Packer分层取样技术在非均质含水层勘查中的应用

在第四系松散岩层中进行抽水试验及分层取样工作一直是水文地质勘查中棘手的事情。为获得不同深度、不同层位含水层空间异质性特征,在实践应用的基础上提出了Packer分层取样结合井中物探技术,有效解决了传统钻孔抽水试验中分层抽水及取样的困难。研究表明:采用Packer分层取样技术可以实现在第四系松散岩类含水层钻孔中同径止水,分层封隔洗井、抽水试验及取样,而且易于实施,可以更加准确有效地获得空间异质性岩层中各含水层的水文地质参数。

等效渗透系数在非均质含水层渗流计算中的应用

基于等效渗透系数理论和渗流计算模型,采用IGW软件对渗流方向与层状渗流介质成某一角度时的实例进行了数值模拟计算。研究结果表明:对于成层介质中的渗流计算,可用等效的各向同性的均质含水层代替不同透水性介质组成的层状岩土层。研究结果为工程设计提供了理论依据。

水平向非均质含水层地下水流动半解析数值分析

利用C0修正的傅立叶级数,构建满足非均质含水层交界处流量连续条件的降深试探函数,提出分析水平向非均质含水层中地下水非稳定流动问题的半解析数值分析方法,由算例的计算分析验证了该方法的正确性和合理性,半解析数值分析结果满足流量连续条件.通过对有止水帷幕情况下基坑降水问题的模拟计算,进一步展示了该方法处理水平向非均质含水层中地下水非稳定流动问题的能力,拓展了半解析数值方法在地下水流动分析中的应用范围.

非均质含水层地下水资源脆弱性定量评价模型

目前非均质含水层地下水资源脆弱性定量评价模型对于地下水资源的分析力度较小,无法获取完整程度较高的水资源脆弱性数据,受区域环境的影响最终获取的定量评价模型精准程度较低。据此,文章提出一种新式非均质含水层地下水资源脆弱性定量评价模型。获取非均质含水层地下水资源脆弱性样品数据,根据参数信息调节初始数值的精准程度,接着获取定量评价模型脆弱性指标,设置相应的指标数值,并应用不同的指数条件调整整体模型性质,最终根据获取的数值参数构建定量评价模型,实现整体模型构建操作。实验结果表明,新式非均质含水层地下水资源脆弱性定量评价模型能够在一定程度上提升模型评价的精准程度,获取效果良好的模型数据。

非均质含水层中渗流与溶质运移研究进展

含水层的非均质性控制着地下水渗流和溶质迁移特性,准确定量化描述非均质含水层中的渗流和溶质迁移问题受到广泛关注,已成为地球科学领域中的研究热点。首先从非均质含水层地下水流和溶质迁移理论模型、矩分析、多尺度进行系统综述,指出尺度转换在目前水文地质研究中主要解决的问题以及存在的问题;其次从非均质含水层场地试验、不确定性以及速度连通性等方面分析了该方向的研究进展;最后指出地球物理反演含水层非均质性、随机理论与随机模拟软件开发、尺度转换及速度连通性的不确定性问题、非均质性与水文地质条件关系研究4个方面是该领域今后的主要研究方向。

非均质含水层条件下基坑流土稳定性的一种简化验算方法

渗透变形是影响基坑安全的重要因素之一,在实际工程中必须对基坑的突涌以及流土等渗透稳定性进行安全验算,然而现行规范中的流土稳定性验算公式,尚无法直接用于非均质含水层条件下的基坑工程。针对这一不足,在对已有流土稳定性验算公式和悬挂帷幕条件下基坑土层的渗流特点进行深入分析的基础上,提出一种更为适用的基坑流土稳定性验算方法。该方法原理简单明确,易于掌握,能较好地解决实际工程中常遇到的非均质含水层条件下流土稳定性安全验算问题。最后,通过将该方法计算结果与有限元方法进行比较,进一步证明了所建议简化算法的合理性和适用性。

巨厚非均质潜水含水层抽水试验及参数计算

渗透系数决定了深基坑工程涌水量的估算及止水帷幕的型式,影响工程安全及造价,对富水地区深基坑工程建设具有重大的意义。对于非均质含水层组,现有的解析公式中,很难找到合适的方法计算水文地质参数,特别是垂直方向的渗透系数。通过在现场施作临时止水帷幕,利用帷幕的绕流阻水作用进行抽水试验,模拟基坑开挖过程中的降水问题,再建立水文地质概念模型和地下水流数学模型,并利用三维有限差分数值模拟软件反演出各层渗透系数,最后通过验证性抽水资料对模型进行了验证,为福州一临江巨厚砂卵石地层地铁车站的围护结构设计中地下水控制提供了设计参数。该试验和数值模拟结果可为类似工程参考。

非均质承压含水层混合井数值模拟方法对比研究

针对混合井的数值模拟一直为地下水数值模拟中的难题,通过非均质承压含水层的数值试验,对比分析了各种刻画混合井方法的效果,并提出考虑垂直水力梯度影响的改进导水系数—水力梯度法。结果表明,与导水系数权重分配法相比,采用导水系数—水力梯度法计算,导水系数较大的含水层分配的流量偏大,而采用Thiem模型法偏小;网格步长对抽(注)水井的模拟结果的影响大于对观测孔的影响。

含水层层状非均质对地下水流系统的影响

区域尺度上含水层非均质具有复杂的结构性和随机性,难以准确刻画,造成非均质对区域地下水流系统的影响机制研究不够深入。本文以鄂尔多斯盆地白垩系地下水流系统为研究实例,选择典型剖面,采用剖面二维随机数值模拟方法,通过对比不同非均质刻画方法下地下水流场的变化,探讨含水层层状非均质对地下水流系统的影响机制。结果显示,均质条件下模型各向异性(含水层水平和垂向渗透系数比值Kh/Kv)取值为1000时,地下水流场与实际条件较为接近;非均质条件下,渗透系数方差取值0.91,水平相关长度取值5000 m,Kh/Kv取值150时,接近实际条件。研究表明,在大尺度地下水流模拟研究中,采用水平相关长度、渗透系数方差和各向异性值三个变量生成的随机场能很好地刻画含水层的层状非均质特征及其对水流系统的影响控制作用。由于含水层不同尺度层状非均质的叠加效应,采用均质各向异性介质等效概化含水层层状非均质性会造成等效各向异性值偏大失真的效应。

应用水力层析法刻画含水层非均质性

为了研究含水层多孔介质参数非均质性,利用一系列连续的交叉孔水力试验获取含水层对于外界干扰的反应信息,应用序贯连续线性估计方法(Sequential Successive Linear Estimator)对多系列水头信息进行随机参数估计,即水力层析法。应用该方法对随机产生参数的一维含水层进行了渗透系数K和储水率Ss的估算,并对估计值和真实值进行了对比,其中使用单井数据计算就可使K值的平均相对误差控制在2.67%,证明了该方法的有效性。在对某地浸采铀厂区长、宽为150m×150m的含水层进行了实例研究,使用29口井孔进行层析试验,对于该二维水平分布含水层的非均质特征进行了刻画,其中K值为0.5~1.4 m/d,Ss为0.00005/m^0.0002/m。该数据在后期的地下水污染溶质运移模拟中取得了很好的应用。作为研究地下水参数的新方法,水力层析法能够对三维分布的含水层特征进行高精度刻画,这种层析的概念和反演方法可广泛应用于环境和地球科学领域的研究。

基于含水层非均质性随机特征的地下水脆弱性评价

由于地质条件的复杂性,人们所能获取的地质和水文地质资料是有限的,这就导致对水文地质条件的认识具有不确定性,其中以含水层非均质特征最为显著,这对地下水脆弱性评价显然会产生显著的影响。考虑含水层的非均质特性,提出具有非平稳随机场空间相关性的地下水脆弱性评价方法。以南京市江宁区中部地区为例,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,模拟含水层渗透系数可能的非均质空间分布,采用DRASTIC方法进行地下水脆弱性评价。结果表明由此方法生成的渗透系数场变化的程度相对传统的普通克里金方法更加剧烈,更加符合复杂分布的非平稳随机场特征,在此基础上建立的地下水脆弱性评价更加符合客观事实,丰富和发展利用随机理论解决地下水环境问题的理论和方法。

试论场地污染水文地质学

随着地下水污染问题越来越受到重视,小尺度场地水文地质工作需求日益强烈。污染场地对水文地质工作的要求具有特殊性,具体包括:(1)小尺度,高分辨率;(2)既要研究污染物泄漏的污染过程,也要研究修复状态下的污染物去除过程;(3)特别需要关注注入含水层的修复剂流体(气体、液体、胶体、微生物等)与地层介质、目标污染物的作用。而传统大尺度的水文地质学难以完全满足上述工作的实际需求。地下水污染场地的控制与修复需要多学科协同,其中水文地质学最为关键。因此,有必要提出水文地质与环境工程学科交叉的“场地污染水文地质学”,以适应地下水污染场地的风险管理的实际需求。文章重点论述了场地污染水文地质学小尺度地层结构与污染羽的刻画、“污染物—水—岩”作用的定量描述以及非均质地层中污染物在多相体系中的作用和影响等,提出了场地污染水文地质学的主要研究内容和需要解决的关键问题,包括:(1)小尺度下场地高分辨率刻画;(2)污染过程和修复过程中污染物在地下环境中的物理、化学和生物作用的定量描述;(3)场地尺度污染物在地下环境介质中的迁移转化;(4)修复剂(助剂)在地下环境中的传输与反应;(5)非均质与低渗透地层污染的控制与修复。

非均质性对反求水文地质参数精确性影响研究

地下水文地质参数是衡量含水层导水性质和贮水性质的重要指标,是地下水资源评价的重要基础资料。本文利用GMS软件中的高斯模拟随机场生成不同非均质强度的含水层,对抽水试验进行数值模拟。利用得到的抽水实验数据,分别用解析法和数值法进行反求水文地质参数的计算。分析对比两种方法反求参数的精度,确定两种方法的适用性。结果显示:在反求参数的情况下,解析法要优于数值法;对于推算地下水的水头值时数值法要优于解析法。

论含水层非均质性对地下水污染特征的控制——以某山谷型垃圾填埋场为例

以某山谷型垃圾填埋场垃圾渗漏液泄漏的地下水污染调查与污染风险管控过程为例,探讨山谷型水文地质条件小尺度场地下含水层非均质性对地下水污染特征的控制作用。通过对研究区水文地质勘查、地下水污染的精准消源控羽和含水层强径流带的高效刻画等实践结果表明:山谷区非均质含水层中“非菲克弥散”现象明显;场地含水层非均质的掌控是地下水污染管控与修复工程成败与优化的关键所在;含水层非均质的把控可明显提高地下水污染精准管控效果,同时还可大大降低管控成本。本案例可为山谷型地下水污染风险管控工作提供可供借鉴的实践经验和技术参考。

水力联系系数法定量评价含水层之间水力联系

为了定量研究与评价含水层之间地下水水力联系程度,首次提出了水力联系系数C(hydraulic connection coefficient)的概念。将水力联系系数C定义为观测孔目的含水层水位降深与该观测孔位置抽水含水层水位降深的比值。通过水力联系系数,可定量评价某含水层水平上同层之间和垂向上不同含水层之间的水力联系程度。依据鄂尔多斯盆地白垩系洛河组各含水层段的水力联系系数C值,将含水层之间水力联系分为5个等级。其中,0.000 0≤C<0.062 5,0.062 5≤C<0.125 0,0.125 0≤C<0.250 0,0.250 0≤C<0.500 0,C≥0.500 0,分别代表水力联系等级为极弱、弱、中等、强、极强。以高家堡井田钻孔抽(放)水试验数据为例,采用水力联系系数和观测孔水位响应时间两个指标定量评价了区内巨厚层状非均质洛河组含水层内部水力联系。结果表明:洛河组中上段水平同层之间的水力联系系数分别为0.373 0、0.413 8,观测孔水位响应时间较短(约为5 min),水力联系强;洛河组下段水平同层之间水力联系系数分别为0.440 1、0.491 1,观测孔水位响应时间较短(为9~20 min),水力联系强;洛河组中上段与下段垂向水力联系系数分别为0.000 2、0.007 2、0.089 7,观测孔水位响应时间较长(大于60 min),水力联系极弱至弱。

非均质孔隙介质径向溶质双峰反常运移数值模拟研究

为了探究孔隙含水层的非均质性对注水井附近溶质运移的控制机理以及溶质羽的空间分布特征,基于美国MADE场地含水层地质统计学数据,利用T-PROGS(transition probability geostatistical software)构建了三维径向非均质随机模型;并结合MODFLOW和MT3DMS模块模拟了注水井附近的溶质运移过程,研究了沉积相不同空间结构对溶质运移过程的影响。结果表明:在非均质含水层注水井附近普遍存在双峰反常运移现象;径向溶质运移受高渗透性沉积相的沉积长度和厚度影响较大,沉积长度越大溶质质量空间分布曲线双峰现象越明显,尤其当沉积长度扩大到1.75倍时,双峰现象最明显;通过模拟结果可以得出高渗透性沉积相所在位置与高流速优先流所处位置呈一定的正相关性。总体而言,高渗透性的含水介质在冲洪积孔隙含水层中具有很强的连通性,易形成优先水流通道,导致溶质沿快速和慢速两种通道运移,从而使得穿透曲线出现双峰现象。

地下水污染物在高度非均质介质中的迁移过程: 机理与数值模拟综述

天然含水层通常具有复杂的物理和化学非均质性,是污染物迁移、转化等动力学过程的关键控制因素,对受污染地下水的修复造成了极大挑战.含水层介质的非均质性通常会导致污染物在地下水中呈现出明显的所谓“反常迁移(Anomalous Transport)”特征,与基于菲克定律的传统对流-弥散方程所描述的现象相去甚远.反常迁移亦被称为非菲克弥散(Non-Fickian Dispersion)或广义上的“反常扩散”,可以用来解释导致地下水污染在时间上持续恶化、在空间上快速扩展的水文地质机理.其控制过程为:一方面,污染物通过分子扩散、化学吸附等质量交换作用,从高渗透性区域进入并滞留在低渗透率基质中,再经分子扩散等过程缓慢回放,造成次弥散型反常迁移,导致水质长期缓慢恶化;另一方面,部分污染物沿着相互连通的优先水流通道迅速传输,造成超弥散型反常迁移,导致污染由点到面快速扩展.同时,介质非均质性也是制约污染修复效率的重要因素,而地下水修复技术的开发、应用、评估,通常基于传统对流-弥散方程预测出的菲克弥散过程.非菲克弥散对污染物迁移过程和修复效率的控制作用及其预测评估,尚缺乏深入和系统分析.本文针对地质介质非均质性导致的非菲克弥散现象以及效应进行综述,总结了地下水污染物在高度非均质介质中迁移转化的规律和认知,以及针对非菲克弥散特征的数学模拟研究前沿.同时,本文分析了已有研究不足,讨论了促进含水层非均质性及非菲克弥散机理和模拟应用发展的重要研究方向.

大凌河流域地下水脆弱性评价

以大凌河流域为例,采用改进的SPA连续随机增加法生成考虑了含水层非均质特性的渗透系数对数lnK,然后对渗透系数可能的非均值空间分布利用随机场次进行模拟,对流域地下水脆弱性利用DRASTIC法进行科学评价。结果显示:两种模型计算得到的含水层脆弱性变化走势和等级分布区域总体保持一致,基于OK法的脆弱性等级整体要高于fLm法,相对而言fLm的评价图连续性较差;所构建的不确定性模型能够准确、客观的反映流域地下水分布的真实状况,可为解决地下水环境问题及丰富发展随机理论的应用提供一种新的途径。

截断高斯模拟与沉积特征在煤系含隔水层三维空间分布的应用研究

本文引入截断高斯模拟与沉积物源的概念,对煤系上覆含水层进行分类、分相的分析,以便于摸清其富水性及其三维空间分布,通过对变差函数的拟合,将物源方向与其结合;优化主次变程值,使模拟值与实际值拟合得到研究区4种岩相所对应的变差函数。最终应用截断高斯模拟,在钻孔资料结合地质认识的基础上,建立三维含隔水层模型,经过验证,该模型结果与实际揭露相符。这种方法克服了二维图件描述的局限性,实现了地质认识与数学方法的结合,有利于煤系含隔水层非均质性的研究。