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三维裂隙网络中典型重金属污染物反应运移数值模拟

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地球科学 2024年第8期49卷 2879-2890页

作者：黄鸿蓝宋健杨蕴吴剑锋刘媛媛吴吉春南京大学地球科学与工程学院江苏南京210023 河海大学地球科学与工程学院江苏南京211100

自然界中裂隙介质的具体结构往往控制着其中的水流流动和溶质运移过程.由于真实裂隙网络的复杂性,常据不同裂隙参数(形状、位置、大小、密度、走向等)概化并使用特定数学分布来刻画和产生离散裂隙网络,但这种离散裂隙网络介质因其高度... 详细信息

自然界中裂隙介质的具体结构往往控制着其中的水流流动和溶质运移过程.由于真实裂隙网络的复杂性,常据不同裂隙参数(形状、位置、大小、密度、走向等)概化并使用特定数学分布来刻画和产生离散裂隙网络,但这种离散裂隙网络介质因其高度非均质性和各向异性导致传统基于多孔介质理论的数值方法难于模拟裂隙水流和溶质运移过程.利用三维离散裂隙网络模型生成场地裂隙介质不连续体,并基于裂隙空间参数将离散裂隙网络模型映射为等效多孔介质模型,由此进一步耦合地下水流与多组分反应性溶质运移开源代码PFLOTRAN,以实现三维裂隙网络中重金属污染物反应运移过程的数值模拟与污染物通量的定量评估.算例研究表明,随着裂隙密度的增大,裂隙网络表征逐渐趋近于多孔介质;裂隙发育的密度和方向均影响着裂隙网络的连通性,进而影响裂隙水流中不同组分的迁移规律和通量评估,其中保守性组分与不同反应性组分的迁移行为有明显差异.同时,研究表明,裂隙粗糙度对刻画裂隙网络中的污染组分迁移过程和通量评估具有重要影响.本文方法可为场地裂隙介质中地下水流和污染物的反应运移提供有效模拟手段和定量评估工具.

关键词：离散裂隙网络等效多孔介质连通性反应运移模型通量评估水文地质

多孔介质固体颗粒粒径特征及膨胀作用对地下水孔隙尺度流场特征的影响

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地球科学 2024年第7期49卷 2589-2599页

作者：侯玉松刘苏辛虎吴吉春胡晓农邢立亭济南大学水利与环境学院山东济南250022 南京大学地球科学与工程学院江苏南京210023

地下水孔隙尺度流场特征的研究对于深入理解地下水渗流、溶质运移具有重要意义.目前固体颗粒粒径特征不同时介质微观结构对孔隙尺度流场的影响尚不清楚.基于迭代重排算法构建了固体颗粒粒径分布特征、膨胀程度不同的多孔介质,基于此研... 详细信息

地下水孔隙尺度流场特征的研究对于深入理解地下水渗流、溶质运移具有重要意义.目前固体颗粒粒径特征不同时介质微观结构对孔隙尺度流场的影响尚不清楚.基于迭代重排算法构建了固体颗粒粒径分布特征、膨胀程度不同的多孔介质,基于此研究了固体颗粒平均粒径、粒径方差及膨胀作用对地下水流场特征的影响.结果表明,在介质孔隙率相同的条件下,固体颗粒平均粒径、粒径方差对多孔介质中流速的非均质性、速度概率密度分布等流场特征影响较小.而在同一介质中,当固体颗粒膨胀引起孔隙率减小时,平均粒径较小幅度的变化就会对以上流场特征产生显著影响.例如当固体颗粒膨胀程度增强时,粒径小幅度的增大,就会导致流场中优势流区和不流动区比例同时大幅度增加,流场非均质性显著增强,流速概率密度分布更加发散.

关键词：地下水流场特征多孔介质固体颗粒粒径孔隙尺度数值模拟水文地质学

基于双点位模型与多表面形态络合反应模型研究Cd^(2+)在负载黄原酸盐多孔介质中的迁移规律

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环境科学学报 2024年第7期44卷 449-461页

作者：罗博闻陈扣平吴吉春李平郑贤武陈华丽南京大学地球科学与工程学院南京210023 中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室贵阳550081 浙江工商大学环境科学与工程学院杭州310012

选矿作业中使用的选冶有机物与矿区采选过程中遗留的重金属发生络合反应,导致重金属迁移复杂化.因此需要建立适用于实际多孔介质条件,考虑重金属-选冶有机物复合污染影响的高精度迁移模型.研究以重金属(Cd^(2+))与乙基黄原酸盐(EX)为例... 详细信息

选矿作业中使用的选冶有机物与矿区采选过程中遗留的重金属发生络合反应,导致重金属迁移复杂化.因此需要建立适用于实际多孔介质条件,考虑重金属-选冶有机物复合污染影响的高精度迁移模型.研究以重金属(Cd^(2+))与乙基黄原酸盐(EX)为例,根据室内土柱实验和FTIR结果,结合双点位模型和MSM模型分析Cd^(2+)在负载不同浓度EX的实际多孔介质中的迁移过程,定量刻画Cd^(2+)在多孔介质中各组分的固相分配规律;使用e FAST法进行全局敏感性分析,识别两种模型的关键参数.研究结果表明:两种模型均展现良好拟合效果(R^(2)≥0.96),多孔介质EX负载浓度的提高(0~2.5 mmol·L^(-1))会增加多孔介质表明黄原酸根吸附点位的浓度(Xa:0~41.12 mmol·kg^(-1)),增强介质整体吸附能力(K_(d):1.261~2.723 cm^(3)·g^(-1)),最终抑制Cd^(2+)的迁移能力.在没有EX负载的偏酸性水化学条件下,土壤黏土矿物和有机质是吸附Cd^(2+)的最重要组分,吸附占比分别为53.34%和41.89%;随着EX负载浓度的增加(0~2.5 mmol·L^(-1)),黄原酸盐成为最主要吸附组分(77.84%~95.84%)并与其余组分形成竞争吸附关系.FTIR结果亦证明铁氧化物、有机质、黏土矿物均会与Cd^(2+)发生吸附反应,且EX负载后黄原酸根在多孔介质上形成新的吸附点位.敏感性分析结果表明α_(L)和铁氧化物吸附点位浓度(Surfa OH、Surfb OH)分别为两种模型最敏感的参数,需重点关注其获取的准确性.

关键词：黄原酸盐镉双点位模型 MSM模型竞争吸附

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基于cDC-GAN替代模型的物理-化学非均质矿层CO_(2)+O_(2)地浸采铀过程模拟

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中国环境科学 2024年第8期44卷 4547-4556页

作者：刘殿广杨蕴章勇邱文杰吴剑锋王锦国吴吉春河海大学地球科学与工程学院江苏南京211100 南京大学地球科学与工程学院江苏南京210023

基于物理过程的CO_(2)+O_(2)地浸采铀反应性溶质运移模型需要采用高分辨率网格来捕获介质物理-化学参数空间变异性和对流-弥散-化学反应多过程耦合特征,往往面临巨大的模型计算挑战.传统的替代模型处理高维数据空间分布预测时面临精度... 详细信息

基于物理过程的CO_(2)+O_(2)地浸采铀反应性溶质运移模型需要采用高分辨率网格来捕获介质物理-化学参数空间变异性和对流-弥散-化学反应多过程耦合特征,往往面临巨大的模型计算挑战.传统的替代模型处理高维数据空间分布预测时面临精度和维数诅咒问题,基于条件深度卷积生成对抗网络(conditional Deep Convolutional Generative Adversarial Network,cDC-GAN),本文提出了一种多重输入图像到输出图像回归的cDC-GAN替代建模组件,建立了高维物理-化学非均质场(渗透率场和铀矿物品位场)和铀浸出浓度分布场之间的映射关系,训练集和测试集样品中结构相似性指数的中值达0.98以上,可以作为砂岩型铀矿CO_(2)+O_(2)溶浸过程数值模型的替代方案.cDC-GAN替代建模不受底层物理模型的限制,进而可为复杂反应性溶质运移模型的参数识别、不确定性分析、全局敏感性分析和模拟优化方案设计等提供通用框架.

关键词： CO_(2)+O_(2)地浸采铀深度学习图像预测不确定性分析

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“大思政”与新工科背景下水文地质类课程改革与实践——以“地下水动力学”课程为例

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教育教学论坛 2024年第16期 117-120页

作者：章艳红罗跃吴吉春张卫民东华理工大学水资源与环境工程学院江西南昌330013 东华理工大学核资源与环境国家重点实验室江西南昌330013 南京大学地球科学与工程学院江苏南京210023

立足“大思政”时代背景,面对新工科建设的机遇与挑战,水文地质类课程应该如何顺应时代发展需要进行教学改革成为亟须研究的课题。以“地下水动力学”课程为例,介绍“大思政”与新工科背景下水文地质类课程改革与实践。首先,基于文献调... 详细信息

立足“大思政”时代背景,面对新工科建设的机遇与挑战,水文地质类课程应该如何顺应时代发展需要进行教学改革成为亟须研究的课题。以“地下水动力学”课程为例,介绍“大思政”与新工科背景下水文地质类课程改革与实践。首先,基于文献调研,结合时代背景、学校定位和专业特色确定“面向应用+立德树人”的教学目标,有机融合课程思政案例和典型工程案例,形成了“工程教育+课程思政”的“双目标”驱动下“地下水动力学”课程一体化教学框架与知识体系;其次,改革教学方法,综合采用启发式教学、互动式教学等多种方法进行课堂和实践教学,以激发学生的兴趣、启发学生的思考、提升学生的实践能力;最后,优化课程考核评价方式,利用网络资源、线上平台、线下教学,在主题讨论、随堂练习和课后作业方面实现全过程追踪,对综合考勤、课堂表现、课堂制图、课后作业和期末考试进行全方位课程考核。

关键词：立德树人新工科教学改革水文地质地下水动力学

寒区多孔介质中LNAPL迁移的多场耦合模拟

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中国环境科学 2022年第3期42卷 1346-1358页

作者：扶晓琴施小清蒋建国吴吉春南京大学地球科学与工程学院表生地球化学教育部重点实验室江苏南京210023

建立了包含水、气、NAPL、固(冰)四相的温度场、流场及化学场多场耦合模型,适用于定量模拟LNAPL泄漏过程中发生冻结后的迁移分布.通过与非冻条件下LNAPL迁移模型对比,模拟结果显示,冻结条件下因冰的形成LNAPL会发生与非冻条件下不同的... 详细信息

建立了包含水、气、NAPL、固(冰)四相的温度场、流场及化学场多场耦合模型,适用于定量模拟LNAPL泄漏过程中发生冻结后的迁移分布.通过与非冻条件下LNAPL迁移模型对比,模拟结果显示,冻结条件下因冰的形成LNAPL会发生与非冻条件下不同的迁移行为,冰的形成阻碍LNAPL下渗,并产生冻结势使LNAPL向地表方向迁移.相比非冻结条件,冻结条件下渗达到稳定时LNAPL相的质量通量偏差为-51.1%.冻结条件LNAPL溶解相在水平方向的迁移速度大于非冻结条件,冻结条件下如果不考虑冻结,下渗过程中LNAPL溶解量与挥发量最大偏差分别为2.4%、-24.9%.而冻结条件对LNAPL下渗达到稳定时的溶解量、挥发量影响很小,仅挥发量产生1.8%的偏差.但会减少LNAPL的吸附量,其偏差为-6.6%.

关键词：轻非水相流体(LNAPL) 多相多场耦合冻结势溶质运移

基于优化-自适应稀疏网格替代模型的地下水模拟参数不确定性分析

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吉林大学学报（地球科学版） 2022年第4期52卷 1234-1243页

作者：李小兰曾献奎王栋吴吉春南京大学地球科学与工程学院南京210023

地下水模型常用的参数识别方法通常需要多次调用原始模型,从而导致计算负荷问题。替代模型是常用来解决模型计算负荷的有效方法,其中稀疏网格(SG)替代技术已被广泛应用。为了进一步提高稀疏网格替代模型的效率,将斥力粒子群优化算法(RP... 详细信息

地下水模型常用的参数识别方法通常需要多次调用原始模型,从而导致计算负荷问题。替代模型是常用来解决模型计算负荷的有效方法,其中稀疏网格(SG)替代技术已被广泛应用。为了进一步提高稀疏网格替代模型的效率,将斥力粒子群优化算法(RPSO)和维数-局部自适应稀疏网格(DA-LA-SG)结合,提出了优化-自适应稀疏网格(O-DA-LA-SG)替代模型技术。基于一个解析案例和纳米颗粒物运移数值案例,对提出的O-DA-LA-SG替代模型技术进行验证,并利用马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)方法识别纳米颗粒物运移模型参数的后验分布。结果表明:在纳米颗粒物运移数值案例中,O-DA-LA-SG的优化过程总共节省了1598个网格节点,占DA-LA-SG插值节点总数的24.6%;通过MCMC方法直接调用替代模型,减少了参数的不确定性。

关键词：替代模型自适应稀疏网格斥力粒子群优化算法马尔科夫链蒙特卡洛方法地下水

考虑预报偏差的迭代式集合卡尔曼滤波在地下水水流数据同化中的应用

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水文地质工程地质 2022年第6期49卷 13-23页

作者：杨运吴吉春骆乾坤钱家忠南京大学地球科学与工程学院水科学系江苏南京210023 水利部淮河水利委员会安徽蚌埠233001 合肥工业大学资源与环境工程学院安徽合肥230009

集合卡尔曼滤波(Ensemble Kalman Filter,EnKF)方法已广泛应用于地下水水流和污染物运移模拟相关问题的求解。但前人研究多建立在同化系统预报模型是准确的基础上,忽视了模型概化的不确定性。当模型概化不准确时,将导致预报偏差,可能带... 详细信息

集合卡尔曼滤波(Ensemble Kalman Filter,EnKF)方法已广泛应用于地下水水流和污染物运移模拟相关问题的求解。但前人研究多建立在同化系统预报模型是准确的基础上,忽视了模型概化的不确定性。当模型概化不准确时,将导致预报偏差,可能带来错误的系统估计。因此,文章提出考虑模型预报偏差的迭代式集合卡尔曼滤波(Bias aware Ensemble Kalman Filter with Confirming Option,Bias-CEnKF)方法。以地下水水流数据同化为例,研究模型概化存在不确定条件下,边界条件、初始条件、源汇项概化不准确时新方法的有效性。结果表明,当预报模型概化不准确时,使用标准EnKF方法进行数据同化,可能会导致滤波发散,造成同化失败。Bias-CEnKF方法不仅保留了较好的同化性能,同时减小了参数、变量、偏差项非线性关系带来的不一致性。针对文章中4种情景,Bias-CEnKF同化获得的含水层渗透系数场以及水头场均接近真实场,且预报结果可靠。本研究进一步提升了模型概化不确定时EnKF方法的适用性,为实际野外复杂条件下地下水水流数据同化问题提供了可靠的方法。

关键词：数据同化集合卡尔曼滤波模型概化不确定预报偏差不一致性

基于随机行走的海岛地下水流替代模型构建方法

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水利学报 2023年第6期54卷 696-705页

作者：南统超潘硕张江江吴吉春鲁春辉河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京210098 河海大学长江保护与绿色发展研究院江苏南京210098 河海大学水利水电学院江苏南京210098 南京大学地球科学与工程学院江苏南京210023

地下水是海岛重要的淡水资源。为了解决海岛地下水管理实践中遇到的模型计算成本过高以及现有替代模型黑箱性问题,本文提出基于随机行走的海岛地下水流替代模型构建方法。通过GPU并行随机行走算法分别建立海岛的人工增储含水层、分层越... 详细信息

地下水是海岛重要的淡水资源。为了解决海岛地下水管理实践中遇到的模型计算成本过高以及现有替代模型黑箱性问题,本文提出基于随机行走的海岛地下水流替代模型构建方法。通过GPU并行随机行走算法分别建立海岛的人工增储含水层、分层越流含水层、随机非均质含水层的替代模型,并与相应海岛含水层解析解或数值解进行对比,验证随机行走替代模型在不同海岛含水层模型中的适用性和可靠性,分析潮汐动态边界对海岛分层含水层的影响,最后评估行走元数量对替代模型误差及计算成本的影响。

关键词：海岛含水层潮汐随机行走替代模型物理机制