滨海承压含水层中海潮传播的解析研究——以北海半岛为例

来源 :中国地质大学(武汉) | 被引量 : 0次 | 上传用户:wxm2000
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随着沿海地区社会和经济的发展,各种滨海水文地质、工程、环境问题也随之出现。例如,海水入侵、滨海地区工程建筑的稳定性、工程基地建设中的排水及近海环境的恶化(赤潮)等。为了解决这些问题,需要确定滨海水文地质条件,包括含水层参数的估计和地下水与海水之间的交互作用。虽然教科书上有传统而又标准的确定滨海水文地质条件的方法如抽水试验、重锤实验、数值模拟、Guelph磁导计测试及洪波响应法等,但这些方法要么花费昂贵、费时,要么要求场地特殊。如标准而通用的抽水实验昂贵、费时、费事且带有主观性,另外,由于可能会引起或加剧海水入侵等,该方法不适合在滨海地区使用。 在滨海含水层中,地下水水头或潜水水位会随着潮汐水体(海洋或河)的水位波动而产生变化,即潮汐效应。自Jacob[1950]给出了第一个描述潮汐在滨海单一承压含水层中传播的解析解后,水文地质学家们通过许多野外研究和理论分析,发展了滨海含水层中地下水流动和盐分分布等基本理论,这些研究显示这种自然现象能够提供一个方便、经济、可靠的确定大尺度滨海水文地质条件的方法。所有的这些研究为解决滨海地区的环境、经济、生态和工程问题提供了有力的理论指导和技术支持。如何通过对临海观测孔中水位动态资料进行分析,以帮助我们确定含水层的水力性质和某些参数,或推测承压含水层在海底的延伸长度和露头处是否存在覆盖层等,是水文地质学家们一直很感兴趣的问题之一。 本文集中于滨海承压含水层中地下水潮汐效应的解析和实例研究。主要内容及成果有: 1、建立了具一般意义的滨海含水层系统模型。 该模型在垂直剖面上自上而下依次由潜水含水层、弱透水层(含水层顶板)、承压含水层组成。潜水含水层终止于海岸线处,承压含水层及其弱透水层顶板向海延伸一定长度。在承压含水层及其项板的海底露头处有一薄层水力性质不同于它们的沉积层覆盖其上,我们简称为含水层海底露头覆盖层。模型考虑了通过含水层顶板和海底露头覆盖层的越流,忽略了潮汐波动对潜水面的波动、含水层海底露头覆盖层和弱透水层的弹性储水效应等。 2、推导了滨海承压含水层中潮汐传播的解析解。 根据概念模型的假设,建立了相应的数学模型,并应用复变函数和傅立叶转换法推导了数学模型的解析解。当考虑顶板有无延伸、有无越流、有无海底露头覆盖层时,均可以得到前人考虑过的解析解,这表明前人的解析解是本文解的特例。 3、讨论了含水层及其顶板向海延伸长度的阈值。 已有的许多调查研究表明,滨海含水层系统中承压含水层及其顶板常常向海底延伸一定距离甚至无限延伸,但缺乏定量或定性的描述。基于本文解析解,笔者给出了定量计算相应含水层项板延伸长度的阈值公式。对于典型的含水层系统,其顶板延伸长度阈值小于5000m。实际上,顶板延伸长度的阈值可以认为是能用内陆含水层中的潮汐观测数据来估计海底、含水层及海底露头覆盖层等的水文地质信息的含水层海底顶板延伸的最大距离。 4、解析解中参数的敏感性分析。 即讨论了解析解中各参数如含水层顶板延伸长度和越流、覆盖层的透水性及潮汐荷载效应对内陆含水层中潮汐水位波动的影响。敏感性分析结果显示,当顶板长度超过阈值时,内陆含水层中的水位波动对顶板长度和露头覆盖层越流的变化不敏感。越流的存在减少了顶板长度的这个阈值。当顶板延伸长度较小时,内陆水头波动随着露头覆盖层越流的增大而增强,在这种情况下,仅当通过含水层顶板和露头覆盖层的越流都很小时,才会出现负的相位移。一般而言,顶板的延伸长度和越流、露头覆盖层的越流、潮汐荷载等导致了内陆含水层中水位波动关于含水层参数的非单调性变化。 5、广西北海半岛滨海含水层的实例研究。 笔者对广西北海半岛一个滨海含水层的潮汐和地下水位观测数据进行了分析研究。通过一个带有罚函数的最小二乘法估计出了研究区附近的含水层参数。拟合结果证实了研究区确实存在渗透性较差的海底露头覆盖层、承压含水层的弱透水层顶板向海底有一定延伸且存在越流。 6、通过对符合本文模型的三类实际含水层系统的概化,例证了本文模型和解析解的正确性和适用性,说明了本文模型在解决滨海含水层系统等的相关实际问题时的可行性。 7、本文最后中肯地指出了本文模型和实例研究的不足之处。在阅读和掌握了大量国际学术前沿研究资料的基础上,笔者就完善和解决目前在滨海地下水潮汐效应研究上存在的不足和缺点提出了几点建议和展望,为探讨后续研究、解决与潮汐动力相关的滨海地下水及溶质运移问题时提供了思路、指明了方向。 总之,本文建立一个一般的滨海含水层系统模型和解析解,并估计了实例研究区的滨海含水层水文地质参数和水文地质条件。
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