基于热力学信息熵理论的岩土体渗流场研究

The heat source method is established through the heat dissipation of the fluid. The leakage passage is equivalent to a line heat source or surface heat source, and the heat source-Darcy seepage coupling model is proposed. The passage is assumed as discrete medium,and the multi-scale equivalent reconstruction model is introduced to study quantitatively the coupling relationship between heat source method parameters and seepage parameters, which helps elaborate the characteristics of dam seepage field. The exchange of energy and material in the system with those outside the system in the process of dam leakage is discriminated starting from the thermodynamic entropy principle. The entropy (S) in the groundwater with single supply source must satisfy △S≥0 in the process of runoff. If △S＜0, it is indicated that there must be other supply source in the groundwater. The information entropy is as constraint conditions to determine the permeability characteristics and boundary conditions of rock mass. The information which is carried in isotope, various ions, temperature, conductivity, etc is screened and weighted, and negentropy is the important criterion to determine the seepage, mass transfer, heat transfer model and boundary conditions. Based on the set pair analysis theory, which is the mathematics method to deal with the uncertainty, the recharge, runoff and drainage of groundwater is quantified. By the method of optimizing iterative search, the permeable medium is classified, and the permeability parameters of each medium are inversed, and then the most appropriate permeability distribution is obtained. Finally, the real seepage field is achieved.

通过流体内热能的耗散建立热源法模型，将优势渗漏通道等效为线热源或面热源，建立热源法-达西渗流耦合模型；将优势渗漏通道概化为离散介质，建立多尺度等效重构模型，定量研究热源法参数与渗流场参数之间的耦合关系，实现对堤坝渗漏场特征的精细描述。从热力学熵原理出发，对堤坝渗漏过程中的能量、物质与外界系统的交换进行判别，单一补给来源的地下水中的熵（S）在径流的过程中必须满足△S≥0，如果出现了△S＜0的情况，表明一定存在其他的补给源，以信息熵作为约束条件确定岩土体介质的渗透性特征与边界条件，将同位素、各种离子、温度、电导等携带的信息进行筛选、赋权，负熵的出现成为判定渗流、传质、传热模型及边界条件的重要判据。基于分析系统不确定性的数学方法-集对分析理论，量化地下水的补给、径流、排泄关系，通过优化迭代搜索方法，对渗透介质分类，并反演各介质的渗透参数，最终获得最恰当的渗透性分布参数，从而获得真实的渗流场。

1948年,Boltnzlnna熵的概念被引入信息论中，标志着信息的度量方法的诞生。概率统计的方法把熵作为信息量的度量，以此奠定了现代信息论的理论基础。任何一个自然系统都在不断地进行着物质、能量和信息的交换，这些过程都必须遵循热力学的基本定律，渗流引起的堤坝渗漏破坏过程也不例外。本次项目研究根据热力学第一定律的热能理论，将达西渗流理论与热源法渗流理论结合，建立耦合模型。根据热力学第二定律，引入信息熵理论，对渗流过程中能量、物质与外界系统的交换进行判别。根据熵权-集对分析理论，结合示踪技术，系统的分析岩土体渗漏的不确定性问题。基于上述数学物理模型，开展离散介质岩土体达西-热源法渗流耦合室内模型实验，定量的研究热源法参数与渗流场参数之间的耦合关系，发展一系列分析方法和反馈测试技术，并结合具体工程开展初步应用，为堤坝等岩土体渗漏探测工程问题提供重要的理论基础和技术支撑。同时，将信息熵理论推广到整个水文循环研究领域中，研究降水同位素随机变量概率分布特征的方差随水循环过程的变化，很好地示踪出了两股夏季风的运移通道和对中国大气降水的影响范围。在全球尺度下，利用GNIP同位素观测数据反映全球水汽来源以及全球范围内的从海洋向大陆的水汽运移过程，发现氘氧同位素信息熵很敏感的响应气候变化，表明了氘氧同位素信息熵研究水文循环随气候变化的潜在能力。此外，在灌南、汤沟、松原等地的地下水研究中，根据信息熵理论发现，地下水在排泄中存在“负熵”现象，结合水文地质和同位素信息，为判别地下水补给来源提供了理论基础。