巨厚潜水含水层自流井的水动力特征研究

发布时间：2020-06-26 03:28

【摘要】：鄂尔多斯高原白垩系巨厚潜水含水层发育的大量自流井与排泄区存在向上水力梯度密切相关。为了揭示潜水含水层自流井的水动力学成因,本论文改进了忽略垂向水力梯度的传统水井水力学模型,建立了包含自流井的盆地地下水流模型,研究了自流井与潜水含水层之间的水力联系。研究发现,潜水含水层的长滤管自流井内存在着水平流速为零的水平流向分界点。其下为流入段,地下水从含水层流入水井;其上为流出段,地下水从水井流出到含水层;总流入量始终大于总流出量。该现象也可出现在承压自流井中。由于自流井流出段无地下水流入,而流入段地下水流速随深度增大而增加,导致井口地下水流量主要来自于水井的下半段。随潜水面下降、井深减小或自流井离河谷距离增加,井周垂向水力梯度减小,自流井流入段的相对长度减小,井口地下水更多地来自于水井下半段。为了解释长滤管自流井井口混合水样可以较好地代表排泄区深部地下水这一现象,本论文以地下水年龄为例,建立了包含自流井的盆地尺度溶质运移模型,基于井周和井内地下水的年龄剖面分布,得到了井口地下水的等效位置。研究发现,开挖自流井后,自流井浅部流出段周围地下水的年龄将显著增加,但流入段周围地下水的年龄却在较长时间内保持与打井前一致,表明盆地中现有的自流井可用于采集代表打井前水质的地下水样品。自流井井口地下水的代表性取决于三个因素:自流井流入段的长度、流入段周围地下水的流速以及流入段周围地下水的年龄。潜水含水层自流井的井口地下水可代表水井下部的地下水。都思兔河流域的实例研究表明,采用上边界为给定通量的模型同样可以得到自流井发育于排泄区的结论,且自流井上部存在水平流向分界点。基于自流井井口地下水的等效位置研究,校正了前人利用水化学方法得到的流动系统的循环深度。此外,通过水动力模拟发现,基于水化学方法得到的流动系统分界深度通常小于流动系统的最大穿透深度。本文的相关研究成果不仅有助于加深人们对潜水含水层自流井的认识,也为如何充分利用现有长滤管井采集水样提供了新的思路。
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P641.2
【图文】：

水头分布,流网,潜水含水层,剖面

图 1-1 河间地块剖面流网及水头分布（据 Hubbert，1940，修改、转引自蒋小伟等，2013）虽然 Hubbert 早在 1940 年就提出了潜水含水层可以发育自流井，但时间内没有得到认可。这一问题的一个重要原因是 Dupuit 假设的局限性简化处理地下水在潜水含水层中的运动问题，Dupui（t1863）提出了著名的“假设”，即忽略地下水的垂向流速。基于该假设，Dupuit（1863）得到了圆中地下水从潜水含水层向完整井稳定流动的解析解，Boussinesq（1904）了地下水在潜水含水层中非稳定运动的微分方程。作为潜水含水层研究的Dupuit 提出的假设在很大程度上方便了求解问题，但同时也“隐藏”了一水运动的真相。英文文献中也将潜水含水层称为“无压含水层”（uncaquifer），掩盖了潜水含水层深部水头可以高于潜水面甚至地面这一水文

示意图,二维,数学模型,剖面

维剖面模型为例，对比承压含水层与潜水含水层自流区的分布范定水头上边界与定通量上边界对自流井发育的影响，。二维剖面模型的自流区模型设置th（1962, 1963）关于区域地下水流的研究表明，潜水面对于地下有重要的控制作用。当潜水面高程沿分水岭到盆地最低排泄点呈单地内将仅发育一个水流系统，这样的盆地被称为单元盆地。由于对的凝练和有效的代表性，单元盆地模型被广泛应用于与区域地下水（Anetal.,2015;CardenasandJiang,2010;Garven,1985;Gleesonett al., 2010; Vandenberg, 1980; Zlotnik et al., 2015），成为区域地下水究的基本单元（Tóth,2009）。类似前人的研究，本章选定单元盆地如图 2-1 所示。

【参考文献】