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地下淡水或咸水运移过程存在于水利工程、环境工程及地下工程等众多领域的不同问题中,准确描述淡/咸水的运移特性与规律对这些问题的有效解决至关重要,其中数值模拟能够刻画复杂条件下各流体及溶质在不同时空尺度上的流动与运移规律,是一种经济可行且有效的方法。地下淡/咸水运移的饱和-非饱和系统是一个复杂的多相流系统,其孔隙中存在气相、液相两种流体,包含空气、淡水、咸水中的两种或三种组分,是一个典型的气-液二相流体系。以往关于地下淡/咸水运移问题的研究仅限于液相,而忽略非饱和土中气相流动及其对其它流体运移的影响。然而,在许多涉及非饱和土的地下水问题中,如降雨入渗、潮汐波动条件下,气相受到水流的驱动作用,所产生的气相压力的影响很值得研究。因此,本文建立了三维条件下考虑水动力弥散的气-液二相流多组分运移模型3DT2DM,定量研究了降雨入渗引起的气流对浅层地下水位波动的影响、潮汐效应下非饱和带中气流及其对咸淡水运移过程的影响;并结合微种群遗传算法mGA,建立了空气帷幕防治海水入侵的模拟优化模型mGA-3DT2DM,对三维承压含水层中空气帷幕的布设参数进行了优化分析;结合地下水模型参数反演优化程序UCODE,建立了气-液二相流系统中非饱和水力参数的反演识别模型UCODE-3DT2DM,基于一维室内砂土柱入渗实验,对砂土的非饱和水力参数进行了反演分析。主要研究成果与创新点总结如下:(1)对TOUGH2/T2DM进行三维扩展,建立了三维条件下考虑水动力弥散的气-液二相流多组分运移模型。本文采用TOUGH2开源软件中的T2DM模块来求解地下淡/咸水气-液二相流多组分运移过程,但T2DM仅考虑了Y、Z方向交界面的机械弥散作用,因此首先对T2DM进行三维扩展,即在计算机械弥散流量的子程序DISF中增加X方向交界面的机械弥散作用,将其扩展为3DT2DM,从而适用于求解三维条件下考虑水动力弥散的气-液二相流多组分运移问题;之后,采用同时考虑分子扩散和机械弥散作用的变异Henry问题的解析解对3DT2DM进行验证,并设计一对称的三维理想算例,由XZ、YZ、XY平面上变量分布的对称性,进一步验证了3DT2DM的有效性,从而为降雨入渗、潮汐波动条件下地下淡/咸水多相流过程的模拟研究提供了有效工具。(2)利用3DT2DM,模拟分析了降雨入渗引起的气流对浅层地下水位波动的影响,揭示了Lisse现象和Reverse Wieringermeer现象的形成和发展过程。通过分析降雨过程中及结束后气相压力与地下水位波动间的关系,发现湿润锋到达地下水位前,非饱和区形成的孔隙气压力使得毛管水饱和带附近的孔隙水压力为正,地下水位及井中水位上升,此为Lisse现象的形成原因;对比单相流模拟结果,定量研究了气流对水位波动的贡献。模拟分析了降雨条件下河流附近地下渗流场及水位波动情况,发现坡脚区域Reverse Wieringermeer现象(RW现象)引起的水力梯度与坡顶区的气流作用在一定范围内相互影响,且降雨结束后气流作用会减缓RW现象的衰减;渗透性同时影响RW现象和气流下移,致使渗流场变化较为复杂;毛管水饱和带并非RW现象的控制因素而是影响因素,该现象主要与前期水量有关;RW现象也可发生于毛管水饱和带以上存在一定厚度非饱和区且有侧向补给的区域。(3)提出了考虑海岸边界处相态变化的潮汐边界的数学处理方法,探讨了潮汐作用下地下系统达到动态平衡时各变量的周期性变化规律。海岸边界各单元的液相压力和相态随潮汐波动而不断变化。本文将随时间变化的Dirichlet边界条件转化为Neumann边界条件,其中源汇项根据给定时间段内水头的变化速率计算,并逐时步判断边界单元的相态变化,从而实现了潮汐边界更符合实际情况的数学处理。基于此,利用3DT2DM模拟分析潮汐作用下地下系统中水流、气流及盐度的周期性变化规律;对比分析不考虑气流的情况,发现非饱和区中的气流阻碍了含水层中水流流速的变化,导致坡形含水层的含盐量及其波动振幅均减小。(4)结合改进的微种群遗传算法mGA,建立了空气帷幕防治海水入侵的模拟优化模型mGA-3DT2DM,对三维承压含水层中的空气帷幕布设参数进行优化分析。通过修改3DT2DM与mGA的源程序实现二者之间关于决策变量和适应度函数值的数据传递,以耗费的总成本最小为目标函数,建立了一般环境下空气帷幕防治海水入侵的模拟优化模型mGA-3DT2DM;利用mGA-3DT2DM对沿海地区典型三维承压含水层中的空气帷幕布设参数(包括相邻注气孔间距、注气压力、注气位置和注气范围)进行优化分析,验证了该模拟优化模型的可行性与有效性,为空气帷幕的布设参数设置提供了技术支持。(5)结合地下水模型参数反演优化程序UCODE,建立了气-液二相流系统中非饱和水力参数的反演识别模型UCODE-3DT2DM。以观测值与模拟值之间的加权残差平方和最小为目标函数,修改优化算法UCODE与正演模型3DT2DM的源程序,实现二者之间关于多个连续实验过程的实时数据交换,建立了气-液二相流非饱和水力参数的反演识别模型;结合一维室内砂土柱入渗实验的观测数据,对砂土的非饱和水力参数进行反演识别,并比较不同经验模型在迭代过程中的表现,所得结果验证了模型的有效性及所得参数最优值的准确性,从而为气-液二相流数值模拟中非饱和水力参数的准确获取提供了有效方法。