非均质多孔介质渗透系数尺度效应及其影响因素研究

Hydraulic conductivity of heterogeneous porous medium possesses spatial variability. It is observed as different values at different observation scales, which makes scale effect of hydraulic conductivity. However, we still have no consensus to hydraulic conductivity variation with scales, and are not completely clear to its main influence factors and influence mechanism. The study will test hydraulic conductivity in laboratory scale, solve hydraulic conductivity in local well-scale with analytical method, and solve hydraulic conductivity in region scale with numerical method, and then investigate the scale effect of hydraulic conductivity. Spatial distribution model of porous medium for the research area will be constructed based on boreholes lithological data, and the heterogeneity, anisotropy, connectivity and spatial distribution pattern of medium will be analyzed based on the porous medium model. Then, the study will combine scale effect of hydraulic conductivity with these factors for determining the main influence factors and analysing influence mechanism. The study will also construct a mathematical model to describe the scale effect and create a method to estimate hydraulic conductivity based on spatial distribution model of porous medium. The research results can enrich and develop theoretical knowledge of scale effect of hydraulic conductivity, and provide scientific basis for inputting reasonable hydraulic conductivity in numerical simulation of groundwater.

非均质多孔介质的渗透系数具有空间变异性，这种空间变异性在不同尺度上观测值的差异使其具有尺度效应。然而，目前对渗透系数随尺度变化规律仍未形成共识，渗透系数尺度效应的主要影响因素和影响机制尚未完全清楚。本项目拟采用实验室尺度实测、局部井尺度解析法和区域尺度数值法，求解各尺度渗透系数，研究渗透系数随尺度变化的规律；利用钻孔岩性数据建立多孔介质空间分布模型，分析介质的非均质性、各向异性、连通性和空间分布方式等因素；将渗透系数随尺度变化规律与这些因素结合起来，查明渗透系数尺度效应的主要影响因素，分析其影响机制；并构建描述渗透系数尺度效应的数学模型，创建基于多孔介质空间分布模型的渗透系数多尺度估值计算方法。研究成果可丰富和发展渗透系数尺度效应的理论认识，为地下水数值模拟中渗透系数的合理赋值提供科学依据。

渗透系数是水文地质学中最常用、最重要的参数之一，然而自然界中的渗透系数具有强烈的空间变异性，且在不同尺度上观测和应用的(含等效)渗透系数差别较大，对水文地质相关问题的解决有重要影响。因此，渗透系数的尺度依懒性具有重要的研究价值。本研究基于钻孔地质大数据研发了钻孔数据多尺度概化方法，结合转移概率地统计方法创建了多孔介质空间分布模型的多尺度自适应建模方法；并以淮南潘谢矿区为研究区，开展了现场取样和渗透系数的室内测试，利用矿井以往抽水试验资料解析计算井域尺度的渗透系数，根据矿区地下水观测资料利用地下水数值模拟方法率定渗透系数，分析室内小尺度、井域尺度和区域尺度上渗透系数随尺度变化的规律，并分析不同尺度上多孔介质的非均质性、各向异性、空间分布方式等因素影响，构建了适于研究区的渗透系数尺度依赖性模型，创建了基于多孔介质空间分布模型的渗透系数多尺度估值方法。本研究成果包括提出并优化了耦合钻孔多尺度概化与转移概率地统计的含水介质建模方法；开发了基于钻孔数据的含水介质空间分布多尺度模拟系统；提出了离散型变量（含水介质）和连续型变量（渗透系数）的非均质的定量描述；给出了基于多孔介质空间分布模型的等效渗透系数估值方法；研究成果集成于地下水数值模拟软件中，为地下水数值模拟计算提供渗透系数估值参数。