“渗流—管流耦合模型”的物理模拟及数值模拟

论文摘要

我国西南地区岩溶流域分布广泛,其含水介质的非均质性常以管道—裂隙的耦合为特点。虽然管道和洞穴只占整个岩溶地质系统的很小一部分,但此处的地下水流主要以非线性层流和紊流形式存在,达西定律无法应用于这种方式的流动,这就使得传统的地下水流数值模型并不适用于岩溶含水层。在此背景下,有关复杂岩溶含水介质地下水流运动规律的模拟便获得了国内外学者的广泛关注。目前,通过一些简化和假定来建立合适有效的物理模型和数学模型,并进行室内试验成为了研究岩溶地区水动力过程的有效方法和热点。为了达到本次课题研究的目的,我们设计了一个砂箱装置来模拟管道与多孔介质之间的地下水流动和溶质运移过程。本次所述的砂箱装置,包括6个水箱装置、1个砂箱主体装置、29个压力传感器、3个计量补液泵、3个液位传感器、6个温度传感器、1个XMT-J800八通道控制仪和1个无纸记录仪。其中,砂箱主体装置具有两根平行管道:上管内径1 cm,高31 cm;下管内径1.5 cm,高1 cm。本次研究在砂箱中均匀填充了55 cm厚的石英砂,同时设定基质和两条管道的左、右边界均为定水头边界,通过改变其边界条件值,共设计有12种水流试验和12种溶质试验。试验完成后,通过分析多组实测水压数据以及溶质运移图片可以看出,基质与管道之间以及两条管道之间存在着相互影响的关系,水位值决定了地下水的流动方向,改变基质或上、下两条管道的边界条件,将会改变管道与基质之间水流交换的方向和砂箱各处地下水的水位值,继而对溶质运移过程产生极为重要的影响。基于上述试验装置和试验方案,本次建立的模型的研究范围为120 cm×2cm×46 cm,含水层的渗透系数定为0.02 cm/s,有效孔隙度定为30.5%,纵向弥散度设为0.1 cm。模型定为1个应力期,时长为20 min,均分为10个时间步。含水层被离散为12层、1行、20列,共240个单元格,其中潜水含水层分为1层,承压含水层分为11层。上管与下管分别位于含水层的第4层和第12层,两条管道共剖分为38小节,40个结点。通过MODFLOW-CFP软件和MT3DMS软件进行数值模拟,得到的结果与实测结果相较虽有出入,但基本符合实际情况。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 引言
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 岩溶地区多重介质耦合模型
•     1.2.2 模拟软件的开发和利用
•   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 创新点与预期成果
•   1.5 项目支撑
• 2 室内砂箱试验
•   2.1 试验装置的设计
•     2.1.1 水箱装置
•     2.1.2 砂箱主体装置
•     2.1.3 压力传感器
•     2.1.4 计量补液泵与液位传感器
•     2.1.5 温度传感器与XMT-J800 八通道控制仪
•     2.1.6 电控箱与彩色无纸记录仪
•   2.2 试验方案的设计
• 3 试验结果与对比分析
•   3.1 单组试验分析
•     3.1.1 第二组试验
•     3.1.2 第五组试验
•     3.1.3 第六组试验
•     3.1.4 第七组试验
•   3.2 基质左边界条件的影响分析
•   3.3 上管边界条件的影响分析
•   3.4 下管边界条件的影响分析
•   3.5 本章小结
• 4 概念模型
•   4.1 研究区范围
•   4.2 含水层结构的概化
•   4.3 模型边界条件与初始条件
•   4.4 模型参数的确定
•     4.4.1 渗透系数K
• e'>    4.4.2 有效孔隙度n_e
•     4.4.3 弥散度
•   4.5 本章小结
• 5 数值模拟
•   5.1 模拟软件介绍
•     5.1.1 MODFLOW-CFP程序
•     5.1.2 MT3DMS程序
•   5.2 数值模型的建立
•     5.2.1 数学模型
•     5.2.2 时空离散
•   5.3 数值模型的识别与验证
•     5.3.1 实测水头与模拟水头的对比
•     5.3.2 实测污染羽与模拟污染羽的对比
•   5.4 本章小结
• 6 结论与建议
•   6.1 结论
•   6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 闵佳

导师: 胡晓农,曹建华

关键词: 砂箱试验,水流运动,溶质运移,数值模拟

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学

单位: 中国地质大学(北京)

基金: 国家自然科学基金重点项目“漓江流域岩溶碳循环与水循环耦合机制及模型研究”

分类号: P641.2

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.000843

总页数: 67

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