多孔介质中非均匀水流运动及活动性流场模型的应用

摘要

土壤非饱和带是保持农业产量、维持生态系统稳定和确保环境可持续发展的基础，也是许多地面污染物质进入地下水系统的必经通道。当含有污染物的水进入土壤后，水流可能绕过部分土壤基质，以非均匀水流或优先水流形式运动到达深层土壤最终到达地下水。非均匀水流运动可以加速农业污染物质如化学肥料、农药、致病微生物及重金属元素等通过非饱和带进入地下水，也可促进核废料堆积场放射性物质在土壤中的快速迁移，此外，来自垃圾处置场、矿山尾矿渣和地下储油库等污染物质在多孔介质中的优先流动，均已成为环境科学、水文地质学、农业科学和地球物理学等领域的热点研究问题。 为了研究土壤中的优先流问题，本论文应用活动性流场模型(Active region model，ARM)来描述多孔介质中非均匀水流运动，该模型认为非均匀流动发生在具有分形特性的活动性区域，非活动性区域则不发生流动，并将分形本构关系引入连续性模型描述非均匀流动的宏观特性。活动性流场模型耦合了非均匀流动所具有的局部流动和流动区域具有分形性质两个典型特征，发展了连续性方法解决多孔介质中非均匀流动问题的理论。 本论文进行了不同土壤质地、不同初始和水力边界、不同测量尺度下土壤中的非均匀水流运动的田间示踪试验以及不同覆盖层条件下垃圾填埋场的非均匀水流运动试验，在此基础上，运用活动性流场模型、连续性模型、信息和复杂性测度理论等对土壤中的非均匀水流运动进行模拟和分析。本论文的主要研究目标包括：(1)研究多孔介质中非均匀流动特性与ARM本构关系参数之间的联系；(2)探讨不同水力边界条件下非均匀水流运动特性；(3)分析ARM模拟非均匀水流运动和溶质迁移的有效性；(4)从信息和复杂性测度角度，分析土壤非均匀水流运动，并探讨不同模型的模拟效果。论文主要研究结果如下： 1.在砂土中进行的染色示踪入渗试验观测数据较好地证实了活动性流场模型本构关系的合理性和有效性，非均匀流运动占优势时，ARM本构关系参数值较大。土壤剖面不同深度和宽度处的染色比例平均值都增大时，ARM本构关系中的分形参数值减小；本构关系参数值和水流最大入渗深度与50％面积染色深度的比值及土壤剖面宽度处染色比例的最大值与最小值的比值均成正相关关系。此外，本文利用粘土中的染色示踪试验数据分析了ARM本构关系参数的取值特性。研究表明，田间染色示踪渗透试验和ARM本构关系能有效地用来分析土壤非均匀流的运动特性。 2.碘和淀粉溶液显色示踪水流运动模式的试验研究结果表明，在四种水力边界条件下，水在土壤剖面水平方向和垂直方向的运动都显现出非均匀流动特性。研究结果显示，ARM本构关系式可以表征显色面积比例和土壤水有效饱和度之间的关系；ARM中的本构关系参数表征了水流非均匀运动的特性，且该本构关系参数值随初始水头高度增加而减小，表明在较大的初始水头高度下，水流的非均匀运动程度减弱。 3.采用碘—淀粉显色方法观测水流运动模式，并用保守性离子示踪溶质迁移，研究水流动和溶质迁移非均匀特性，并分析活动性流场模型描述水流运动和溶质迁移的有效性。研究结果显示：ARM本构关系参数反映了活动性流场面积比例和土壤水有效饱和度之间的分形关系。与连续性模型相比，ARM模拟土壤水流和溶质迁移结果与测定值更符合。在水平剖面三种离子浓度均表现出正态或对数正态分布规律，且总体上分布离散程度表现出随深度增加而减小的趋势，ARM有效地描述了非均匀流动下水流运动和溶质迁移所表现出的宏观特性。 4.在垃圾填埋场覆盖层非均匀水流动态试验基础上，对不同深度土壤体积含水量观测值、活动性流场模型与连续性模型土壤体积含水率模拟值，用信息量和复杂性测度分析宏观的非均匀流运动。用基质熵和平均信息增量测度系统信息含量，用涨落复杂性和有效测度复杂性度量复杂程度。结果表明，信息含量和复杂性测度可用来有效地区别ARM和连续性模型的模拟效果；与连续性模型相比，ARM模拟的水流运动系统信息含量更多，复杂性程度更大，与实测值序列的差异减小，表明一定程度上ARM模拟水流宏观非均匀运动特性效果更好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1非均匀流(或优先流、指状流等)的概念及影响

1.2影响因素

1.3非均匀流形成的机理

1.4非均匀土壤水流观测方法

1.5土壤水流运动模拟

1.5.1平衡流动下水流和溶质运动模拟

1.5.2非平衡流动下水流和溶质运动模拟

1.6连续性方法和离散性方法模拟水流运动和溶质运移概述

1.7立题依据和研究意义

1.8研究目标和技术路线

1.8.1研究目标

1.8.2技术路线

参考文献：

第2章水流运动模式图片文件分析

2.1引言

2.2 BMP图像文件分析

2.3 BMP文件结构分析

2.4 BMP文件算例分析

2.5染色与未染色区别方法

2.6离子显色示踪法图像文件分析

参考文献

第3章多孔介质中非均匀水流活动性流场模型本构关系分析

3.1引言

3.2活动性流场模型本构关系分析

3.2.1活动性流场模型

3.2.2活动性流场模型本构关系参数分析

3.2.3黏土条件下活动性流场模型本构关系参数分析

3.3结论

参考文献

第4章水力边界条件对非均匀流运动的影响

4.1引言

4.2材料与方法

4.2.1室内实验

4.2.2田间试验

4.3结果与分析

4.3.1室内实验结果

4.3.2非均匀流显色模式

4.3.3活动性流场模型本构关系参数分析

4.4小结

参考文献

第5章活动性流场土壤水流和溶质运移研究

5.1引言

5.2活动性流场土壤水流和溶质运动控制方程

5.3材料与方法

5.3.1田间试验

5.3.2定解条件和参数确定

5.4结果与讨论

5.4.1水流运动的非均匀性及ARM本构关系参数分析

5.4.2示踪离子迁移模拟及ARM模拟效果分析

5.5小结

参考文献

第6章信息量和复杂性测度在土壤水运动分析中的应用

6.1引言

6.2土壤水流动信息量和复杂性测度

6.3土壤水动态信息量和复杂性测度分析

6.3.1试验资料

6.3.2土壤水运动信息量和复杂性测度分析

6.4结语

参考文献

第7章结论与展望

7.1主要结论

7.2论文创新性

7.3论文不足与展望

7.3.1论文不足

7.3.2研究展望

附录

致谢