区域饱和-非饱和地下水流运动数值模拟

根据多孔介质中区域饱和-非饱和水分运动的特征,建立基于迦辽金有限单元法的拟三维数学模型.通过对三维Richards方程沿饱和含水层垂向平均得到水平二维模型的基本方程,在各选定区域非饱和带沿水平方向平均得到多个一维非饱和水流运动方程.一维非饱和模型与二维饱和模型的耦合点为非饱和带计算所得的通过潜水面的流量项.最后,验证拟三维模型的模拟结果,说明模型合理可行,为研究大区域饱和-非饱和水分运动提供了有效的分析工具.

北京市平原区饱和-非饱和地下水三维流模型建模方法

地下水是北京市主要的供水水源,其安全性对于北京市社会经济发展起着至关重要的作用,而利用地下水数值模型研究合理的地下水供水方案是非常有效的方法.本文在总结分析北京市平原区地下水数值模拟现状和水文地质条件的基础上,阐述了利用国际流行的饱和-非饱和地下水流并行数值模拟软件TOUGH2-MP/EOS9建模的方法,包括离散网络建立、水文地质参数分区与赋值、初始条件、参数率定与模拟拟合等等.结果表明了模型的合理性,同时分析了饱和度和补给速度的垂向变化,其结果可为南水北调水入京后北京市地下水补给和压采方案提供有效的技术支持.

饱和-非饱和带地下水流数值模型的双层迭代方法

为了避免求解高度非线性的三维饱和-非饱和水流方程,本文假设在非饱和带和饱和带中地下水流分别由一维垂向流模型(θ-模型)和二维水平流模型(H-模型)描述。在地下水面的水流通量(qH)是连接θ-模型和H-模型的边界条件。通过将垂向平均含水量-θ(H,t)展开成以H为变量的一阶Taylor级数,qH可表示作为水位(H)的函数。一个双层迭代方案被用于求解饱和-非饱和水流模型,它包括应用有限单元法结合Picard迭代求解非线性的θ-模型、H-模型和应用Taylor级数逐步逼近非线性函数-θ(H,t)的两个迭代过程。算例结果表明:在模型功能方面,该方法实用性强,能够很好地描述饱和、非饱和带水量平衡,较好地反映含水量与地下水位的变化;在计算技术方面,方法思路清晰,求解过程易于程序实现,且两个层次的迭代都具有较快的收敛性。

非饱和裂隙介质中地下水流的运动

本文分析了控制裂隙多孔介质中水流渗透的基本过程，给出了各阶段锋面运动的渐近解，并与数值解进行对比。其成果适用于核废物处置、有害废物处置及石油回采等方面。

基于非饱和流的地下水封洞库涌水量研究

地下水封洞库通过水压将储存在洞室内的介质密封,涌水量的动态变化制约着洞库的密封性能。通过对岩体孔隙和裂隙双重介质的渗流特征分析,将渗流的非饱和流特性引入到涌水量的计算过程中。推导得到岩体双重介质土水特征曲线公式,并将其引入到有限元计算过程中。通过赋予材料非饱和特性属性,在有限元每个计算时间步中重新计算渗透系数,来实现地下水封洞库开挖时水位变化过程,建立了动态涌水量的计算方法。另外,通过工程实例对该计算方法进行验证、结果表明涌水量随时间呈递减变化,拟合得到了涌水量与时间的函数关系。该计算方法对地下工程中涌水量的研究具有较强的指导意义。

地下水饱和区中油—水两相流饱和度的试验研究

本文介绍了在一维砂槽模型中模拟柴油—水两相流在不同粒径玻璃砂多孔介质中运动的试验研究 .研究结果表明 ,柴油—水两相流中 ,残余油饱和度与介质粒径成正比 ,而残余水饱和度与介质粒径成反比 ;由于界面张力的存在 ,油—水界面间存在过渡区 ,对于粒径大于 0 5mm的多孔介质 ,在过渡区上边缘呈现明显的突变界面特征 .研究中尝试对柴油—水两相流动用CCD摄像机摄像 ,并通过图像分析的方法得到了油—水两相流的饱和度分布 ,从而使多相流中饱和度的量化分析成为可能 .

非饱和土中的流-固耦合研究

概述了非饱和土变形.渗流相互作用的多相流.固耦合理论的研究进展。重点讨论了在理论研究和实际应用方面所存在的几个主要问题,其中包括理论控制方程组描述、土-水特征曲线、固体骨架的弹塑性本构模型以及各种数值算法等研究。另外,就该理论在降雨入渗滑坡、土体的蒸发固结效应等问题的应用进行了简单的讨论,并指出了目前应用的热点和新的研究领域。研究结果表明,进一步发展非饱和土流.固耦合理论对解决非饱和土力学和环境地质灾害的工程问题有着重要的意义。

土质边坡的饱和-非饱和渗流分析及特殊应力修正

基于连续多孔介质原理与混合体原理引入流-固耦合模型,采用FISH语言编制程序,建立了初始渗流场设置函数、饱和-非饱和渗流分析模块、特殊应力修正模块以及非饱和单元抗剪强度修正模块,实现了利用FLAC3D进行饱和-非饱和渗流分析,同时基于饱和-非饱和渗流场修正非饱和区土体单元的有效应力以及抗剪强度,完成了将FLAC3D中饱和土流-固耦合计算原理扩展到非饱和土中。在二次开发的分析模块基础上对Liakopoulos砂柱排水试验进行数值模拟,验证了计算模型和计算程序的正确性。同时也研究了降雨入渗对土质边坡的渗流场、位移场以及稳定性演变过程的影响,揭示了降雨诱发边坡失稳的机制。

基于van Genuchten-Mualem模型的饱和-非饱和介质流动随机数值分析

基于van Genuchten-Mualem非饱和水分特征模型,联合运用Karhunen-Loeve展开法、混沌多项式展开以及摄动方法,对饱和-非饱和流问题进行随机数值分析。将土壤特性参数假定为协方差已知的随机函数,并按Karhunen-Loeve法分解,把压力水头表示为多项式。通过摄动方法得到一系列关于水头展开式的偏微分方程,用有限差分法进行求解,获得了压力水头的随机描述,并计算其均值和方差。应用本文的随机模型研究了二维非饱和以及饱和-非饱和介质流动的实例,结果与动量方法的计算结果一致,而且计算效率高于传统的动量方法。

处理地下水模型单元疏干-湿润的两种算法对比研究

在使用网格单元中心差分格式的地下水模型中,对地下水网格单元“疏干(干)-湿润(湿)转化”的模拟极易引发模型迭代不收敛等异常情况,很大程度上影响模型的应用。本研究使用理想案例和丹麦应用实例,综合比较了MODFLOW模型的试算法与COMUS模型的全有效单元法对网格单元“干-湿转化”问题的模拟能力及算法特性。结果表明:(1)试算法的参数组合选取对模拟的收敛性和模拟结果都有明显影响,使用试算法时需要不断优化参数组合以避免模型迭代不收敛或模拟失真等异常情况,很大程度上增加了用户使用模型的难度和时间成本;(2)全有效单元法的模拟结果比试算法的模拟结果更具可靠性,全有效单元法的作用等同于理论上最优的试算法参数组合,使用全有效单元法时用户无需进行复杂的参数组合工作,因此该方法能有效降低模型的使用难度与模拟结果的不确定性;(3)全有效单元法中单元间水平向水力传导度算法实现了可以与经典调和平均法相比较的数值计算精度,说明全有效单元法在不涉及网格单元“干-湿转化”问题的地下水模拟中同样具有应用潜力。综上所述,全有效单元法更适用于处理地下水模型单元的疏干-湿润转化问题,并且有望在地下水数值模拟领域中得到更为广泛的应用。

热效应下P波入射基岩-饱和土-非饱和土场地地震地面运动研究

基于热效应下弹性波的传播理论,通过建立P波入射基岩-饱和土-非饱和土场地模型,研究了该场地下地震地面运动的问题.采用Helmholtz分解原理,结合边界条件,对热效应作用下场地中的波场进行分析,得到平面P波入射基岩-饱和土-非饱和土场地地震地面运动的解析解答.通过数值模拟,分析了热传导系数、饱和度、地下水水位等物理力学参数对场地地震地面运动的影响规律.研究结果表明:在考虑热效应和等温条件两种模型时,场地位移放大系数表现出显著的差异.特别地,在等温条件下位移放大系数普遍大于考虑热效应时的值;水平位移放大系数的变化趋势与热膨胀系数及热通量相位延迟时间的增长呈正相关性.与此同时,当介质温度和饱和度增加时,水平位移放大系数则表现出下降的趋势;对于竖向位移放大系数,其变化模式与热通量相位延迟时间、介质温度和饱和度的增长呈正相关.然而,当热膨胀系数增加时,竖向位移放大系数呈现出减小的趋势;此外,热传导系数的增加对自由场地位移放大系数的影响不明显,表明热传导系数对场地位移放大系数的变化作用较小;在考虑地下水水位的影响时,热效应下随着地下水水位的升高,水平和竖向位移放大系数逐渐增大.相反,在等温条件下的位移放大系数均随之减小.

空间链接器式多维通用饱和-非饱和流模型研究

多维饱和-非饱和流方程离散后生成的系数矩阵中常存在零系数,这将影响求解过程中的存储空间和计算效率。合理的系数矩阵优化方法既能保证模拟精度,又能提高模型在大规模网格单元中的计算效率及通用性。文章在多维饱和-非饱和流有限差分法基础上,预先记录不同方向上有效单元间的连接关系,避免了零系数的计算和存储,并结合矩阵标识法建立了空间链接器式多维通用饱和-非饱和流模型。通过模拟地下水位起涨、渗流面排水等四个经典案例及田间三场长历时小雨入渗过程,验证了该模型的模拟精度及计算效率。对比结果表明:该模型在多维度、不同边界条件(包括天然降雨、渗流面等)下的模拟精度与Hydrus、VSF等成熟软件相当,计算效率略低于Hydrus软件。田间模拟结果表明:VG模型中的参数n敏感性最强,需优先率定;因模型中尚未考虑大孔隙流影响,各层土壤水分响应时间滞后于实测过程;三场降雨计算时段末期,超过80%的入渗水量仍滞蓄在表层40 cm的土壤中,仅有约4%~12%的水量已转化为潜水。本文模型有望成为传统多维饱和-非饱和流模型的重要补充。

包气带井回灌引起的非饱和-饱和流分析

包气带井回灌是人工补给含水层的重要方法。在回灌过程中,非饱和带水力参数的准确描述对于提高评价精度、增强回灌管理具有重要意义。目前已有的许多包气带井回灌的解析模型是基于Gardner土壤水分特征曲线模型(含二参数)建立的,随着三参数模型(MB模型)和四参数模型(MN模型)的提出,一个值得关注的问题是使用更加灵活的土壤水分特征曲线模型是否能提高回灌系统中非饱和-饱和流的模拟精度。本研究采用MN模型(Gardner模型和MB模型为其子集)建立了包气带井回灌模型,使用COMSOL Multiphysics对模型进行求解,所得解用于研究在回灌过程中非饱和带水力参数和地表通量对非饱和-饱和流的影响,并比较在回灌过程中基于不同土壤水分特征曲线模型所得到的水力响应。试验结果分析发现包气带井回灌引起的水力响应以及地表通量对回灌的影响均会受到非饱和带渗透性以及储水能力的影响,相对渗透系数指数ωk影响非饱和带渗透系数的变化,持水指数ωc影响非饱和带的储水能力,将指数参数简化为ωk=ωc=ω会在计算和预测包气带井回灌引起的水力响应时带来一定的误差。压力头阈值差b_(1)=ψa-ψk的绝对值较小时,对水头增量的影响也较小,此时将其简化为b_(1)=ψa-ψk=0所带来的误差也较小。本研究成果可以帮助学者们提高对包气带井回灌过程的认识,对于回灌方案设计、实施和管理具有重要的实际意义。

非饱和渗流基质吸力对边坡稳定性的影响

降雨入渗是致使边坡岩土体稳定性下降并最终导致崩滑地质灾害发生最为常见的环境因素。通常对边坡中地下水的影响分析采用的是经典的静水压力假定 ,并考虑适当的折减系数。本文研究了非饱和土强度随基质吸力变化的规律 ,对基质吸力影响边坡稳定性的机制进行探讨 ,并提出了相应的分析方法。运用上述方法分析了某露天矿边坡实例。结果表明 ,该方法十分有效。

脱节型河流与地下水相互作用研究进展

河流与地下水的脱节现象广泛存在于干旱及半干旱地区,二者间的相互作用已成为目前的研究热点。在简要分析河流与地下水关系的基础上,综述了河流与含水层之间由饱和连接,经过渡脱节,演化为完全脱节系统的物理过程及机理和脱节系统形成的必要条件。总结分析了最大渗漏量法、临界地下水位法、水位波动法等河流与地下水关系判别方法以及优缺点。讨论了非稳定演化过程中河水的入渗规律以及介质时空非均质性对脱节系统的影响。分析认为目前脱节形成机理仍不完全明晰;简便有效的判别方法还需进一步研究;介质时空非均质性对河水渗漏的影响是未来研究的重要方向。

热-流-固耦合非饱和渗流的物理描述和数学模型

研究了热-流-固耦合非饱和渗流的物理和数学模型.其中非饱和渗流部分考虑到水的蒸发-凝结这种相变过程,这是气液两相渗流.液相中含有溶解的空气,气相中含有空气和水蒸气,蒸汽在空气中作扩散运动.基于线化的湿-热弹性理论,建立了热-流-固耦合的本构方程、水和气体的渗流微分方程,以及能量方程.该完整的方程组可很容易推广到热-流-固耦合油-气-水多相渗流情形.

基于TOUGH2的柴达木盆地诺木洪剖面地下水流模拟

基于TOUGH2数值模拟软件的EOS9模块建立柴达木盆地典型剖面饱和-非饱和地下水流数值模型。模型中对上边界条件的处理采用考虑潜在蒸发能力和土壤含水率的表土含水量计算方法。利用试估校正法对模型参数进行识别验证,模拟结果得出实测水位与模拟水位拟合相关系数为0.976 4;均衡计算结果表明地下水补给量主要为南侧山前补给,占补给总量的90.1%,排泄量主要为溢出排泄和蒸发排泄,分别占64.3%和35.7%。地下水流系统发育三级流动层次,其中局部水流系统排泄是地下水排泄的主要方式,循环量主要为泉溢出排泄,占58.8%;中间流循环量主要为溢出排泄和蒸发排泄,占27.6%;区域流循环量主要为蒸发排泄,占13.6%。

非饱和-饱和区域中重金属污染物运移数值模拟

为了定量整体描述非饱和-饱和区域内水流及溶质迁移过程,在基于非饱和流动理论及溶质运移理论基础上,建立了非饱和-饱和区域内水流方程与重金属污染物运移方程耦合的数学模型。采用V-G模型来描述土壤水分特征函数.用Lagrange-Quadratic方法进行求解并给出模拟结果:分析结果表明,在非饱和-饱和区域内的压力水头、饱和度以及污染物阻滞因子等参数均随含水率的变化而改变,这是区别于饱和流的主要特点。

非饱和-饱和土壤中水分入渗的数值仿真模拟

为了定量整体描述非饱和-饱和区域内水流入渗过程,在水分入渗理论基础上,基于V-G模型建立了非饱和-饱和区域内水流运动的数学模型,分别对水分在不同粒径大小土壤中的入渗过程进行模拟;分析结果表明:入渗水分进入土壤的初期,由于粒径较大的土壤中充气粗孔的阻隔,使得压力水头与粒径较小的土壤相比减小速率较慢;当进入渗漏与渗透阶段后,粗大孔隙中的空气基本被水分所驱替,渗透性较好的土壤中压力水头减小速率较大;毛细管带高度也是导致下渗速率不同的因素之一,毛细管高度越大,进入渗透阶段的时间越短,反映在压力水头的变化上则为压力水头变化速率降低。

稳态流下非饱和土地基承载力模型

基于稳态流下吸应力剖面具有明显非线性的特点,在仅考虑竖向稳定渗流条件下,通过补充普朗德尔假定,利用刚体平衡方法,推导普朗德尔滑动面范围内滑动土体稳态流下非饱和土地基的极限承载力计算模型,讨论地下水埋深和比流量变化对地基极限承载力的影响。结果表明:稳态流下非饱和土地基的极限承载力公式考虑了滑动土体内吸应力非线性分布特点对地基极限承载力的影响;当土体内吸应力随深度增加呈现出先增大后减小的特点时,地基极限承载力随地下水位埋深减小呈先减后增的变化趋势;当滑动土体内吸应力随比流量的增大呈现先增后减的趋势时,地基极限承载力呈现先减小再增大的变化趋势。