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《三维非均质多孔介质渗透系数和孔隙度的上升尺度》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、论文第49卷第20期2004年10月三维非均质多孔介质渗透系数和孔隙度的上升尺度张勇(HydrologicScience,UniversityofCalifornia,Davis,CA95616,USA;DesertResearchInstitute,2215RaggioParkway,Reno,NV89512,USA.E-mail:yong.zhang@dri.edu)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
2、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.关键词上升尺度渗透系数孔隙度非均质非均质介
3、质渗透系数上升尺度(即等效渗透系对非均质介质的渗透系数提升尺度,实际上是数)的确定是研究水流运移、分子扩散、热量传导等用单一渗流速度简化原来的多重流速,这将强烈影的前提,涉及水文地质、材料科学、石油工程等诸多响溶质的运移.该影响不仅表现在弥散度必须上升[1]领域,其研究历史虽然已近一个世纪,仍远未完善.尺度以弥补因流速均一化而缺失的差异性对流外,过去30年来,寻找非均质介质渗透系数上升尺度值还表现在有效孔隙度必须进行相应处理以修正对溶的努力从未间断过,相应的正式文献已近300篇(详质运移速度的偏差.弥散度的升尺度已广为人知,但[3]见文献
4、[2~5]).这些文献方法可归纳为三大类:试直到目前尚无文献涉及到单一介质中孔隙度的修正.探法、随机法和确定法.其中试探法给出了等效渗透本文提出孔隙度提升尺度这一概念,分析其产生机系数(记为Ke,下同)的合理范围,但忽略了非均质介理,并系统研究了一百多个三维多孔介质中上升尺[6]质的几何特征;随机法考虑到渗透系数分布的不确度孔隙度的变化规律,这对修正目前的溶质运移计定性并将之处理为随机变量,但随机理论大多基于算具有关键意义.有局限性的假设,如渗透系数的分布满足对数正态[7~9]1渗透系数的上升尺度分布且方差较小;确定法认识到介质几何特征的
5、重要性,并可求出Ke的解析解或近似解,但大多局限首先考虑单个高渗透性包裹体(如砂质薄层)存于介质非均质程度较弱(例如层状介质)的情况[3].在于低渗透性媒介(如黏土)中的情况(图1(a)).高、低本文提出一种新方法来计算三维复杂非均质多渗透性沉积物的渗透系数分别为KS,KC,实验结果表[14]孔介质的等效渗透系数.首先选择MonteCarlo技术明KS与KC相差最高可达13个数量级,一般情况下生成关于地质模型的等可能性的模拟[10]以解释非均约5个数量级.该介质相应的等效渗透系数可由下式质分布的不确定性,其次定量计算非均质体的空间直接求得
6、:[11]连通性,最后结合Ke的试探性边界值建立等效渗22211α−ps11−α透系数的经验公式.为验证该方法,我们首先利用单=2+2,(1)KKeA11−−ppsKHs个包裹体介质来研究Ke与高渗透率沉积物空间几何形状之间的定量关系,然后研究含两种水文地质相、式中KA,KH分别为介质渗透系数的算术平均值和调约100种不同分布规律的空间介质的等效渗透系数和平均值;ps为砂质包裹体的体积百分含量,Ly,Lx,Lz的变化规律.所选择的渗透系数场具有非高斯分布、分别为砂土的长、宽、高,My,Mx,Mz分别为整个介质高方差特征,符合多种地质介质的
7、非均质特征,如冲的长、宽、高(图1(a));α为砂土的正态化长度,其表积相[12]、河积相、海岸相[13]及某些冰川相等沉积介质.达式为:www.scichina.com2113第49卷第20期2004年10月论文LyKS/KC范围内Ke与K_model拟合良好,表明包裹体的α=.(2)My空间几何尺寸影响渗透系数的上升尺度.易验证α的取值范围为[ps,1],且(1)式中的系数其次考虑多个高渗透性包裹体的情况.当砂土()α22−pp/(1−2)和(1−α2)/(1−p2)均介于0~1之间.包裹体分布更广、形状更复杂时(实际中通常如此,例s
8、ss当砂土贯穿整个介质长度时(Ly=My),不论其宽度、厚如图2a),公式(1)不再有效.此时被认为依然有效且度如何,均有α=1,此时等效渗透系数Ke等于算术平目前常用的提升尺度方法,基本上是
