含水层解析解或数值解进行对比,验证随机行走替代模型在不同海岛含水层模型中的适用性和可靠性,分析潮汐动态边界对海岛分层含水层的影响,最后评估行走元数量对替代模型误差及计算成本的影响。

山西柳林泉局部区域溶质运移二维数值模拟

本文建立了用于描述柳林泉域地下水中氯离子运移行为的局部区域二维可混溶溶质运移模型 .模型考虑了地下水中溶解盐分浓度变化引起的地下水密度的改变 ,及其导致的地下水水头的变化 .该模型计算值与观测资料基本一致 ,说明所建模型可以用于实际 .据此用所建模型预报了柳林电厂水源地投入使用后对区域地下水位和水质的影响 .