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包气带井回灌引起的非饱和-饱和流分析.pdf
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1、第4 2卷 第4期2 0 2 3年 7月 地 质 科 技 通 报B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V o l.4 2 N o.4J u l.2 0 2 3祁翠婷,詹红兵,郝永红.包气带井回灌引起的非饱和-饱和流分析J.地质科技通报,2 0 2 3,4 2(4):1 1 8-1 2 9.Q i C u i t i n g,Z h a n H o n g b i n,H a o Y o n g h o n g.A n a l y s i s o f u n s a t u
2、r a t e d-s a t u r a t e d f l o w i n d u c e d b y a v a d o s e z o n e w e l l i n j e c t i o nJ.B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 2(4):1 1 8-1 2 9.基金项目:国家自然科学基金地质联合基金项目(U 2 2 4 4 2 1 4)作者简介:祁翠婷(1 9 9 2),女,讲师,主要从事含水层人工补给及含水层热能储存模拟研究。E-m a
3、 i l:q i c u i t i n g 1 2 6.c o m E d i t o r i a l O f f i c e o f B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y.T h i s i s a n o p e n a c c e s s a r t i c l e u n d e r t h e C C B Y-N C-N D l i c e n s e.包气带井回灌引起的非饱和-饱和流分析祁翠婷1 a,詹红兵2,郝永红1 b(天津师范大学 1 a.地理与环境科学
4、学院;1 b.天津市水资源与水环境重点实验室,天津 3 0 0 3 8 7;2.美国德克萨斯农工大学地质与地球物理系,德克萨斯 7 7 8 4 3-3 1 1 5)摘 要: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G a r d n e r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(G a r d n
5、 e r模型和MB模型为其子集)建立了包气带井回灌模型,使用C OM S O L M u l t i p h y s i c s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k影响非饱和带渗透系数的变化,持水指数c影响非饱和带的储水能力,将指数参数简化为k=c=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b1=a-k的绝对值较小时,对水头
6、增量的影响也较小,此时将其简化为b1=a-k=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。关键词:包气带井;人工回灌;非饱和-饱和流;土壤水分特征曲线模型2 0 2 2-1 2-2 2收稿;2 0 2 3-0 3-1 6修回;2 0 2 3-0 4-1 2接受中图分类号:P 6 4 1 文章编号:2 0 9 6-8 5 2 3(2 0 2 3)0 4-0 1 1 8-1 2d o i:1 0.1 9 5 0 9/j.c n k i.d z k q.t b 2 0 2 2 0 7 0 3 开放科学(资源服务)标识码(
7、O S I D):A n a l y s i s o f u n s a t u r a t e d-s a t u r a t e d f l o w i n d u c e d b y a v a d o s e z o n e w e l l i n j e c t i o nQ i C u i t i n g1 a,Z h a n H o n g b i n2,H a o Y o n g h o n g1 b(1 a.S c h o o l o f G e o g r a p h i c a n d E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s;1
8、 b.T i a n j i n K e y L a b o f W a t e r R e s o u r c e s a n d W a t e r E n v i r o n m e n t,T i a n j i n N o r m a l U n i v e r s i t y,T i a n j i n 3 0 0 3 8 7,C h i n a;2.D e p a r t m e n t o f G e o l o g y a n d G e o p h y s i c s,T e x a s A&M U n i v e r s i t y,T X 7 7 8 4 3-3 1 1
9、 5,U S A)A b s t r a c t:O b j e c t i v eV a d o s e z o n e w e l l(V ZW)i n j e c t i o n i s a n e f f e c t i v e m e t h o d o f m a n a g e d a q u i f e r r e c h a r g e(MA R).T o i m p r o v e V ZW i n j e c t i o n m a n a g e m e n t,i t i s o f g r e a t i m p o r t a n c e t o a c c u
10、r a t e l y d e s c r i b e t h e u n-s a t u r a t e d z o n e p r o p e r t i e s.S e v e r a l a n a l y t i c a l m o d e l s h a v e b e e n d e v e l o p e d f o r V ZW i n j e c t i o n b a s e d o n t h e t w o-p a r a m e t e r c o n s t i t u t i v e m o d e l(G a r d n e r m o d e l).A s
11、t h e t h r e e-p a r a m e t e r m o d e l(MB m o d e l)a n d f o u r-p a r a m e t e r m o d e l(MN m o d e l)h a v e b e e n p r o p o s e d,i t i s o f i n t e r e s t t o k n o w w h e t h e r t h e a p p l i c a t i o n o f m o r e f l e x i b l e c o n s t i t u t i v e m o d e l s i s a b l
12、e t o i m p r o v e t h e a n a l y s i s o f u n s a t u r a t e d-s a t u r a t e d f l o w i n d u c e d b y 第4期祁翠婷等:包气带井回灌引起的非饱和-饱和流分析V ZW i n j e c t i o n.M e t h o d sI n t h i s s t u d y,t h e MN m o d e l(w h i c h i n c l u d e s t h e G a r d n e r m o d e l a n d MB m o d e l a s s u b
13、s e t s)w a s e m p l o y e d t o e s t a b l i s h a V ZW i n j e c t i o n m o d e l.T h e m o d e l w a s s o l v e d u s i n g C OM S O L M u l t i p h y s i c s.T h e r e s u l t s a r e u t i l i z e d t o i n v e s t i g a t e t h e u n s a t u r a t e d-s a t u r a t e d f l o w i n d u c e
14、d b y V ZW i n j e c-t i o n f o r d i f f e r e n t v a l u e s o f t h e u n s a t u r a t e d z o n e p r o p e r t i e s t o a n a l y s e t h e i n f l u e n c e s o f t h e g r o u n d s u r f a c e f l u x(G S F),a n d t o c o m p a r e t h e h y d r a u l i c r e s p o n s e s b a s e d o n
15、d i f f e r e n t e x p o n e n t i a l c o n s t i t u t i v e m o d e l s.R e s u l t sT h e a n a l y s i s d e m o n s t r a t e s t h a t t h e h y d r a u l i c r e s p o n s e i n d u c e d b y V ZW i n j e c t i o n a n d t h e i n f l u-e n c e o f g r o u n d s u r f a c e f l u x a r e a
16、f f e c t e d b y t h e h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y a n d t h e w a t e r s t o r a g e c a p a c i t y o f t h e u n s a t u r a t e d z o n e.T h e r e l a t i v e h y d r a u l i c c o n d u c t i v i t y e x p o n e n t k a f f e c t s t h e c h a n g e i n h y d r a u l i c c o n
17、d u c-t i v i t y o f t h e u n s a t u r a t e d z o n e.T h e m o i s t u r e r e t e n t i o n e x p o n e n t c a f f e c t s t h e w a t e r s t o r a g e c a p a c i t y o f t h e u n s a t u r a t e d z o n e.T h e a p p r o x i m a t i o n o f k=c=w i l l r e s u l t i n s o m e e r r o r s
18、i n t h e c a l c u l a t i o n a n d p r e d i c-t i o n o f t h e h y d r a u l i c r e s p o n s e c a u s e d b y V ZW i n j e c t i o n.Wh e n t h e a b s o l u t e v a l u e d i f f e r e n c e o f t h e p r e s s u r e h e a d t h r e s h o l d b1=a-k i s s m a l l,i t s e f f e c t o n t h e
19、 w a t e r h e a d i n c r e m e n t i s s m a l l.I n t h i s c a s e,i t i s r e a-s o n a b l e t o a s s u m e t h a t b1=a-k=0.C o n c l u s i o nT h i s s t u d y c a n h e l p s c h o l a r s i m p r o v e t h e u n d e r s t a n d-i n g o f t h e V ZW i n j e c t i o n p r o c e s s a n d h
20、a s i m p o r t a n t p r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e f o r t h e d e s i g n,i m p l e m e n t a t i o n a n d m a n a g e m e n t o f i n j e c t i o n s c h e m e s.K e y w o r d s:v a d o s e z o n e w e l l;m a n a g e d a q u i f e r r e c h a r g e;c o u p l e d u n s a t u r a t e
21、d-s a t u r a t e d f l o w;s o i l c o n s t i t u-t i v e m o d e lR e c e i v e d:2 0 2 2-1 2-2 2;R e v i s e d:2 0 2 3-0 3-1 6;A c c e p t e d:2 0 2 3-0 4-1 2 含水层人工回灌(m a n a g e d a q u i f e r r e c h a r g e,简称MA R)指人们主动将水回灌入地下含水层中储存起来以备后续使用,或用来补给含水层并解决一些环境问题1。MA R是一项跨多个领域的技术,它可以用于保障水资源供给2-4、
22、管理和控制地下水水质与水量5-7、保护和维持依赖地下水的生态系统8-1 0。随着世界人口的日益增长,人们对于水资源的需求量也在不断增大,同时人们也需要开发新空间并增强蓄水能力,在雨季等水源丰富的时期将水储存起来用于满足干旱时期的用水需求,这将使MA R的 应 用 与 推 广 变 得 愈 加 重 要1 1-1 6。B o u w-e r1 1总结了常见的MA R系统,包括地表回灌系统、包气带回灌系统以及组合回灌系统。包气带回灌技术是替代MA R地表回灌技术的一种很有前景的方法,它具有减少回灌过程中水的蒸发损失量和可利用地下高渗层提高回灌效率等优点1 7。包气带井(v a d o s e z o
23、n e w e l l)也被称为干井,是在包气带中钻孔用于补给含水层的井,它使得回灌能够开始于地下较深层从而避开渗透性较差的地表层。包气带井回灌是在地下水位较深、缺乏渗透性较好的土壤层的半干旱和干旱地区,以及没有足够大的土地面积进行地表回灌的地区实施人工补给含水层的一项重要技术1 1。目前包气带井回灌已在全球各国得到了广泛使用,包括美国1 8-2 1、中国2 2-2 3、奥地利2 4、芬兰1,2 5、葡萄牙2 6等。为了提高对包气带井回灌的评估与管理,人们需要加强对回灌过程中非饱和带流动过程的认识,并能够较为准确地描述非饱和带水力特性。为了评估回灌效果,一方面学者们基于有限元法、有限差分法及有
24、限体积法等提出了各种数值模型,另一方面,解析模型也是回灌评价的重要方法之一。尽管解析模型使用时做出的一些简化假设使其不适用于非均质含水层回灌等复杂情况的分析,但是解析模型具有应用简单、易于实现、计算省时等优点,使得解析模型仍是回灌评价的有力工具。在早期研究中,用于解释非承压含水层试验的解析模型都假定非饱和带的影响可以忽略不计2 7。后来,Nw a n k w o r等2 8尝试通过类型曲线分析和体积平衡方法估算给水度,他们发现将非饱和带的影响引入模型中有助于得到更为准确的给水度估计值。几年后Nw a n k w o r等2 9使用张力计和土壤湿度测量直接证明了在非承压含水层试验中,非饱和带中存
25、在着排水过程。此后人们为了提高对非饱和带流动过程的认识开展了许多研究,并对利用参数估计方法确定土壤水力特性的可行性产生了兴趣3 0-3 2。由于非饱和带渗透系数很难通过直接测量获得,人们通常假设土壤水力特性可以用一个包含少量未知参数的相对简单的确定性模型来描述3 3。G a r d n e r3 4提出了一种简单的指数模型来描述渗透系数、含水量和毛细压力水头之间的关系,K r o s z y n s k i等3 5应用该模型得到了线性化的R i c h a r d s方程,并建立了刚性含水层的二维(2 D)轴对称解析模型,这种线性化方法已广泛用于求解非饱和带-饱和带流体流动耦合问题3 6-3
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