（道路与铁道工程专业论文）砂土中海水入侵速度的实验研究.pdf

中文摘要 摘要 海水入侵( s e a w a t e ri n t r u s i o n ) 作为现今的重大自然灾害之一，现在已经越 来越受到广泛的重视。海水入侵使得水质恶化、土壤次生盐渍化等等，成为沿海 地带不可忽视的重大灾害。它既是特定区域的自然环境影响的结果，又与人类社 会的经济活动影响密不可分。随着经济的飞速发展，造成海水入侵的最主要因素 不是自然环境的变化，而是人类活动对现有资源和原始平衡的破坏。 本文简要介绍了海水入侵的现状和影响海水入侵的主要因素，系统地介绍了 研究海水入侵的方法、步骤、理论基础、要注意的主要方面等等，说明了判断是 否出现海水入侵的指标、如何来界定海水入侵界面，以及海水入侵的多种类别； 指出了在人类活动方面，造成海水入侵最主要的破坏是过量开采地下水，从而造 成了地面沉降等负面效应。本文以渗流理论为基础，对砂土中的海水入侵作了实 验方面和数值模拟方面系统地研究。并将这两种方法结合起来，经分析给出了在 砂土中海水入侵速度的经验公式，为预防和治理海水入侵提供了可行性的方法。 本文的核心部分为实验研究，通过实验方法来研究各个影响因素之间的相互 关系，以达到减缓海水入侵速度的目的。另外，本文将s e e p w 与c t r a n w 这 两种软件的有机结合，对实验模型进行数值模拟，以此来完备海水入侵速度研究 的准确性与合理性。 关键词：海水入侵；海水入侵影响因素；速度推导；实验研究；数值模拟 英文摘要 e x p e r i m e n t a la n a l y s i so fs e aw a t e ri n t r u s i o ns p e e d i ns a n d s a b s t r a c t a so n eo ft h em o s tt e r r i b l ed i s a s 锄翻蝈w a 由e ri n t r u s i o ni sg e t t i n gm o i ea n dm o r e f o c u s e dt h r o u g h o u tt h ew o r l d s e a w a t e ri n t r u s i o nh a sb r o u g h tag r e a tm a n yo f p r o b l e m s ， e s p e c i a l l yf o rt h es e a b o a r da r e a s ，f o ri n s t a n c e ，d e g r a d i n gw a t e rq u a l i t y , s t e e p i n gs o i l s a l t y , e t c i ti sn o to n l yb e c a u s eo f t h em s n l to f n a t u r a le n v i r o n m e n tf o rs p e c i f i cl o c a t i o n , b u ti sa l s oc l o s er e l a t e dw i t l lp e o p l e se c o n o m i cs o c i e t y a l o n gw i t ht h ef a s tg r o w i n go f e c o n o m y , t h em a i nf a c t o ro fc a u s i n gs e a w a t e ri n t r u s i o ni sn o tt h en a t u r a le n v i r o n m e n t c h a n g e s ，b u tt h er u i nb yp e o p l e sa c t i v i t i e st ot h ec u r r e n tr e s o u r c e sa n dn a t u r a lb a l a n c e t h i sp a p e rp r e s e n t st h ec u r r e n ts e a w a t e ri n t r u s i o ns i t u a t i o na n df a c t o r sa f f e c t i n gi t , a n ds y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e s t h em e t h o d , p r o c e d u r e ，t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n , f o c u s p o i n t so ft h es t u d yo fs e a w a t e ri n t r u s i o na n a l y s i s a l s o ，t h i sp a p e rt e l l st h ec r i t e r i o no f h o wt od i s t i n g u i s hw h e t h e ri th a p p e n s ，h o wt od e f i n et h ei n t e r f a c eo f s e a w a t e ri n t r u s i o n , a n dt h ev a r i o u sc a t e g o r i e so f s e a w a t e ri n t r u s i o n ；a n dp o i n t so u th u m a n sa c t i v i t i e sa r e t h ec o u r s e so fs e a w a t e ri n t r u s i o n , p a r t i c u l a r l yo v e r - e x p l o i t a t i o no ft h eu n d e r g r o u n d w a t e r , t h e r e b ym a k i n gi m m e n s ec o u n t e r - e f f e c t ，l i k es u b s i d i n gt h el a n ds u r f a c e ，e t c b a s e do nt h et h e o r yo fs e e p a g ef l o w , t h i sp a p e ra n a l y s e ss e a w a t e ri n t r u s i o nb yb o m e x p e r i m e n t a n dn u m e r i c a l v a l u e s i m u l a t i o n , a n d m i x e st h e t w o - w a y , p r e s e n t s e x p e d e n t i a lf o r m u l a sf o rs e a w a t e ri n t r u s i o ni ns a n d s ，p r o v i d e sf e a s i b i l i t i e st op r e d i c t a n df a t h e rs e a w a t e ri n t r u s i o n t h ec o r eo ft h i sp a p e ri st h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i s i no r d e rt oa l l e v i a t et h es p e e d o fs e a w a t e ri n t r u s i o n , t h i st h e s i sc o n c l u d e st h er e l a t i o n s h i p sa m o n gd i f f e r e n tm a i n f a c t o r su s i n ge x p e r i m e n t a la n a l y s i s f u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e rc o m b i n e st h es o f t w a r eo f s e e p wa n dc t r a n wt os i m u l a t ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，s oa st om a k et h es t u d y a c c u r a t ea n dr e a s o n a b l e k e yw o r d s ：s e a w a t e ri n t r u s i o n ；e f f e e t i n gf a c t o r s ；s p e e dd e d u c t i o n ；e x p e r i m e n t a 皿a l y s h ；n u m e r i c a lv a l u es i m u l a t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究t 作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文壁生瀣丞厶i 量速廑的塞坠班究”。除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或 未公开发表的成果。 轳舢潞就醉膈担器姗虢初硗多名伊蝴日 论文作者签名：f 几，o 棚仟3 月j 日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密6 a 以请在以上方框内打“4 ”) 做储躲磊l 魄编臌名：龋批 日期：扮7 年妒马日 f 砂土中海水入侵速度的实验研究 第1 章绪论 1 1 海水入侵简述 ( 1 ) 课题背景 在全球经济飞速发展的大背景下，自然环境的恶化已经越来越明显，海水入 侵已经日益成为世界许多国家和众多地区不可忽视的自然灾害之一。 现在国内外，已经有几百个地段遭受海水入侵的危害，主要是分布在社会经 济发达的滨海平原、河口三角洲平原及海岛地区。海水入侵是含高盐分的海水沿 着河道、河口、地下含水层向内陆倒灌与渗透的一个长久的过程，会导致水质恶 化和土壤次生盐渍化，阻碍工农业生产，影响人们的生活，因此研究如何来阻止 和减缓海水入侵已经成为人们亟待解决的问题，本文就是在这个大背景下对砂土 中海水入侵的速度进行研究。 ( 2 ) 海水入侵的概念 海水入侵使水质恶化、土壤次生盐渍化，成为沿海地带不可忽视的自然灾害 之一，因此日益受到政府和社会的广泛关注，它既是特定区域的自然环境影响的 结果又是与人类社会的经济活动影响密不可分。本论文在研究海水入侵在砂土中 的速度之前，首先需要知道什么是海水入侵。 对于海水入侵这一概念，迄今为止，国内外学术界没有给出一个统一的定义， 甚至国内外学者对于海水入侵这现象的称呼以及海水入侵问题所包含的研究范 围都存在着不同的看法和认识。国外文献一般称之为盐水入侵( s a l i n i t y i n t r u s i o n ) ， 国内文献则一般称之为海水入侵( s e a w a t e ri n t r u s i o n ) 、海水侵染【l 】、海水内侵、 海水地下入侵、咸水入侵【2 卅、咸水侵染、卤水侵染等很多种叫法，但是无论是国 内还是国外，大多数学者对于这一问题的研究基本上所指的含义和范围都是相差 不大的。通观现今大多数文献，对于“海水入侵”这一名词所接受的人数相对丽 言是比较多的。 以下举出几个较为代表性的海水入侵的概念。例如，国外学者r o b e r tb o w e n 【5 】 ( 1 9 8 0 ) 认为：“在海岸带地区，地下水供求量的增加导致通常的向海径流反向， 第1 章绪论 引起海水向陆渗流，这种现象称为海水入侵”；j a c o bb e a r 6 ( 1 9 8 7 ) 给出：“如 果在沿海含水层中过量抽取地下水，当抽取的地下水量超过了补给量时，海岸带 附近的潜水位( 或者侧压水位) 就会降低，当出现淡水侧压水头低于附近海水楔 形体水头时，界面就会向陆地推进，直到形成新的平衡，这种现象就叫做海水入 侵”；j b e a r 曾给海水下了一个简明的定义【l 】：天然未经扰动的滨海含水层， 其海水和淡水维持一个稳定的界面，当滨海含水层地下水超采，使淡水侧压水头 小于邻近海水碘体的侧压水头时，此界面便开始向内陆推进，直至建立新的平衡， 这种现象称海水入侵；薛禹群【7 】在水文地质工程地质上发表的论文“海水 入侵研究”上认为：如果淡水抽水量超过了它的补给量，使海岸带附近地下水水 头下降到出现淡水体的水头低于附近海水锥形体的水头时，咸淡水界面就要向陆 地推进，直至形成新的平衡，这就是海水入侵：姜嘉礼哆i 在水文上发表的“葫 芦岛市滨海地区海水入侵研究”论文上认为海水入侵是指滨海地区由于超量开采 地下水，导致地下水埋深持续下降，咸淡水的动态平衡被破坏，引起海水直接入 侵淡水含水层的现象。近二十年来，世界上已经有5 0 个国家和地区先后出现了海 水入侵问题【9 j 。 于是我们可以把海水入侵大致总结为海水或者咸水( 盐水) 沿地下孔隙介质 如河口河道和地下含水层等向内陆淡水体渗流、弥散的一种水动力过程，致使带 内地下淡水达到一定深度后含盐量超过实质标准而无法利用。 ( 3 ) 海水入侵的分类【1 0 】 海水入侵区主要分布于基岩海岸的山前地带、海口冲洪积平原及泥砂质海岸 平原地带。海水入侵的分类现在一般主要是按照以下两点分类。 ( 1 ) 根据含水层岩性特征分类。孔隙水含水层海水入侵；岩溶水含水层海 水入侵；裂隙水含水层海水入侵。以上三种类型海水入侵的发生几率依次减少。 一 ( 2 ) 按入侵方式分类。直接入侵，指地下水与海水之间的补排关系发生逆转， 海水或深部咸水体向陆地方向运移扩侵；潮流入侵，指潮汐沿河口上溯，海水从 河岸下渗补给地下水，使地下水咸化；减压顶托入侵，指滨海地区地下淡水水位 下降后，倾伏在下部的咸水向上发生顶托或越流入侵。 砂土中海水入侵速度的实验研究 在同一地区有时多种入侵型交织在一起，构成复杂多变状况。 ( 4 ) 海水入侵的现状和危害 海水入侵是由于各种自然因素( 如气候干旱或海平面上升) 和人为作用( 主要 是过量开采地下淡水和降水量的严重不足) 从而致使海水或咸水( 盐水) 沿地下孔 隙介质向内陆淡水体渗流、弥散的一种水动力过程，其集中表现为淡水资源的日 益短缺和生态环境的逐渐恶化【1 1 1 。它不单单造成了自然环境的恶性循环，而且对 经济也会造成很大的负面作用。 海水入侵的产生除了受地下水自身的环境条件和运动条件等因素影响外，还 跟人为的长期超采地下水等活动有着不可分割的密切关系。海水入侵所造成的后 果，简单来说，就是一旦海水入侵发生，如果继续使用高含量氯离子浓度的地下 水来灌溉，将导致土壤中滞留盐分的增加，即使在含水层接收强烈补给的条件下 也难以消除危害，并且还加剧了土地的盐碱化，对相邻的地区也会产生一定的影 响。 下面主要例举出了三点海水入侵对人们生产和生活所造成的危害n 3 1 ：对 人们饮用水的危害；海水入侵造成的直接后果就是海水入侵造成地下水的污染， 现在很多地区都有报道，因为人们长期饮用了受污染的淡水，导致患呼吸道性疾 病、食道癌、地方性流行病等等疾病和癌症的几率直线上升。对工业的危害： 海水入侵造成的地下水明显盐化使得工业产品质量受到影响，很多工厂的自备水 井和输水管线受到严重腐蚀导致报废，使得管线的更新年限明显缩短，更新取水 设备增加了成本，降低了生产效益，直接影响了工业企业的振兴和发展。对农 业的危害：海水入侵一旦发生，如果继续使用高含量氯离子浓度的地下水来灌溉， 将导致土壤中滞留盐分的增加，即使在含水层接收强烈补给的条件下也难以消除 危害，并且还加剧了土地的盐碱化，对相邻的地区也会产生一定的影响。农田丧 失了生产能力，农民丢掉了赖以生存的土地，农产品产量逐年下降，农产品供应 直接受到了影响，造成社会恐慌，给政府的管理造成巨大的压力。 据初步调查，2 0 世纪8 0 年代以来，我国渤海、黄海沿岸不同程度地出现了 海水入侵加剧现象，其中以山东省莱州湾沿岸最为突出。全国累计海水入侵面积 3 第1 章绪论 达1 0 0 0 k m z 左右，最大入侵距离超过1 0 k m ，最大入侵速率超过4 0 0 m a 。由此造成 的经济损失每年约8 亿元人民币f 1 4 1 。我国山东、河北、辽宁、天津四省市沿海区，7 0 年代出现海水入侵后，发展速度相当快，而且十分严重，结果是该区域土地逐渐 盐渍化，土地生产力随之下降，工农业的发展也受阻。仅莱州市为例【”】，7 0 年代 中只出现零星的海水入侵，7 0 年代末达到1 5 8k m 2 ，8 0 年代初期增到3 9 2k 珀2 ， 8 0 年代中期为7 1 k m 2 ，连续成片，波及整个沿海地区，到8 0 年代末期以达到 1 9 6 2k m 2 ，海水入侵速度很快。海水入侵所危害到的城市之多，面积之大，负面 危害之重，我们不能一一例举，现在仅以大连市为例说明海水入侵的现状和危害。 大连市 1 3 1 町是海水入侵比较严重的城市，并且已经影响到了国计民生，6 0 年代中期开始发生海水入侵，但面积仅有4 2 k m 2 ：而十年后，工农业的大量开采 地下水，而没有及时采取措旌。海水入侵迅速发展。海水入侵已经成为大连市地 下水开发利用出现的主要问题。据1 9 8 1 年统计，海水入侵面积已经达到了 1 7 8 5 k 舻，最大入侵陆地的距离为7 2 5 0 m 。到了1 9 8 8 年，海水入侵面积很快扩展 到了2 2 0 2 5 k m ：，严重影响到了大连市的“三业”与人畜用水问题。 当降水量远不及开采量，地下水的补给速度远远小于地下水的开采速度，必 然要造成海水倒灌，地下水变成，给人们的生活和工农业造成巨大损失。下图1 1 为大连市2 0 0 0 年丰水期与枯水期的海水入侵对比【。 图1 1 大连2 0 0 0 年丰水期和枯水期海水入侵对比 f i g 1 1c o n t r a s to f s e a w a t e ri n t r u s i o ni nd a l i a ni nm n ys e i l s o na n dd r ys e a s o no f 2 0 0 0 4 砂土中海水入侵速度的实验研究 海水入侵较严重的地区和城市还有：秦皇岛、龙口市、山东潍坊市、东营市、 烟台市、郎墨市、青岛市、胶州市、胶南市等等。海水入侵较为严重的国家还有： 美国、英国、法国、荷兰、西班牙、比利时、意大利、德国、葡萄牙、墨西哥、 日本、埃及、菲律宾、印度、巴基斯坦、以色列等等很多国家。海水入侵给世界 各国沿海地区所造成了不可忽视的危害，造成了巨大的经济损失，妨碍了经济的 快速发展，现在很多国家，包括我国都在积极的开展治理和防止海水入侵的研究 和工作。对于海水入侵我们不能一味地等到出现海水入侵时再处理如修堤坝等等， 而要以预防为主，政府部门必须控制地下水的开采量，减缓海水入侵的速度，达 到良性循环。 ( 5 ) 超采地下水引起海水入侵 前已提到，海水入侵是由于各种自然因素和人为作用( 主要是过量开采地下淡 水) 使海水或咸水沿地下孔隙介质向内陆淡水体渗流、弥散的一种水动力过程， 其集中表现为淡水资源的日益短缺和生态环境的逐渐恶化【1 1 1 。经过对大量国内外 学者的文献进行研究，我们可以从中归纳总结出导致海水入侵的最本质的原因是： 滨( 沿) 海地区人为超量开采地下水，引起地下水位大幅度下降，而没有及时地 对地下水进行补给，海水与淡水之间的动态平衡遭到破坏，从而导致了咸淡水界 面向陆地方向移动，使地下水变成，无法使用，造成恶性循环。有些自然因素， 例如气候干旱或海平面上升等等是不可避免，人类无法阻止的，但是海水入侵的 加剧往往在很大程度上是由于人为原因使海水浴地下水系统的水利平衡遭到破坏 而引起的，现在所发现的最主要的人为原因就是由于人们过量开采地下水所造成 的海水入侵日益加重。理论上来说，淡水一般是由陆地向海洋流入，在海岸线附 近与海水相遇形成淡水一咸水界面，而由于海水的密度大于淡水的密度，因此形成 一个楔形体。 随着城乡“三业”的发展及需水量的增加，水源供需矛盾加剧。为了寻求解 决方法，于是人们便无节制地开采地下水。结果使地下水位急剧下降，过量开采 地下水造成海水入侵，污染了供水水质，形成恶性循环。我国大部分滨海城市都 遭受到海水入侵的危害，有些地区长期处于负2 0 多米的深度。负值的出现，必然 5 第1 章绪论 造成海水倒灌，发生海水入侵。据初步调查，我国有近二万公里的海岸线，全国 已发生最大海水入侵距离l o k m 以上。以沿海地区遭受海水入侵危害最为严重，沿 海地区的绝大部分城市以地下水为供水水源。而近年来，随着对外开放、旅游事 业的振兴及工农业的发展，城乡“三业”发展及需水量的急剧增加，为了寻求解 决办法，于是便无节制地开采地下水。结果地下水下降，有些地区长期处于负2 0 m 至负2 5 m 的深度。负值区出现，海水必然造成入侵局面。据不完全统计地下水的 开采量己超过补给量的十多倍。 2 0 世纪8 0 年代以来，由于地下水的过量开采，我国辽宁、河北、天津、山东、 江苏、上海、广西、海南和台湾等省市均发生不同程度的海水入侵加剧现象，其中 环渤海地区比较严重。辽宁省从7 0 年代末开始，庄河丹东、大连、营口、下辽 河三角洲地区、辽西沿岸等沿海岸线，均不同程度的受海水入侵干扰。而有些滨海 平原区许多居民，为了发展农村经济，增加收入，自8 0 年代以来，盲目地发展人 工海水养虾、养海产品、扩建盐田，从而加剧局部地区海水入侵地下水，破坏淡 水平衡系统。而往往为了发展需要，很多地区与部门，在各入海河流上、中游修 建大量水库、塘坝拦蓄地表径流，造成滨海平原地表径流减小，地下水源缺乏， 从而造成地下水位下降、海水入侵。除此之外，人们无节制地于近海处大量挖取 砂土，致使河床标高低于潮水位，助涨海水上溯的入侵和污染。 1 2 研究海水入侵的意义 在我国的沿海地区海水入侵状况普遍存在的，已经成为我国和世界其他地区 沿海地区的重大自然灾害之一，目前已经严重阻碍沿海地区人们的生活、经济的 发展和社会进步。海水入侵造成的危害和损失是巨大的，己成为制约沿海地区社 会经济发展的重要因素，引起了世界各沿海国家的充分重视。 海水入侵的危害是巨大的，主要表现在1 1 小节的海水入侵的现状和危害中已 经提到了三点主要危害 1 2 - 1 3 1 ：对工业生产的影响：海水入侵使工厂的自备水井 遭到破坏而不能使用，或者因使用了海水入侵的地下水，使工厂的设备、管道严 重腐蚀，使用寿命缩短，增加了企业的经济负担；对农业的影响：由于长期使 6 砂土中海水入侵速度的实验研究 用遭海水入侵地下水井浇灌土地，致使土地板、盐碱化，蔬菜产量逐年下降，部 分菜地不得不改为旱田或建设用地；对人民生活的影响：海水入侵使地下水氯 离子浓度上升，水质咸化，部分民用饮用水井报废。致使该地区居民肠胃病发病 率逐年升高，影响了人民身体健康。而且政府为解决居民饮水难问题耗费了大量 的资金安装自来水，给国家增加了经济负担。 从以上三点危害的表现可以看出研究海水入侵尤其是由于地下水超采而引发 的海水入侵问题具有十分重要的科学意义和经济价值。目前，虽然人类不可能从 根本上排除这类灾害，但可以采取一定的措施缓和海水入侵，至少可以减少人类 活动对海水与淡水之间的水利平衡的破坏，减缓海水入侵的加剧速度。不少国家 和地区开展了海水入侵控制的理论研究和实际应用的试验，并取得了若干成果，为 今后进一步研究该类灾害的防治提供了一些富有实践意义的科学依据。 1 3 本文研究目的及主要内容 本论文的主要目的是以实验的方法研究海水入侵速度的变化规律，得出砂土 中海水入侵速度的经验公式。 实验的主要内容如下： ( 1 ) 咸水浓度一定，咸水水位一定的情况下，改变淡水水位，用照像的方法记 录下海水入侵的距离的变化。做三组实验，记录下实验数据，制成e x c e l 表格， 用m a t l a b 对实验结果做数据拟和，就可以明显看出当某介因素改变时，海水入侵 速度的变化规律。 ( 2 ) 咸水水位一定，淡水水位一定的情况下，改变咸水浓度，用照像的方法记 录下海水入侵的距离的变化。做三组实验，方法同上，记录下实验数据，制成e x c e l 表格，用m a t l a b 对实验结果做数据拟和，就可以明显看出当某个因素改变时，海 水入侵速度的变化规律。 ( 3 ) 改变含水介质的渗透系数，重复以上各组实验，可以再做六组实验，记录 下海水入侵的距离的变化，将实验数据制成e x c e l 表格，用m a t l a b 对实验结果傲 数据拟和，就可以明显看出当某个因素改变时，海水入侵速度的变化规律。 7 第1 章绪论 ( 4 ) 应用石原理，无量纲化各影响因素，归纳出各影响因素的函数关系式，根 据函数关系式画出各个影响关系之间的曲线，根据曲线形状符合哪种函数特征来 选取函数形式。 ( 5 ) 应用m a t l a b 软件，对本次论文所做的实验数据进行拟和，利用最小二乘 拟合法求出影响因素之间的函数关系式中的常数值，再将做这几组实验值代入经 验公式形式中，求出常数项，得到经验公式和海水入侵和影响因素之间的关系曲 线，为实际工程做参考。 ( 6 ) 用软件对实验模型进行数值模拟，用实验数据来对数值模拟软件得到的数 据进行分析，得出相关系数，对数值模拟软件进行修正，本次论文将实验方法与 数值模拟的方法并用，使得本研究更加完善。 1 4 本章小结 本章概述了海水入侵的概念、海水入侵在几种情况下的分类、海水入侵的现 状和海水入侵给人们生活和经济所造成的危害以及过量开采地下水造成的海水入 侵的加剧。并且用数据、图表和图片等具有说服性的事实说明了我国一些地区严 重的海水入侵现状以及大部分地区的降水量与地下水开采量的极端不平衡现状， 阐述了研究海水入侵的实际意义。同时简单介绍了本次实验的主要内容与实验手 段方法，使用实验的方法与数值模拟方法并驾齐驱，更加完善了本次论文研究的 内容并且提高了准确性。 8 砂土中海水入侵速度的实验研究 第2 章理论研究 2 1 理论研究相关方面 ( 1 ) 海水入侵的影响因素 国内外众多学者在海水入侵的理论方面做了大量的工作和研究。 对一个事物进行理论上研究之前，我们要先透过现象看本质，先了解发生这 一现象的本质原因，因此在本章对海水入侵做理论的研究侵之前，必须先要知道 是什么致使海水向内陆倒灌和研究海水入侵有哪些自然和人为影响因素。 海水入侵的内在原因。沿海地区含水层中的地下淡水与海水之间存在着一 个水利平衡体系，如果这一平衡体系遭到破坏，必然会改变已有的海水与淡水之 问的现状遭到破坏，它是自然环境所影响的，我们这里不做详细的研究。 海水入侵的外在原因。导致海水与淡水的平衡状态遭受破坏的外在因素有 多方面，可能有水文变化( 地下淡水与海水之间存在的水利联系是海水入侵的物 质基础) 、气象变化( 大多数地区海水入侵的气象变化是因为年降水量的减少) 、 咸淡水密度比的变化( 河流入海水量和地下水补给量减少，直接影响到了咸水浓 度的增大，加速了海水入侵) 、海平面的下降和上升( 全球气候的变暖引起的海 平面上升可增大潮水沿河流的上溯距离，结果也可以诱发海水入侵) 、淡水入海 量的匮乏、降水量的减少导致地下水补给量不足等等自然原因和人为原因。 现今，人为原因公认的最主要的是对地下水资源的无节制的开发、利用，使 地下水日益减少，致使海水倒灌入地下水，破坏成、淡水平衡状态。我国现在很 多地区都是长期超采地下水。近些年来，随着经济的快步发展、世界性城市化步 伐的加快，地下水的超采引起的地面沉降加剧、海水入侵，已经成为突出的世界 性的地质灾害。原来人们一味地发展经济，而不考虑环境保护的准则，已经不再 适用。不考虑环境非但没有推动经济的发展，反而制约了经济向前的步伐，历史 的发展证明，环境问题是伴随着人类活动而存在，并且随着人类活动的加大而发 展，特别是在人口激增和人类正以空前规模开发自然资源的今天，环境问题已变 得更加严峻和紧迫。 9 第2 章理论研究 ( 2 ) 界定海水入侵区 首先我们来分析下如何界定海水入侵区。 严格来讲凡是由于海水入侵而使地下淡水的矿物成分增高的地区，都应视为 海水入侵发生区。c l - 为海水最稳定的常量元素，多数学者将c l 。浓度为2 5 0 m g l 作 为判断海水入侵最直接的单一指标【j 7 1 ，而且测定方法简单，根据其含量比值较容 易计算其它主要化学元素的含量，故采用统一的c l 一含量标准作为海水入侵的评判 依据，这一标准既方便又可信。 i 严重海水入侵区：每升水中氯离子含量超过5 0 0 毫克； 轻度海水入侵区：每升水中氯离子含量在2 5 0 至5 0 0 毫克之间； l 非海水入侵区：每升水中氯离子含量不超过2 5 0 毫克。 另一常用指标是矿化度( t d s ) 【1 3 】，大体范围为1 0 9 l 2 0 9 l 。 是否造成海水入侵和污染的衡量指标还有：电阻率等。 ( 3 ) 超采地下水加速海水入侵的理论依据 地下水是一种宝贵的自然资源，是重要的生态支撑条件与环境要素。在经济 飞速发展的今天，人类开始大幅度开发利用地下水资源，在满足了自身生存发展 的需要的同时，也改变和破坏了自然环境的平衡。改革开放以来，经济飞速发展 的同时，环境质量急剧下降。因地下水超采而引起的水位下降、水资源枯竭、地 面不均匀沉降加剧、大规模市政基础设旋被破坏、地面塌陷、地裂缝和滑坡等地 质灾害时有发生。不仅如此，海水入侵、洪涝灾害也有逐年增加的趋势。这不仅 严重影响国民经济的发展，也危及人类自身的安全。因此要合理开发利用地下水 资源，一定要加强地下水资源管理，提倡节约用水和科学用水，提高用水效率， 压缩地下水的开采量，对地下水开采实行动态控制，打破条块分割，实现地下水 开采协调管理，优化地下水的开采布局。加大自来水管网的建设力度，优化用水 格局。 地下淡水与海水同在一个水循环系统中，它们之间存在着密切的水力联系。 由于普通淡水密度为以= 1 0 9 c m 3 ，普通海水密度为成= 1 0 2 5 9 c m 3 ，所以海水必 i o 砂土中海水入侵速度的实验研究 然形成楔形体伏在淡水体下面。如果暂不考虑海水的回流和淡水入海渗流，并且 把过渡带看作简单的界面，那么海水与淡水的水静力学模型如图2 。1 所示。 图2 1 天然状态下海水与淡水的水静力学模型示意图 f i g 2 1t h es t a t i c sm o d e lo f s e a w a t e ra n df r e s h w a t e ri nn a t u r a ls i t u a t i o n 根据静水压力平衡原理，咸淡水界面上任一点处淡水压强与咸水压强相等， 即： 乜+ 以) “= zr 岛 ( 2 1 ) 式中：乃一为潜水水位：z 一为淡水区海平面以下淡水水深；a 一为淡水密 度；岛一为海水密度。 将淡水和海水的密度代入公式( 2 1 ) 求得： z = 4 0 哆 ( 2 2 ) 由公式( 2 2 ) 可以看出，淡水在海平面以上的水深决定着淡水在海平面以下 的水深，如果吩减小，z 也相应减小，则咸淡水界面向内陆移动，直至形成新的 平衡；相反，如果以增加，z 也相应增加，则咸淡水界面向海域移动，再次重建 平衡。 由公式( 2 2 ) 进一步看出，在超量开采条件下，吩大幅度减小，z 随之成倍 减小，每减少l m ，g , 4 0 m ，结果是海水楔形体增宽增厚，上覆淡水层变 第2 章理论研究 薄，抽水井中就可能抽出咸水，这就造成了海水入侵。事实上，海水和淡水都不 是静止的水体，海水楔形体在浅部会有回流入海，同时淡水还有渗流入海，因此 不存在绝对的海水与淡水突变界面。随着潮涨潮落和地下水位的变动，过渡带还 在不断发生变化。但是这种潮涨潮落和降水增减引起的过渡带的波动是客观存在 的，而且波动的范围是十分有限的，所以现今人为大幅度地降低潜水水位五，淡 水区海平面以下淡水水深z 成倍地骤降，才是加速海水入侵的最主要原因。 2 2 经典理论模型 现在国内外普遍在二维模型和三维模型方面取得了重大成果。模型中以剖面 二维居多，三维模型较少。 二维剖面以矩形网格为主，并且也有四边形和三角形单元网格 三维模型离散单元类型以长方体、三棱柱为主，并且多是水平层状，个别的 实例运用了等参六面体单元。 现在主要存在两种模型：( 1 ) 突变界面模型；( 2 ) 过渡带模型。其中过渡带 模型又分：均质流体过渡带模型；变密度过渡带模型。 地面 突变模型过渡带模型 图2 2 突变界面模型与过渡带模型示意图”】 f i g 2 2t h em o d e lo f b r e a ki n t e r f a c ea n dt r a n s i t i o ni n t e r f a c e ( 1 ) 突变界面模型，它的优点是采用了逐次稳定状态法，相比较精度较好，与 可变有限元网络技术相比也具有较高的效率，并且此模型的研究较久、较为成熟。 1 2 砂土中海水入侵速度的实验研究 当过渡带较为狭窄时可使用此种模型进行研究和计算；它的不足之处在于，界面 假设为稳定流状态下移动的，且假设海水与淡水是不混溶的流体，与实际情况相 差较大，当形成较宽的咸淡水过渡带时，此模型就不再适用。 对于突变界面模型：早在十九世纪末，国外学者们就开展了以海水和淡水为 不混溶流体这一假设基础上的突变界面模型研究。g h y b e n ( 1 8 8 8 ) 和h e r z b e r f ( 1 9 0 1 ) 假设海水和淡水为非混溶流体，将淡水和咸水之间的平衡作为静平衡来 进行研究，由静力压强分布求解突变的界面的问题。实际上，该平衡为动力平衡， 咸水和淡水都是流动的，因为咸水的动力粘滞系数大予淡水，所以就其流动速度， 淡水远大于咸水，因此这种理论有一定的局限性。为了解决这一局限性，很多学 者作了大量各种状态下的研究【1 9 l ：如l t u b b a t ( 1 9 5 3 ) ，h e n r y ( 1 9 5 9 ) ，g l o v e r ( 1 9 6 4 ) ，c l u m b u s ( 1 9 6 5 ) ，k a s k e f ( 1 9 6 7 ) 等人分别采用保形影射法、速度矢端曲 线法、水力学法、裘布依假设近似法等，并且结合室内试验和野外试验来模拟稳 定流状态下的淡水与海水突变界面。我国学者姜效典、王硕儒，在1 9 9 4 年提出了 用b 样条函数方法求解咸、淡水分界面的原理、方法和步骤，该方法原理简明，易 于实现，并且计算可靠。 g h y b e n ( 1 8 8 8 ) 、p i n d e r l z o 和p a g e ( 1 9 7 6 ) 、b e a r l 2 ”( 1 9 7 9 ) 对存在突变界 面的情形给予了完整的数学描述。设海水区域中的水头分布为吃，淡水区域中的 水头分布为h ，它们满足的方程为： 墨2 警钾铲o ，吼2 - k , v h , ( 2 3 ) 量鲁冉酊_ o ，g ，2 - 七，v _ ( 2 4 ) 式中：、砖、q s 、母、g ，一分别是海水区和淡水区的比储水系数、 水力传导系数和达西流速； v 一为梯度算子v = 丢，+ 未，+ 昙后；c c c卯c 譬 第2 章理论研究 j ，- ，膏一是坐标轴上的单位向量。 ( 2 ) 过渡带模型，它的优点是模型的假设与实际情况较为接近，比突变界面模 型更具有普遍性。数值方法是合适的、有效的，计算结果是令人满意的；它的不 足之处在于，计算用时久，过渡带混合易引起数值上的分散。三维含水层、弥散 系数等测量不可靠。 过渡带模型：研究最早由p i n d e r 等人提出，他们提出了h e r r y 模型的有限 元数值解，h e r r y 模型是h e r r y e z 2 于1 9 6 4 首次发表的承压稳定流动条件下剖面上 浓度分布的解析解，并且首次提出了海水的环流现象【2 3 】。这之后s e g o l ，p i n d e r 和g r a y 用有限元法求解了非稳定流状态下盐分浓度在剖面上的二维分布1 2 4 。 h u y a k o n ! 捌等探讨了海水入侵三维模型的有限元法，提出了用逆风式有限元求解 对流占优势的海水入侵问题的建议o ”。 我国对于海水入侵的研究相对来说比较晚些，直至1 j 1 9 9 1 年薛禹群建立了第 一个符合当地实际情况的x - z 二维、三维海水入侵的数学模型，所用到的数值方 法合理、有效、计算结果比较令人满意，能为我们研究地下水开采条件下的海水 入侵、成一淡水界面移动的预测提供科学依据。还有众多学者在海水入侵的理论研 究方面作了大量的工作和贡献，如陈鸿汉f 2 7 1 等针对海水入侵运移过程中的水动力 学特征和化学动力学特征，推导了水动力一化学动力耦合的盐分运移对流一弥散方 程。成建梅呷1 建立了三维变密度对流一弥散水质数学模型来研究山东烟台夹河中、 下游地区海水与淡水界面的运移规律，此外还预测了几种情况下地下水的水质演 化趋势，为防止和减轻夹河地区海水入侵提供合理、科学的依据。 且前对这类模型的研究多集中于二维垂直剖面情形，因为三维模型的研究较 为复杂难懂，所以三维模型研究方面的成果相对来说少了些，但是已经有人给出 了海水入侵问题的三维有限元解法，给我们对于海水入侵模型方面的研究带来了 指路灯，指明了道路。 因此我们对于海水入侵问题模型的三维模型研究需要投入更多的努力，使得 海水入侵问题的研究日趋完善。 1 4 砂土中海水入侵速度的实验研究 2 3 基本理论 静力学理论口埘 j c o m m u n ( 1 8 2 8 ) 、b o d o n - g h y b e n ( 1 8 8 9 ) 、h e r z b e r g ( 1 9 0 1 ) 三人独立给出海水 入侵时咸淡水界面上任意一点在海平面下深度z 的表达式； z ：鱼m ， 织一只。 ( 2 。5 ) 式中；一淡水水头；z 一淡水区海平面以下淡水水深； 岛一淡水比重；岛一海水比重。 o 渗流理论 根据水力学原理，每个截面上单位质量流体的能量e 由压力能、势能和动能三 部分组成， 弧弘4 p 髟+ 等 其中，z 一是至地面的高度： p 一是对应高度上的压力。 或者用总水头表示： ：三：卫+ ：+ gp g2 9 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 上式中，动能项；与其它项相比可以略去，将上式用于五= 三和乞= 0 两个 ，p 高度上，则有五一乃5 工，于是有啊一吃= 三十旦矛 将上式代入q = 七4 华中， 得到： 巾号“( + 学 “( 型挫) c z s ， 第2 章理论研究 圆渗流与弥散理论 2 町 渗流与弥散理论相结合。g l o v e r ( 1 9 5 9 ) 、c o o p e r l 2 9 】( 1 9 5 9 ) 、h e n r y ( 1 9 6 2 ) 等 人对美国、荷兰、以色列等地区的成淡水混合带或者过渡带进行了研究，用可混 溶流体的对流弥散方程替代了不可混溶流体的突变界面表达式。从数学上联立求 解渗流微分方程和弥散微分方程，这两个微分方程适用于所有地区，其在海水入 侵地区的边界条件和初始条件下的解( 一般用数值法求解) 可间接展示海水入侵 的过程，为此需要对具体研究区不同时刻的求解结果进行追踪对比。这样，海水 入侵的特殊规律隐藏在这组微分方程的解之中，普遍适用的方法反而掩盖了特殊 规律。 动力学理论口8 】 渗流与弥散耦合理论，研究时把弥散视为与渗流对立的因素，从物理上分析 了渗流与弥散互相抗衡或迭加的关系，两者间平衡的破坏和重建构成海水入侵全 过程的本质，直接讨论咸淡水过渡带运动的动力和过程，显示海水入侵的特殊规 律，使之具有直观的性质，故称为海水入侵的动力学理论，即为渗流与弥散耦合 的理论，在这一基础上建立了海水入侵的基本理论。 2 4 海水入侵动力原因与边界问题 本次实验根据海水入侵的几种动力原因进行研究，模拟真实海水入侵的理想 化情况。海水入侵的动力原因主要有： 海水与淡水之间的浓度差引起了海水向内陆入渗流。 根据压强公式：p = p g h ；在这里g 必然相同，当淡水与海水在同一深度的 情况下，即h 也相同下，因为海水密度只大于淡水密度成，所以必然会造成海 水向内陆渗流。此外，在刮强劲的海风时，海面上和淡水浅埋区( 在承压水则为 补给区) 的气压差通过在水体内的传递也能引起海水向内陆渗流。 本次实验用改变海水浓度的方法来研究海水入侵的变化状况，研究海水浓度 改变与海水入侵速度的变化关系。 同理根据渗流理论和压强公式，当海水浓度不变的情况下，改变深度h 1 6 砂土中海水入侵速度的实验研究 时，研究与海水入侵速度的变化关系。 ， 海水与淡水中的盐的浓度差引起的海水向内陆弥散。 海水与淡水间的浓度差会直接引起海水向内陆扩散，在向内陆扩散的过程中， 由于介质通道的不均一性引起了力学弥散，扩散和力学弥散合称为弥散。正是这 个弥散造成了海水与淡水之间的过渡带( 第二个基本事实) 和入侵海水向大海的 回流。 但是，海水入侵不会无限发展，这是因为海水与淡水的水位高程差不同，往 往都是淡水水位比海水水位一般都高，使得淡水向海水补给( 例如河流入海) ，达 到海水与淡水之间的自然平衡。人类活动往往使海水与淡水之间的自然平衡遭到 破坏，人类对地下水的过量开采，使淡水水位急剧下降，这样就必然致使海水倒 灌。因此，本次实验主要研究的就是因为地下水的严重超采使得地下水水位下降 和气候干旱( 但是主要原因是超采地下水) ，所引起的海水入侵路径与速度的变化 情况。并且将数据输入计算机，对其做数值拟和，绘制成为直观曲线，使得我们 能更直观地了解，当人类超采地下水时，海水入侵速度的急剧增长。 海水入侵的边界问题：海水