基于土层渗透系数不确定性的非饱和—饱和土中溶质运移规律的研究

摘要

地下水是不可再生的宝贵资源，但是近年来随着经济的发展和工业化进程的加剧，以及岩土工程建设中对地下水环境的破坏，越来越多的地下水资源受到污染，严重威胁人类的身体健康和生存环境，地下水污染已经引起社会的普遍关注。了解污染物在土壤中的运移规律以及准确捕获污染物的污染范围是解决地下水污染的关键，而数值模拟可以清晰地展示污染物在土壤中的分布情况，地下水溶质运移的数值模拟已经成为地下水领域和环境岩土工程领域新的研究方向，越来越多的学者加入到此课题的研究。
　　土壤作为地下水的载体，直接影响地下水中污染物的运移。但是由于土壤沉积过程中环境的复杂性，使得土壤结构和构造亦呈现相应的复杂性和不确定性，表现为土体中各点的参数既有随机性、又有一定的相关性。渗透系数是影响溶质运移的重要参数，本文考虑渗透系数的不确定性，模拟氯离子自泄露到进入饱和土层随地下水运移的过程。本研究中渗透系数的随机化采用Latin Hypercube（拉丁超立方体取样法）完成。
　　本文首先借助贝叶斯统计推广方法对渗透系数统计量进行修正，并根据修正后的统计量进行渗透系数的随机化处理，随后使用HYDRUS-1 D建立非饱和土层溶质运移随机模型，最后在非饱和土层溶质运移模型的基础上，使用GMS建立了饱和土层溶质运移模型，并分别将随机模型计算结果与确定性模型计算结果和实际监测数据进行了对比分析，得出以下结论:1）进行随机数值模拟时，如果研究区可用资料较少，不足以获取足量的参数信息时，使用贝叶斯推广方法，借助先验信息对样本信息进行修正，再根据修正后的统计特征对参数进行随机化，这种方法比单纯使用样本信息的统计特征对参数进行随机化处理更加合理、科学;2）当非饱和土层较厚、渗透系数较小时，其对污染物的阻隔作用较大，进行饱和土层数值模拟时，应当考虑非饱和土层对污染物浓度的影响，将污染物移出非饱和土层时的浓度值作为饱和土层溶质运移模型的污染物浓度输入值;3）进行饱和土层溶质运移的数值模拟时，考虑了渗透系数不确定性的随机模型比确定性模型更加科学。一方面考虑了随机模型的计算结果更加接近实际情况，同时又可以体现参数不确定性对溶质运移的影响;另一方面，渗透系数的取值对污染物浓度影响显著，使用随机模型的浓度均值分布场代替确定性模型的浓度场，可以大大降低由于渗透系数取值不当造成的误差。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与研究意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 非饱和土层溶质运移研究现状

1．2．2 饱和土层溶质运移模拟研究现状

1．2．3 不确定性溶质运移模拟现状

1．2．4 渗透系数分布不确定性的研究现状

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．4 本章小结

2 参数随机模拟方法

2．1 Monte-Carlo方法

2．2 Latin Hypercube(拉丁超立方取样法)

2．3 基于贝叶斯方法的参数估计

2．3．1 贝叶斯定理

2．3．2 推广贝叶斯法的随机变量参数估计

2．4 HYDRUS-1D中参数随机模拟的实现

2．5 GMS中参数随机模拟的实现

2．6 本章小结

3 研究区概况

3．1 自然地理概况

3．1．1 地理位置

3．1．2 气象条件

3．1．3 水文条件

3．2 地质概况

3．2．1 地层岩性

3．2．2 水文地质

3．3 地下水的补给条件

3．4 地下水的径流、排泄条件

3．5 研究区污染源概况

4 渗透系数的不确定性对非饱和土层溶质运移规律的影响

4．1 非饱和土层中HYSRUS-1D模型的建立

4．1．1 概念模型

4．1．2 数学模型

4．2 模型验证

4．3 非饱和土层性质对溶质运移的影响研究

4．4 基于随机模型的非饱和土层溶质运移规律的研究

4．4．1 贝叶斯统计推广的渗透系数前处理

4．4．2 参数的随机化

4．4．3 非饱和土层溶质运移随机模拟结果及分析

5 渗透系数的不确定性对饱和土层溶质运移规律的影响

5．1 饱和土层溶质运移概念模型

5．1．1 研究区边界概化

5．1．2 源汇项概化

5．1．3 补给概化

5．1．4 顶底板高程和初始水头概化

5．1．5 网格剖分

5．1．6 观测井的设置

5．1．7 氯离子初始输入浓度

5．1．8 模型参数

5．2 模型的识别与验证

5．3 模型对渗透系数的敏感性分析

5．4 基于随机模型的饱和土层溶质运移结果

5．5 基于确定性模型的饱和土层溶质运移结果

5．6 结果分析

5．4 本章小结

6 结论

参考文献

致谢