[发明专利]一种二维非均质含水介质物理模型的构建方法

权利要求书

1.一种二维非均质含水介质物理模型的构建方法，其特征在于，首先现场采样非均质含水介质污染区中的土样，测量其渗透系数，并计算其均值和方差，其次采用直接傅里叶变换方法生成网格化的渗透系数场，确定每个网格的渗透系数值，最后在一个模拟装置中，按照该网格化的渗透系数场进行石英砂的填充，构建完成二维非均质含水介质物理模型，再现野外含水介质的非均质性，具体步骤如下：

步骤1，模拟装置的设置

所述模拟装置包括一个主体(1)、数块网络隔板A(15)和数块网络隔板B(16)；

所述主体(1)为一上端开口的矩形箱体，在该矩形箱体中，与箱体的左右侧壁平行、且从右至左依次设置了两块隔板(6)和一块隔水挡板(5)；

所述隔板(6)为矩形平板，且高度、宽度分别与左右侧壁在主体(1)内腔中的高度、宽度相同，即通过两块隔板(6)将主体(1)分割成沿着主体(1)长度方向互相平行的三个独立空腔，从左至右依次记为进水箱(11)、砂箱(12)和排水箱(13)，所述隔板(6)上均匀分布多个通孔(14)，所述排水箱(13)的右侧壁上从上到下均距开设有三个出水口(8)，在每个出水口(8)上均装有止水阀(9)；

所述隔水挡板(5)为矩形板，其宽度与隔板(6)的宽度相同，记隔水挡板(5)的高度为h2，h2＜h1，h1为隔板(6)的高度，即通过隔水挡板(5)将进水箱(11)再分割成为左右两部分，且右部分的底部开了一个进水口(4)、左部分的底部开了一个排水口(2)，该进水口(4)和排水口(2)通过乳胶管(3)实现对进水箱(11)内腔的进水和排水，以保证进水箱(11)水头的稳定；

所述网络隔板A(15)和所述网络隔板B(16)均为矩形板，高度均记为网络隔板高度h3，h2＜h3≤h1，其中，网络隔板A(15)的宽度与砂箱(12)内腔的长度相同，网络隔板B(16)的宽度与砂箱(12)内腔的宽度相同；在网络隔板A(15)和网络隔板B(16)的下部，沿着高度方向从下至上均匀开有多条缝隙(17)，该缝隙(17)的长度为：当数块网络隔板A(15)和数块网络隔板B(16)通过该缝隙(17)交叉组合成为网格化空间时两个隔板的底面保持平齐；

步骤2，采样及计算

在非均质含水介质污染区中现场，按照均匀分布方式确定采样点，并采集N个土样，测量N个土样的渗透系数，得到N个渗透系数采样值，并将其中任意一个记为渗透系数采样值i为土样的序号，i＝1，2，...，N，N为正整数，N＞100；

计算N个渗透系数测量值的均值和方差，并分别记为均值和方差S2，其表达式分别为：

步骤3，生成渗透系数场

根据步骤2计算得到的均值和方差S²，并给定渗透系数场的行数R和列数C，采用直接傅里叶变换方法生成M个网格化的渗透系数场，其中，R＞5，C＞6，即在每一个渗透系数场中包含R×C个渗透系数；

在M个渗透系数场中随机选择一个记为渗透系数场Γ^*，在渗透系数场Γ^*中包含R×C个渗透系数，将其中任意一个记为渗透系数K_rc，r＝1，2，...，R，c＝1，2，...，C，则渗透系数场Γ^*为一个由R×C个渗透系数K_rc组成的矩阵，其表达式如下：

在R×C个渗透系数K_rc中，取最大值记为渗透系数最大值K_max，取最小值记为渗透系数最小值K_min；

步骤4，渗透系数区间的划分

引入渗透系数场长度Y，Y＝K_max-K_min；引入等分值L，L＝(K_max-K_min)/J；

按照等分值L将渗透系数场长度Y等分为J个区间，并将其中任意一个区间记为区间B_j，j＝1，2，...，J，令J个区间起始处的渗透系数为该区间的渗透系数，并记为渗透系数填充值k_j，k_j＝K_min+(j-1)×L；

将R×C个渗透系数K_rc按照其值的大小归类于J个区间，并将归类后的渗透系数记为归类渗透系数其中，下标为该归类渗透系数在渗透系数场Γ^*中的位置，上标为该归类渗透系数在区间中的位置；

步骤5，模拟装置中网格化填充空间的形成

在隔板(6)上铺设纱布，以防止试验时石英砂从通孔(14)中溢出，然后取R-1块网络隔板A(15)和C-1块网络隔板B(16)，其中，R-1块网络隔板A (15)沿着与隔板(6)垂直的方向插入到砂箱(12)底部，C-1块网络隔板B(16)沿着与隔板(6)平行的方向插入到砂箱(12)底部，且两种隔板通过缝隙(17)相对交错拼接，在砂箱(12)的内腔中组成一个由R×C个等体积长方体空间，即在模拟装置中形成与渗透系数场Γ^*中R×C个渗透系数K_rc对应的R×C个石英砂填充空间，将其中任意一个填充空间记为填充空间π_rc(7)；

步骤6，在模拟装置中再现生成的渗透系数场，构建完成物理模型

按照J个渗透系数填充值k_j准备J种渗透系数的石英砂；

对R×C个归类渗透系数中的每一个，按照其上标取对应渗透系数的石英砂，按照其下标将该石英砂填充到模拟装置中对应的填充空间π_rc(7)中，并进行压实，其填充高度为网络隔板高度h3；待R×C个石英砂填充空间π_rc(7)全部填充完毕后，从上方抽出R-1块网络隔板A(15)和C-1块网络隔板B(16)，并再次进行压实，且压实后，R×C个石英砂填充空间π_rc中的砂柱(10)形成了一个非均质石英砂模拟整体；

试验时，通过进水箱(11)对砂箱(12)中的非均质石英砂模拟整体进行注水，待完全饱和后，打开三个出水口(8)中的一个，并用配套的止水阀(9)调整水力梯度；

通过以上步骤形成的模拟装置及在模拟装置中构成的石英砂模拟整体即为二维非均质含水介质物理模型。