关键词： 稻田   数字图像分析   大孔隙度   地质统计学   取样尺度  

摘要： 土壤特性的空间尺度问题是当今土壤科学研究的前沿,在进行土壤空间变异研究中,大孔隙的合理取样尺度分析对大孔隙流研究具有十分重要意义。本文从土壤微观结构出发,采用数字图像制备分析技术对土壤大孔隙进行定量描述,并结合经典统计学理论和地质统计学理论,探讨大孔隙的分布状况及合理的取样规模,取得了如下具体成果: (1)对大孔隙特征指标进行定量分析的结果表明,不同粒径范围大孔隙数目变化趋势大致相同,先是小幅度的波动增加,自135mm处波幅加剧,到200mm后开始平稳变化,到560mm处再次波动;土壤大孔隙度在155mm处达到第一个峰值26.4%,于280mm处达到最小值3%,并在450mm处达到第二个峰值48.2%,大孔隙的分布状态与耕作层中活动频繁的中小动物以及根系相互穿插密切相关。 (2)经典统计分析表明,不同的土壤深度,土壤大孔隙度均呈中等变异强度,变异系数在46.7%～69.4%。峰度系数Pc主要集中在2.58～3.122、偏度系数C s主要在0.1～0.168之间变动,可见大孔隙度在土层中基本呈正态分布的。 (3)地统计学分析表明:20mm以下间距的大孔隙度变程主要在199.1mm～206.7mm之间波动,相对比较稳定,25mm、30mm的变程变化度较大。随着最小滞后距的增大,模型检验参数I从0.0025增大到0.0051,模拟精度逐渐降低,合理取样间隔为20mm左右;通过不同取样直径大孔隙度分析可知,25mm、40mm大孔隙度的变程比较小,但变化幅度较大,而60mm以上变程主要在89.44mm～97.70mm之间,相对比较稳定,大孔隙度在变程范围内的结构性较强。I值随着取样直径而减小,由0.00243减小到0.0044,说明取样越大,变差函数计算以及模拟的精度都是越来越高的,这与事实相符。综合考虑变程、空间结构以及模型模拟的精度等方面,本文认为水平范围内80～100mm为比较经济合理的取样直径。 本文对大孔隙合理取样尺度的研究,将可以为以后开展土壤大孔隙流实验研究提供科学指导。

关键词： 孔隙尺度   网络模型   土壤水力性质   土壤水文学  

摘要： 非饱和土壤的水力性质是采用模型定量模拟水分和溶质在非饱和带中运动的最重要的物理参数,可以用网络模型来预测.孔隙网络模型的主要优点在于可以对发生在土壤孔隙尺度上的物理、化学过程进行直观的表达和模拟.目前,国内外研究者已在样品图像获取、图像分析、模型建立以及求解等方面取得了一定的进展.在对其进行综合评述的基础上,指出了已有网络模型在建立过程中存在的不足之处,

关键词： 孔隙尺度   网络模型   土壤水力性质   土壤水文学  

摘要： 非饱和土壤的水力性质是采用模型定量模拟水分和溶质在非饱和带中运动的最重要的物理参数,可以用网络模型来预测。孔隙网络模型的主要优点在于可以对发生在土壤孔隙尺度上的物理、化学过程进行直观的表达和模拟。目前,国内外研究者已在样品图像获取、图像分析、模型建立以及求解等方面取得了一定的进展。在对其进行综合评述的基础上,指出了已有网络模型在建立过程中存在的不足之处,并进一步明确了今后的研究方向。

关键词： 流体饱和多孔隙介质   小波多尺度方法   孔隙率   反演   正则化高斯牛顿法   小波有限元法  

摘要： 基于多尺度的思想,将小波多分辨分析和多尺度方法相结合,应用于流体饱和多孔隙介质孔隙率的反演。利用小波变换,将原始反问题分解为不同尺度上的一系列子反问题,并按照尺度从粗到细的顺序依次求解。在每一个尺度上,都采用稳定、收敛快的正则化高斯牛顿法求解,次一级尺度上求出的“全局最优解”作为上一级的初始解,依此类推,直到求出原始问题的真正的全局最优解。通过与传统的正则化高斯牛顿法相比较,显示了小波多尺度法是一个大范围收敛、能够有效节省计算量的方法,数值模拟的结果也表明了方法的有效性。

摘要： Contamination of surface and ground water has emerged as one of the most important environmental issues in developed and developing countries. Bioremediation of groundwater takes advantage of bacteria present in the environment to transform toxic compounds to non-toxic metabolites. This biotechnology holds the potential for fast, inexpensive, and effective water decontamination. However, it is still poorly understood and usually not fully controlled due to the lack of information describing the natural phenomena involved. Therefore, a better understanding of the phenomena involved during bioremediation of groundwater could help in the design and implementation of more efficient technologies. The main objective of the present research is to assess how pore-scale physical factors, such as pore-scale velocity, affect the degradation potential of contaminants during transport in groundwater. The target chemicals studied were chlorinated ethenes because they are commonly found in contaminated groundwater sites. To achieve the research objective, the following were employed: a mathematical model that links pore scale processes to the macro-scale representation of contaminant transport; development of numerical tools to solve the mathematical model; and experimental elucidation of the influence of pore-scale flow velocity on the biodegradation of contaminants using column experiments. Results from the mathematical model and experiments were used to elucidate the inter-relationship between physical and biological phenomena at the micro scale. The influence of flow velocity through the porous media (a physical factor) on the biological structure (microbial community in the porous media) was assessed. The results of this investigation contribute to the bioremediation of contaminated groundwater understanding with new insights on the importance of physical transport factors on the biodegradation potential. For example, flow velocity is shown to have an important effect on the

关键词： 氮气   导热系数   纳米尺度   孔隙   分子动力学模拟  

摘要： 应用Lennard-Jone作用势,在300K和0·1MPa条件下,对边长20nm的立方体孔隙内氮气的导热系数进行了平衡分子动力学模拟.结果得出分子分速度和速率的分布与统计力学得到的Maxwell速度和速率分布曲线基本一致,并且分子的平均自由程受到孔隙壁的严格限制.通过Green-Kubo关系式计算得出了孔隙内氮气的导热系数,并与文献中的结果进行了比较,模拟结果接近于实验值,仅为同样条件下自由空间氮气的导热系数的1/3左右.

摘要： This dissertation consists of six chapters. The first one provides an introduction to the subject of this document. The next two examine and derive the mobile-immobile zone model for two different pores: a rectangular 2-D pore and an axisymmetric pore. The fourth chapter offers a numerical and laboratory experiments to study contaminant transport through a single pore. The fifth chapter focuses on whether or not fractional or Taylor dispersion controls the spread of solutes in porous media with significant presence of vortices. The final chapter studies the dynamic nature of the effective porosity. There also are three appendices. Below, each paragraph provides an abstract of 5 consecutive dissertation chapters, chapter 2 through 6. A new analytic solution has been derived for the diffusion into or from an immobile zone of a rectangular 2-D pore. This solution is expressed by a series of exponentials with the first term dominating all the other terms after relatively short dimensionless time of τ = Dt/a 2 > τo ≈ 0.15, where D is molecular diffusion, t is time, and a is the pore depth. Hence for long times, τ > τ o, the analytic solution converges to a single decaying exponential and takes the form of the mobile-immobile zone (MIM) model. However, the long-time solution differs from the traditional MIM model by having an apparent initial concentration smaller than the true one. The difference represents the MIM model error, which propagates in time. This error provides a relatively small price (below 19%) for using a much simpler model instead of the exact model based on the diffusion equation. For sufficiently long times, τ > τ o, the mass-transfer coefficient is practically constant, proportional to the molecular diffusion, and inversely proportional to the square of the pore depth. For sufficiently short times, τ < τo, the mass-transfer coefficient is time-dependent and may be significantly larger than its asymptotic value. New analytic and semi-analytic solutions

关键词： 孔隙气体   渗流规律   微尺度   低渗透岩石   气体流动特性   地质环境保护   运动定律   非线性渗流   气体渗流   前沿领域   渗流力学   力学机理   统一模型   特性研究   资源开发   地下流体   度条件   新模型   微流动   实验   液体  

摘要： 微尺度条件下气体流动特性的研究是现代渗流力学前沿领域之一.分析了低渗透岩石饱和气体渗 流实验结果,探索了微尺度孔隙气体渗流规律,探讨了气体非线性渗流力学机理,发现了低渗透岩石微尺度孔 隙气体与液体渗流遵循同一形式的运动定律,建立了气体与液体非线性运动定律统一模型.结果表明:新模型 与实验结果吻合很好,为微尺度孔隙气体微流动特性研究提供了新的理论依据,对工程地质环境保护及地下流 体资源开发有重要指导意义.

关键词： 孔隙度   含水系统   移速   渗透系数   尺度   运移   上升   多孔介质   连通性   三维  

摘要： 首先提出渗透系数场为非高斯分布、高方差条件下三维非均质多孔介质的渗透系数上升尺度的经验计算公式，所考虑的因素包括砂质包裹体的体积百分含量、空间统计几何尺寸、空间连通性以及各水文地质相渗透系数的算术平均值．系统对比结果表明，该经验公式优于常用的传统计算方法．然后提出三维非均质多孔介质的孔隙度必须提升尺度的概念．这是因为在多孔介质含水系统中，污染物趋向于沿着高渗透性物质构成的三维优势通道快速运移，其有效运移速度与经提升尺度获得的单一渗流速度差别很大，迫使我们对孔隙度进行尺度提升．含水系统中高渗透性物质含量的变化引起孔隙度尺度提升特征的非线性变化，其上升尺度值介于0．004～1．5之间．当高渗透性物质含量低于30％时，孔隙度的尺度提升对于正确求解污染物运移尤为重要．

关键词： 堆积散体   孔隙结构   空间结构   离散系数   散体力学  

摘要： 在传统描述孔隙空间结构方法的基础上 ,用孔隙壁间距离作为变量 ,提出了表征散体孔隙空间结构的离散系数 ,并阐释了其物理含义 ,具有重要的理论和实际应用价值。