论文摘要
区域饱和-非饱和水流运动与溶质运移规律一直是地下水资源与环境的研究重点,建立区域饱和-非饱和水流运动与溶质运移数值模型是其中一个有效的研究手段。求解完全三维饱和-非饱和水流运动与溶质运移方程从而建立三维饱和-非饱和水流运动与溶质运移数值模型是最为准确的模拟方法,但却面临非饱和带水流运动方程数值求解困难、对大区域数值计算效率低下等问题,尤其是当考虑可反应性溶质如氮素等的复杂的迁移转化过程时,提高计算效率尤为重要。本文系统总结了国内外饱和-非饱和水流运动和溶质运移理论与数值模拟方法、氮素迁移转化理论与模拟方法的研究进展,分析了目前影响较大的数值模型的理论基础、模块功能及模型优缺点。在此基础上,确立了本文的研究目标和内容。本文以提高区域数值计算效率为主要目标,基于垂向／水平向分离的概念（VHS）建立了饱和-非饱和水流运动简化数值模拟方法、三维饱和溶质运移数值模拟方法、区域饱和-非饱和水流运动和溶质运移拟三维数值模拟方法以及区域饱和-非饱和氮素迁移转化拟三维数值模拟方法,并建立了相应的数学模型,详细分析了模型的可靠性和应用限制性,并将模型应用于大区域水盐运动数值模拟及控制排水条件下氮素迁移转化规律分析。本文具体研究内容及结论如下：（1）针对倾斜含水层三维简化数值模拟问题,推导了不规则柱体单元的水头梯度平均面,在水头梯度平均面的基础上,根据VHS的概念进行柱体单元水量均衡计算,由此建立适用于倾斜含水层的三维饱和-非饱和水流运动简化数值模拟方法与模型,本文提出的方法提高了倾斜含水层简化数值模拟计算精度。（2）在倾斜含水层三维地下水流运动数值模型的基础上,联合利用有限单元法和有限差分法计算柱体单元节点溶质均衡项,根据不规则柱体单元溶质均衡项计算结果,建立了倾斜地下水含水层三维溶质运移数值模型。同时,在水平向和垂向溶质运移中,分别采用迎风加权格式消除数值跳动。对本文提出的数值模拟方法与迎风加权格式分别进行了验证。（3）在大尺度范围内,区域水平向尺度远大于垂向尺度,非饱和带水流运动以垂向补给为主。因此,根据区域非饱和带水流运动特点,将非饱和带进行水平分区,并将每个分区的非饱和带水流运动简化为一维垂向运动。同时,考虑地下水的三维运动。将饱和带与非饱和带不同的水流运动机理方程进行耦合,本文提出了两种耦合方式,分别为松散耦合方式和完全耦合方式,从而建立了区域饱和-非饱和拟三维水流运动数值模型。本文建立的拟三维数值模型提高了区域水流运动数值模拟的计算效率；且本文提出的完全耦合方式具有收敛性高、适用范围广等优点。同时,本文还分析了非饱和一维土柱的分布对模型计算结果的影响,为拟三维数值模型的应用提供了有效的参考。研究内容（1）（3）参见（Zhu, Yan, Shi, Liangsheng, Lin, Lin, Yang, Jinzhong, Ye, Ming. A Fully Coupled Numerical Modeling for Regional Unsaturated-Saturated Water Flow [J]. Journal of Hydrology.2012,475:188-203.）。（4）在区域饱和-非饱和水流运动数值模型的基础上,计算非饱和带溶质的一维垂向运移和饱和带溶质的三维运移,通过饱和带与非饱和带交界面的溶质通量将两个区域溶质运移方程进行耦合,建立了区域饱和-非饱和水流运动和溶质运移耦合模型,对模型进行了验证,并分析了忽略非饱和带溶质侧向弥散作用对模拟结果的影响,阐明了模型合理应用的范围和应用受到限制的情况。研究内容（2）（4）参见（Zhu, Yan, Shi, Liangsheng, Yang, Jinzhong, Wu, JingWei, Mao, DeQiang. Coupling methodology and application of a fully integrated model for contaminant transport in the subsurface system [J]. Journal of Hydrology.2013,501:56-72.）（5）由于非饱和带与饱和带的含水量、pH以及溶解氧等条件的差异,氮素在饱和带与非饱和带具有不同的迁移转化过程,本文根据氮素在饱和带与非饱和带的迁移转化规律,分别建立其迁移转化机理方程,在区域饱和-非饱和水流运动和溶质运移耦合模型的基础上,考虑氮素的转化过程,使模型延伸至可计算多反应物质的相互转化,用于模拟饱和-非饱和系统中硝态氮和铵态氮的迁移转化规律。由于氮素迁移转化数值模拟参数较多,本文分析了17个主要参数对模型计算结果的影响。该研究内容论文已提交至《Journal of Hydrology》。（6）将建立的区域饱和-非饱和水流运动与溶质运移耦合模型分别应用于内蒙古永联试验区的地下水运动和盐分运移数值模拟,得出了其年内地下水和盐分变化趋势,该预测值能很好的反映当地的地下水和盐分运动规律。将区域饱和-非饱和水流和氮素迁移转化模型应用于田间污水灌溉条件下氮素迁移转化规律分析,同时,应用该模型分析了FILTER系统对含氮污水的净化作用,指出FILTER系统可减少污水中的营养物质对地表水的污染。最后,对本文研究内容进行了总结,提出了本文研究需要进一步完善的地方,并对本文研究的扩展方向进行了分析。
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相关论文文献
- [1].地下水位在非饱和水流数据同化中的应用[J]. 水科学进展 2015(03)
- [2].非饱和水流问题的迎风差分法及其数值模拟[J]. 应用数学学报 2009(03)
- [3].求解非均质多孔介质中非饱和水流问题的一种自适应多尺度有限元方法——Ⅰ.数值格式[J]. 水利学报 2009(01)
- [4].基于随机配点法的饱和-非饱和水流运动模拟[J]. 四川大学学报(工程科学版) 2012(05)
- [5].求解非均质多孔介质中非饱和水流问题的一种自适应多尺度有限元方法——Ⅱ.数值结果[J]. 水利学报 2009(02)
- [6].有限差分异质多尺度方法求解非饱和土壤水流问题的计算效率(Ⅰ):数值方法[J]. 水利学报 2010(06)
- [7].基于改进积分型Richards方程的区域地下水饱和-非饱和水流耦合模型[J]. 四川大学学报(工程科学版) 2013(01)
- [8].有限差分异质多尺度方法求解非饱和土壤水流问题的计算效率(Ⅱ):数值实验[J]. 水利学报 2010(07)
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