基于自适应时间约束时移电阻率成像的溶质运移监测

摘要

溶质运移是离子浓度的空间分布随时间发生连续变化的动态水文过程，在地球物理监测中，表现为电阻率的空间分布随时间的动态变化。时移电阻率成像作为非侵入式监测手段，被广泛地应用于溶质运移监测。然而在反演计算中，大多数电阻率成像算法只考虑了空间上的连续性而引入空间光滑项，并没有考虑到溶质运移过程中电阻率的空间分布在时间上也应该连续这一事实，因此反演过程中缺乏了对电阻率分布在时间上的约束，难以反映地下电阻率发生的真实变化。
　　最近发展的自适应时间约束算法将地下模型定义为空间-时间模型，在目标函数中除了空间光滑正则化因子以外，还引入了时间光滑正则化因子，理论上在处理动态模型对应的时移监测数据上更有优势。本文将该反演方法应用到溶质运移监测领域，通过模拟给定水文地质条件下的溶质运移过程，得到浓度的时空分布数据;基于前人的电阻率岩石物理模型，提出了实用简洁的浓度-电阻率转换关系，进一步得到了溶质运移对应的电阻率时空分布数据，并以此为正演模型;分别通过独立反演、时间约束反演、自适应时间约束反演三种方法计算监测结果，并对照实际的浓度分布进行定性和定量的分析。
　　文中在某一典型的水文地质环境下，数值模拟了浓度为4000 mg/L的NaCl溶液注入非承压含水层后持续50天的浓度时空分布，根据建立的岩石物理模型，将浓度分布以指定的时间间隔转换成电阻率分布计算得到地电场监测数据。三种方法的反演结果表明:独立反演算法仅能模糊的定位溶液的中心位置;时间约束算法能精确地定位溶液的中心位置，甚至是小范围的平移也能被准确捕捉到，对溶液的扩散深度也有较好的监测，能够辨别不同渗透系数含水层的交界面，但在溶液移动方向的判断上有所不足;自适应时间约束反演方法继承了时间约束反演方法的优势，同时能较为清楚地判断溶液的运移方向。
　　本文提出了实用的浓度-电阻率转换模型，实现了基于自适应时间约束时移电阻率成像的溶质运移监测，并依据监测结果对水文地质结构提出有价值的信息，为进一步量化水文地质参数奠定了基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．3 研究意义和目的

1．4 文章的结构安排

第2章 溶质运移数值模拟

2．1 引言

2．2 地下水流运动基本方程

2．2．1 连续介质方程

2．2．2 达西定律

2．2．3 基本微分方程

2．3 溶质运移基本方程

2．3．1 含水层中溶质运移机制

2．3．2 溶质运移基本方程

2．4 定解条件

2．4．1 边界条件

2．4．2 初始条件

2．5 数值方法

2．6 小结

第3章 溶液浓度与电阻率转换关系

3．1 引言

3．2 电导率岩石物理模型

3．3 溶液浓度与电阻率关系

3．4 小结

第4章 电阻率成像反演算法

4．1 引言

4．2 独立反演和差异反演方法

4．2．1 独立反演方法

4．2．2 差异反演方法

4．3 自适应时间约束反演方法

4．4 小结

第5章 溶质运移监测模拟

5．1 研究区水文地质条件

5．2 溶质运移模拟

5．3 电阻率监测及结果分析

5．4 小结

第6章 结论和展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果