潮汐和海浪引起的海岸带含水层地下水动态研究

发布时间：2017-12-13 09:17

本文关键词：潮汐和海浪引起的海岸带含水层地下水动态研究

【摘要】：海岸带含水层地下水动态的研究具有重要意义,它有助于掌握地下水运动规律、了解含水层结构特征、评估含水层水文地质参数;有助于解决人们日益关心的环境地质问题(如海岸带污染物迁移、海水入侵、海底地下水排泄及营养盐的入海通量等);有助于海岸带淡水资源保护、滩涂生态系统保护、沿海开发等。本文研究了三方面的内容,一是给出了潮汐和单井抽水共同作用下海岸带含水层地下水流的解析解,二是对潮汐和海浪共同作用下莱州湾某砂质海岸带含水层系统中的地下水流和盐分溶质运移进行了系统的野外观测和数值模拟研究,三是对潮下带海浪作用下的海水-地下水相互交换进行了野外观测和分析。分别详述如下。在潮汐的影响下,海岸带含水层系统中地下水水位或水头是波动的。已经有很多解析解描述各种海岸带含水层系统下潮汐作用下地下水水位或水头的波动。潮汐效应作为一种经济有效的方法已经被广泛用于评估含水层参数。随着海岸带地区社会经济的发展,尤其是水产养殖、沙滩泄水、海岸带护土构筑以及海水入侵防护等的需要,在海岸带地区地下水抽水或者注水非常普遍。然而,很少有解析解能刻画含水层在抽水及潮汐共同作用下地下水的响应。本文根据已有的解析解,利用镜像法和叠加原理推导了海岸带含水层中地下水水位或水头在潮汐作用下定流量完整抽水井抽水的解析解,给出了十一种具有不同边界条件或含水层结构的相关数学模型及其解析解。通过对解析解性质的分析,发现降深曲线形状显著依赖于抽水初始时刻的潮汐潮位,这一点在应用中应该充分重视。海洋各种营力(潮汐、海浪)影响海岸带含水层地下水动态、溶质运移以及污染物的运移扩散。由于模型非线性复杂性,潮汐、海浪作用下地下水盐分分布的动态特征很难求得解析解,即使是数值解研究,目前也很少有潮汐及海浪共同作用下含水层地下水动态的数值模拟研究,更没有对野外海浪与潮汐共同作用下的数值模拟研究的报道。本文基于莱州湾砂质海滩潮间带野外观测数据,利用地下水水流及溶质运移模拟软件MARUN建立二维剖面流模型进行数值模拟。模型的海向边界叠加了实测的潮汐以及随时间变化的经过相位平均处理的海浪。模拟结果再现了潮间带地下水水头及盐分的动态特征。潮间带海水-地下水界面上水量、盐分交换的计算结果表明,海浪增加了界面上水盐交换,使得潮间带地下水循环更加活跃。海底地下水排泄(SGD)包括淡水排泄量以及海水循环量。SGD的主要成分是循环海水,而潮汐及海浪被认为是循环海水的主要驱动力。众多研究表明,潮间带潮汐或海浪引起的海底地下水排泄比用镭同位素示踪方法估计的SGD至少小一个数量级。本文认为造成这一差别的重要原因之一是忽视了从潮下带到海底陆架之间这一广阔区域的海水-地下水交换,而在这一区域中海浪是主要的海水-地下水交换的驱动力。我们通过在莱州湾野外两个场地布设潮下带监测设备,获得了在高频海浪作用下含水层中地下水的动态数据。根据广义达西定律直接计算了在海浪作用下潮下带海底界面处的水交换量。结合莱州湾水深及沉积物分布数据,将两点结果推广到整个莱州湾,得到莱州湾潮下带浅海地区海浪引起的海水-地下水交换量为1.35×108 m3/d,其值可以占到镭同位素估计SGD量的22%-32%。
【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】：2016
【分类号】：P731.2;P641.2

【参考文献】

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