iTOUGH2應用於實驗室尺度非飽和土壤參數之推估

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林聖獻(Sheng-Xian Lin) 查詢紙本館藏

畢業系所

應用地質研究所

論文名稱

iTOUGH2應用於實驗室尺度非飽和土壤參數之推估
(iTOUGH2 model with lab-scale sandbox experiment to estimate parameters of unsaturated soils)

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摘要(中)

在非飽和地下水系統之多相流和傳輸過程研究中，數值模擬為廣泛應用的技術，本研究使用Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) 所開發之iTOUGH2模式配合實驗室尺度砂箱實驗進行非飽和土壤參數推估。iTOUGH2模式可應用於模擬多孔隙介質或裂隙介質中的多相流(multiphase)、多成分(multi-component)及非等溫(non-isothermal)的水流及溶質傳輸。本研究利用此模式驗證實驗室尺度注氣試驗系統，並進一步利用此模式參數反推估功能，估計實驗室尺度砂箱內非飽和土壤的氣體滲透性及孔隙率。注氣試驗方法是利用試驗孔中變換注氣孔及觀測孔位置進行量測氣壓力隨時間之變化，由蒐集之觀測數據，輸入iTOUGH2模式中進行參數值之最佳化。透過最佳化之參數模擬結果可提供較高解析度之非飽和土壤參數分布。本研究以模式測試例驗證模式之模擬與反推參數功能，以實驗室尺度一至二維砂箱實驗資料代入模式進行參數反推估，研究結果顯示在模式測試例時，使用模擬之壓力資料可準確的反推估砂樣滲透性與孔隙率，但是在套用實驗室砂箱實驗數據時，以穩態之實驗壓力數據僅可正確地反推估出砂樣滲透性分布；以實驗暫態部分壓力資料反推估孔隙率時，因為實驗初期氣壓變化過快，且實驗使用之流量計取樣速率過慢，所以在孔隙率反推估上有相當的困難性存在。以修正後之實驗數據反推實驗土壤孔隙率，在一維實驗部分可以以修正後之實驗數據反推部分砂樣孔隙率，而二維實驗部分因修正之資料點過多，難以反推孔隙率之分布。

摘要(英)

The numerical simulation has become a popular technique in studying multiphase flow and mass transport in unsaturated zones of groundwater systems. In the study, we use iTOUGH2 model developed by LBNL to estimate parameters of unsaturated soils. The iTOUGH2 model can be applied to simulate the flow and mass transport with multiphase, multi-component, and non-isothermal conditions in porous medium or fractured medium. This study uses the iTOUGH2 model associated with pneumatic injection tests to inversely estimate the permeability and porosity of lab-scale unsaturated soils on sandbox. The pneumatic test injects air in one location and monitoring the variations of air pressures at other locations in the sandbox. Same injection event is repeated at different injection locations. The sequential pneumatic tests yield a series of air pressure measurements. Such measured data are then used in the iTOUGH2 model to obtain optimal distributions of unsaturated soil parameters, i.e., the permeability and porosity. Simulation results show that the permeability and porosity can be estimated accurately for the synthetic cases. However, only permeability can be estimated with lab-scale sandbox experimental data. There are difficulties in estimating porosity, including the rapidly pressure changes and measurements of accurate gas flow rates and location of observation points mean boundaries.

關鍵字(中)

★ iTOUGH2
★ 非飽和土壤
★ 氣體滲透性
★ 孔隙率

關鍵字(英)

★ porosity
★ permeability
★ unsaturated soil
★ iTOUGH2

論文目次

摘要 i
Abstract iii
誌謝 iv
目錄 v
圖目錄 viii
表目錄 xiii
符號表 xv
第一章緒論 1
1.1研究動機 1
1.2研究目的 3
1.3文獻回顧 4
1.3.1注氣實驗 4
1.3.2 TOUGH2模式 6
1.4論文架構 8
第二章實驗室尺度砂箱實驗 10
2.1 實驗設置 10
2.1.1 砂樣準備 10
2.1.2 砂箱設備 13
2.1.3 儀器設備 14
2.2砂箱模型試驗之進行方法與步驟 15
2.3孔隙率之量測 17
第三章數值模式 18
3.1 TOUGH2簡介 18
3.2 TOUGH2應用範圍 19
3.3 TOUGH2程式架構 19
3.4 TOUGH2模式理論 22
3.5 iTOUGH2反推估模式理論 25
3.5.1 The Gauss-Newton method 27
3.5.2 The Levenberg-Marquardt method 29
3.5.3 The Downhill Simplex method 30
3.5.4 Simulated Annealing 32
3.6 模式測試例之建立 34
3.7 一維模式測試例 35
3.7.1 一維測試例1 35
3.7.2 一維測試例2 41
3.8 二維模式測試例 47
第四章實驗室砂箱試驗與iTOUGH2反推估 53
4.1 實驗室砂箱注氣試驗 53
4.1.1一維砂箱注氣試驗 53
4.1.2二維砂箱注氣試驗 56
4.2.1模擬一維砂箱注氣試驗 58
4.2.2模擬二維砂箱注氣試驗 60
4.3 iTOUGH2反推估結果 62
4.3.1 反推一維異質性砂箱實驗滲透性 62
4.3.2 反推二維異質性砂箱實驗滲透性 66
第五章結論與建議 77
5.1 結論 77
5.2 建議 80
參考文獻 81
附錄I 85
附錄II 88

參考文獻

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指導教授

倪春發(Chuen-Fa Ni)

審核日期

2010-7-27

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