（水文学及水资源专业论文）海岛淡水透镜体形成与演化规律的物理模拟.pdf

河海大学硕士学位论文海岛淡水透镜体形成与演化规律韵物理模拟 摘要 本文以西沙群岛某海岛为研究对象，对其淡水资源现状进行分析，根据海岛 唯一的地下淡水资源一淡水透镜体的形成原理，构建室内物理模型，对淡水透镜 体形成与演化规律进行了分析研究，具体内容如下： ( 1 )对从研究区域采集的珊瑚砂含水介质的孔隙度、渗透系数、给水度、 弥散系数进行室内实验测定。分析含水介质水文地质参数的特殊性，为进行相应 的数学模拟提供参数； ( 2 )根据淡水透镜体的形成原理，分析对其影响的主要因素，制作相应 实验装置，对淡水透镜体的形成过程及在开采条件下的演化规律进行了两次模拟 实验，采用s u r f e r 软件，结合测得水样的电导率值数据描绘透镜体的形状特 征，倒锥的形成过程，确定开采量与倒锥位置之间的关系。 实验分析结果表明，珊瑚砂含水介质不同于陆源砂土，其具有颗粒大小不均 且砂样成分以租颗粒( 粒径在2 5 m m 之间) 为主、结构疏松、给水性好、渗透 系数大等特点；在淡水透镜体形成的过程中，累积降雨入渗补给量是关键因素， 两次实验中，补给量不同的情况下形成的透镜体的厚度也不同，第一次实验中淡 水透镜体厚度约为2 6 c m ，淡水资源量o 7 7 m 3 ，第二次实验中淡水透镜体厚度约 为2 2 e r a ，淡水资源量0 3 2 3 m 3 ；由于开采井的布设方式对开发利用淡水透镜体淡 水资源至关重要，两次实验中采用不同的开采方案，第二次实验中开采井的滤网 长度为第一次实验中开采井滤网长度的1 4 ，结果第二次实验中可开采淡水资源 量占淡水总量的2 2 3 。大于第一次的实验结果i8 ，超过此开采量，咸水入 侵开采井，淡水透镜体遭到破坏。 上述结论对海岛地区地下淡水资源的合理开发利用的研究有着重要的意义， 也为相关的数学模拟研究提供了计算条件和基础 关键词：淡水透镜体，水理性质，物理模拟，倒锥 河海大学硬士学位论文 海岛淡水透镜体形成与演化规律的物理模拟 a b s t r a c t t h i sp a p e rt a k e s 锄i s l eo f x is h ai s l a n da ss t u d yo b j e c t ，i nw h i c ht h ea c t u a l i t yo f 丘e s hw a t e rr e s o u i c e si sa n a l y z e d ，b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h ef o r m a t i o no f 疗e s h w a t e rl e n sw h i c hi st h eo n l yf r e s hw a t e rr e s o u r c e so ni s l e ，t h ep h y s i c a lm o d e li nl a b w a sb u i l tt oa n a l y z et h ef o r m a t i o no f f r e s hw a t e rl e n sa n dt h el a wo f i t se v o l u t i o n 1 1 c o n c r e t ec o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) d e t e r m i n i n gt h ep o r o s i t y ，p e r m e a b i l i t y ，s p e c i f i cy i e l da n dd i s p e r s i o n c o e f f i c i e n to fc o r a ls a n dc o l l e c t e df r o ms t u d ya r e ab yi n d o o re x p e r i m e n t s ，a n a l y z i n g t h ep a r t i c u l a r i t yo fh y d r o g e o l o g yp a r a m e t e ro fa q u i f e rm e d i u m t h e s ep a r a m e t e ra r e h e l p f u lf o rn u m e r i c a lm o d e l i n g ； ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ef o r m i n gp r i n c i p l eo ff r e s h w a t e rl e n sa n dc o n s i d e r i n gt h e m a i nc o n t r o lf a c t o r so nf r e s h w a t e rl e n s , t h ef o r m a t i o np r o c e s sa n de v o l u t i o nu n d e rt h e p u m p i n gc o n d i t i o no ff r e s h w a t e rl e n sh a v eb e e ns i m u l a t e dt w i c et i m e sb ys e l f - m a d e e q u i p m e n t t h es h a p e f e a t u r eo ff r e s h w a t e rl e n sa n dt h ef o r m a t i o np r o c e s so f u p e o n i n ga r ed e s e r i h e db ys u r f e rw h i c hi sb a s e do nt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yd a t a o fw a t e rs a m p l e s t h er e l a t i o nb e t w e e ny i e l da n dt h el o c a t i o no fu p c o n i n gi s d e t e r m i n e da f t e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w s ，c o r a ls a n di sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h el a n ds a n d ，i t s m a i nc o m p o n e n ti sc o a r s e g r a i n ( t h ed i a m e t e ri s2 - 5 m m ) ，a n di th a st h ec h a r a c t e r i s t i c o f l o n s ef r a n f i e w o r k ，w e l ls p e c i f i cy i e l da n dl a r g ec o e f f i c i e n to f p e r m e a b i l i t y d u r i n g t h ec o u r s eo ft h ef o r m a t i o no ff r e s h w a t e rl e n s ，t h ec u m u l a t i v er e c h a r g ef r o mr m n f a l l i n f i l t r a t i o ni st h ek e yf a c t o r , i nt h et w oe x p e r i m e n t s ，t h ed i f f e r e n tr e c h a r g ev o l u m e f o r m a a e dd i f f e r e n tt h i c k n e s so ff r e s h w a t e rl e n s ，t h ef i r s tt h i c k n e s so fi sa b o u t2 6 c m a n dt h ev o l u m eo ft t l e 行e s hw a t e ri so 7 7 m 3 , a n dd u r i n gt h es e c o n de x p e r i m e n t ，t h e t h i c k n e s so fi sa b o u t2 2 c ma n dt h ev o l u m eo ft h ef r e s hw a t e ri s0 3 2 3 m 3 ；s i n c et h e l a y o u t m e t h o di sv e r yi m p o r t a n tt oe x p l o i ta n du t i l i z et h ef l e s hw a t e ro ff r e s h w a t e r l e n s ，t w oe x p e r i m e n t su s et w od i f f e r e n tp u m p i n gp r o j e c t ，t h ef i l t e rs c r e e nl e n g t ho f t h ep u m p i n gw e l l so f t h es e c o n de x p e r i m e n ti so n l yo n eq u a r t e ro f t h ef i r s te x p e r i m e n t ， 河海大学硕士学位论文海岛淡水透镜体形成与演化规律的物理模拟 a n dt h ee x p l o i t a b l ey i e l do ff r e s hw a t e ri s2 2 3p e r c e n to ft h ew h o l ef k s hw a t e r i s 1 gp e r c e n tm o r et h a nt h er e s u l to ft h ef i r s te x p e r i m e n t e x c e e d i n gt h ev o l u m e ，t h e s a l tw a t e ri n t r u d et h ep u m p i n gw e l l s ，a n dt h ef r e s h w a t e rl e n si sd e s t r o y e d t h ec o n c l u s i o n sa b o v ea r eo fg r e a ts i g n i f i c a n tt ot h es t u d yo fr e a s o n a b l e d e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fg r o u n df r e s h w a t e rr e s o u i c e si ni s l a n d ，m e a n w h i l e ， s u p p l y i n gs i m u l a t i n gb a s ef o rc o r r e s p o n d i n gs t u o yo f n u m e r i c a lm o d e l i n g k e yw o r d s ：f r e s h w a t e rl e n s ，h y d r o l o g i c a lp r o p e r t i e s , p h y s i c a lm o d e l i n g ，u p c o n i n g v 河海大学硕士学位论文 海岛淡水透镜体形成与演化规律的物理模拟 和舌 我国有漫长的海岸线和众多海岛，分布于我国大陆沿海大陆架、大陆斜坡及 深水海盆地中的岛屿共有5 0 0 0 多个，面积大于5 0 0 平方米的岛屿就有6 5 0 0 多个， 大多数因缺乏淡水水源而无法居住和开发，有常驻居民的岛屿4 0 0 多个。也普遍 存在缺水问题。这些海岛大多没有地表积水，全靠地下水来维持岛上居民的生活， 而且海岛地下淡水系统与盆地地下水资源系统相比，具有其独特的补给、径流与 排泄特点以及水动力学特征，即地下淡水需要保持向海水的一部分排泄量才能与 浓度驱动下的盐分向内陆方向的扩散得到平衡，形成相对稳定的咸淡水过渡带。 由于这一特点，海岛地下淡水资源评价具有独特性，即一方面可开采利用的资源 量小于补给量，另一方面如何布置开采方案与海水入侵密切相关。同时，随着我 国沿海地区经济的高速发展与国防现代化的加速，越来越多的远离陆地的海岛成 为国防与海洋资源开发的基地，海岛的淡水资源供需矛盾日益突出，大部分海岛 发生了海水入侵等环境地质问题，严重的制约了岛上居民的生活、生产用水问题。 因此，对海岛地下淡水资源的形成进行研究，制定合理的开发利用和管理方案具 有重要的理论意义和实用价值。 在上述背景下，基于国家自然科学基金项目“珊瑚岛礁淡水透镜体的数值模 拟与开发战略研究”，对西沙群岛某海岛的地下淡水资源一淡水透镜体的形成及 演化过程展开了相关研究。 研究岛屿位于西沙群岛东北部宣德群岛的一个礁盘上。是堆积在礁盘西南部 质地松散的新灰沙岛，也是南海2 0 0 个岛屿中面积最大的一个岛。所研究岛屿地 势低平，年降雨量虽丰富，但土质孔隙度高，渗透性强，无地表径流，岛上的淡 水主要靠舰船从海南岛运送供应，成本较高，淡水资源非常短缺二十世纪九十 年代，海军后勤部等单位发现了岛上宝贵的地下淡水资源一淡水透镜体，经过长 达l o 年的野外勘测研究首创了珊瑚岛礁淡水透镜体的科学理论体系和开采技术 工艺，这为海岛地下淡水资源研究工作的进一步深入开展奠定了基础。 本文首先对从研究区域采集的原状砂样进行了室内试验测定，依据土工试 验规程对砂样进行颗粒分析，测定其孔隙度、给水度和渗透系数，并采用一维 连续注入浓度己知的氯化钠溶液的方法测定砂样的弥散系数，这些参数的获取为 河海大学硕士学位论文海岛淡水透镜体形成与演化规律的物理模拟 建立研究区域淡水透镜体数学模型提供了必要的基础。其次，根据淡水透镜体形 成的原理建立与研究区域相似的水文地质物理模型，模拟降雨补给条件下，淡水 透镜体的形成过程，并模拟了无补给条件下，持续开采对淡水透镜体的影响，观 察倒锥的形成过程，得出开采量与淡水透镜体下界面( 咸淡水分界面) 变化的关 系，从而确定保护淡水透镜体不被击穿的临界开采量。这一结果不仅为数学模型 的验证提供了数据基础，也为岛上淡水资源的实际开发利用提供了理论基础。 由于水平有限，文中不当之处敬请各位老师和专家批评指正。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任 论文作者( 签名) ：勤、丝 护盼；月历日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：咝鳃年；月彩日 河海大学硕士学位论文 海岛淡水透镜体形成与演化规律的物理模拟 第一章绪论 1 1 研究背景 世界上的淡水储量非常有限，虽然地球表面积的3 4 被水所覆盖，总储量约 为1 4 亿k m 3 , 但是淡水仅占2 5 3 ，其中可供人类利用的只有0 6 4 。我国的淡 水储量为世界平均值的l 4 ，属于全球人均水资源最贫乏的国家之一，特别是， 分布于长达1 8 0 0 0 k i n 海岸线的诸多海岛，如长山，庙岛、舟山，澎湖、东沙、 西沙、中沙、南沙群岛，淡水资源更为稀缺f 1 1 。例如位于我国辽宁省长海县的长 山群岛，其中大长山岛为县政府所在地，距离大陆约3 0 k r a ，岛上淡水严重缺乏， 县政府曾投资1 0 0 万元修筑了雨水库，居民2 - 3 天才供水一次；另一较小的獐子 岛。约有1 5 0 0 户人家，不足2 0 0 0 人，该岛每月定量供应地下水3 次，每次2 小时，供水量勉强可供2 3 口人家使用，年交水费1 5 0 0 元。如果一家4 - 5 口人， 每月还需以1 0y r _ i m 3 的高价购买1 0m 3 的淡水，年需水费5 0 0 0 元，当地居民在 严重缺水时，连从房檐滴下的露水也要接同去利用。再比如我国远离大陆的南沙 群岛，由数十个礁岛组成，其中较大的永署岛相距海南岛约有1 0 0 0 多公里，守 岛部队的用水靠两艘排水量为4 0 0 0 t 的运输船每月送一次，水量1 5 0 0m 3 ，然而 由于航程远、运输困难，有时年只能运4 次，远远不能满足部队需要。 水资源的短缺，严重制约了海岛的开发，事关国家权益。我国面积大于5 0 0 平方米的岛屿有7 3 7 1 个【2 】( 包括台湾省的2 2 4 个海岛) ，大多数因缺乏淡水水源 而无法居住和开发，有常驻居民的岛屿4 0 0 多个，也普遍存在缺水问题。随着我 国沿海地区经济的高速发展与国防现代化的加速，越来越多的远离陆地的海岛成 为国防与海洋资源开发的基地，海岛水资源供需矛盾日益突出，而南于过量开采 地下水以及人为污染等因素，部分海岛地下水水质恶化，水源枯竭【3 】，这问题 已经成为制约海岛开发与利用中经济、资源和环境可持续发展的瓶颈。研究海岛 淡水资源的形成并制定合理的开发利用与管理方案，缓解海岛居民用水紧缺问 题，具有重要的理论意义和实用价值。 与大陆水资源不同，海岛岛屿的水资源具有其特殊性。就总体而言，海岛面 积小，补给米源有限，不仅汇水条件差，难以形成地表径流，周边还受到海水 入侵的威胁【4 】因而，地下水成为海岛主要的供水水源。由于海岛特殊的地质 河海大学硕士学位论文 海岛淡水透镜体彤成与演化规律的物理模拟 条件，其地下淡水多以漂浮于咸水之上的透镜体的形式存在，这一地下淡水资 源成为多数热带岛屿主要的供水水源【5 】。对于面积小的海岛，淡水透镜体比较 薄，可能只在雨季存在，旱季就消失；对于厚度较大的淡水透镜体，由于过度 开采或者开采井布置不当使得淡水水头急刷下降，咸淡水过渡带进入开采井中， 海水入侵形成“倒锥”，透镜体遭到破坏1 6 】o 因此，掌握淡水透镜体的形成过程， 布置合理的开采方案对海岛地下淡水资源开发利用具有重要的意义。 1 2 国内外淡水透镜体研究现状 1 2 1 国外对淡水透镜体的研究现状 ( 1 ) 淡水透镜体的形成 2 0 世纪9 0 年代初，g h y b e n 和h e r z b e 唱分别于1 8 8 8 年和1 9 0 1 年在荷兰和 德国独立的提出了计算地下淡水一海水交界而的方法，即著名的 g h y b e n - - h e r z b e r g 公式此公式常被应用于确定淡水透镜体的几何边界。 g h y b e n - - h e r z b e r g 公式假定淡水透镜体与海水之间处于静水平衡状态，潮汐等 其它因素的影响都忽略不计。1 9 7 2 年，b e a r 等人将d a v y 定律、连续方程和裘 布依水平流的假设与g h y b e n h e r z b e 唱公式相结合，得出了计算淡水透镜体厚 度较为精确的d u p u i t - - g h y b e n - - h e r z b c r g 公式叭。1 9 9 2 年，美国科学家v a c h e r 等人利用了考虑裘布依假定的g h y b e n - - - h e r z b e r g 模型对巴哈马的b e r m u d a 和 g r e a te x u m a 岛进行了模拟计算，发现虽然两岛具有相同的含水层情况，但由于 气候条件的差异，淡水透镜体的形态相差却很大1 ”】。应用d u p u i t g h y b e n - - h e r z b e r g ( d g h ) 公式确定淡水透镜体厚度时视咸淡水交界面为突变界 面，而实际观测中的海水与淡水的分界面是一个较厚的微咸水的过渡带亦称混合 带，因此考虑裘布依假定的g h y b e r r - - h e r z b e r g 公式也具有一定的局限性。1 9 9 0 年，美国科学家h e n r y 和b a r b a m 采_ h j 电法和观测地下水位的方法对纽约长岛的 淡水透镜体进行了实地调查，研究结果表明将咸淡水之问的过渡带视为突变界 面，在静水平衡条件下计算出的淡水透镜体的厚度比实际厚度要大，对海岛地下 淡水资源总量的评价就会偏高，进而导致地下淡水的过量开采【l ”。近来，在此 领域以及模拟海岸带地区，过渡带很厚的变密度水流时把d g h 公式计算出的过 渡带厚度作为混合带的上半部分处理1 1 3 ”j 。 河海大学硕士学位论文海岛淡水透镜体形成与演化规律的物理模拟 淡水透镜体的物理尺寸及盐度分布实际上受到多种因素的影响，包括气候、 水文地质、潮汐、植被、地质因素等。其中最主要的因素为降雨量的时空分布、 来自土壤和植被的蒸发、植被类型( 根系深入土壤中的深度) 、岛屿大小、含水 层的渗透系数和孔隙度的大小、潮汐影响的范围以及开采量l l “7 】，而g h 公式 和d g h 公式没有考虑到以上因素对淡水透镜体的影响。1 9 8 8 年，o b e r d o r f e r 和 b u d d e m e i e r 建立了考虑降雨量和岛屿大小因素的计算淡水透镜体厚度的经验公 式i t s ) ，通过与实际观测比较，此公式计算出的淡水透镜体的厚度偏小，对于开 采而言偏于安全【i 卅i 。美国科学家a l e xg 采用t o u g h 2 水文学模型方法，在考虑 了岛屿渗透系数、降雨入渗补给量及孔隙度的基础上模拟了淡水透镜体的形状， 并计算了过渡带的厚度【2 0 1 。不仅自然凶素对淡水透镜体产生影响，人类活动也 间接的影响了淡水透镜体的厚度，j a m e s 和s a r a h 通过采用s e a w a t 软件l z lj 模 拟了降雨的时空分布、人类活动( 开采) 、海岸带侵蚀【2 2 1 对美同佛罗里达州的 两个岛的淡水透镜体厚度的影响，模拟结果表明海岸侵蚀和降雨对淡水透镜体的 厚度影响最为显著田1 。 将所有对淡水透镜体形成起主要影响作用的因素统一起来，结合地下水流运 动公式，建立一个新的海岛地卜淡水运动的方程，目前还没有人尝试过，即使采 用了大量的数值模拟方法也未能模拟出在淡水透镜体形成过程中，诸多冈素同时 对其产生的影响f 卅。基于年净辐射及降雨的一种长期的近似于水均衡的方法得 到了较好的应用 2 5 - 2 6 1 ，在模拟计算热带岛屿淡水透镜体厚度时，这种方法可以考 虑到对淡水透镜体影响尽可能多的因素，并取得了较好的计算结果f 2 。瑚。 ( 2 ) 淡水透镜体的开发利用 不管是借助解析法、数值模拟法还是水均衡法计算海岛淡水透镜体的厚度， 其口的都是为了很好的开发利用这一宝贵的地下淡水资源。对于许多热带海岛而 言，位于地面以下、海水入侵带以上的淡水透镜体是维持岛上居民用水的主要甚 至唯一的淡水资源【2 9 1 ，过度的抽取淡水会导致海水入侵，咸淡水的交界面形成 “饲锥”，透镜体内淡水含盐量增大，超出饮用水标准i 划，如果得不到及时的 补给，淡水透镜体则会消失，淡水资源枯竭。 “倒锥”是种复杂的现象，与淡水透镜体形成的研究时间相比，这方面的 研究起步较晚，直到近些年才涌现出许多关于开采对淡水透镜体带来影响方而的 河海大学硕士学位论文 海岛淡水透镜体形成与演化规律的物理模拟 著作。b e a r 等人最初根据海岸带海水入侵的原理，建立了研究淡水透镜体咸淡 水交界面倒锥的突变界面的近似模型【3 l 啦】，在达到临界抽水量时，突变界面呈现 出非稳定的倒锥形状，抽水量稍有增大都会使得咸水进入开采井内，在这种条件 下，淡水透镜体与海水的交界面为突变界面的假设就不成立，基于此建立的模型 也就不能应用。因此，许多学者开始尝试用解析法、现场试验、数值模拟法来确 定突变界面的位置及临界抽水量。 b o w e r 等人采用了解析法和数值分析法推求均质含水层、稳定流条件下倒锥 的位置1 3 3 - 3 6 ；d a g a n 和z e i t o u n 建立了非均质含水层、考虑渗透系数随机分布条 件下，咸淡水界面出现倒锥时的解析式1 37 l ：l u c a s 等人应用边界积分方程的方法 计算了多孔介质中，两种流体呈轴对称运动条件下倒锥的位置【s s - ；9 1 。 研究野外实地复杂条件下，开采淡水引起的倒锥问题时，数值模拟成为强有 力的工具。n u t b r o w n 应用了一维模型模拟抽水带米的影响”o 】：s a h n i 采用了基于 有限差分方法的模型，模拟了倒锥的形成【4 l 】；p a d i l l a 和c r u z s a n j u l i a n 使用了较 为复杂的有限差分模型模拟抽水对透镜体的影响【4 2 】；f o r b e s 等人采用 s p e c t r a l g a l e r k i n 方法计算了圆形岛屿咸淡水交界面的形状1 4 ”，通过模拟不同开 采量卜透镜体的变化，得出了防止海水进入抽水井的临界开采量：h o c k i n g 和 f o r b e s 利用格林函数的方法计算并模拟了开采井呈线性布置时，倒锥的形状及变 化情况，并通过改变抽水井的位置模拟计算出了海水进入开采井前，淡水透镜体 最大的可开采量l 删；h a j t j e m a 采用解析元模型研究了理想情况下，考虑两种不可 混融流体的密度和粘度，在其中一种流体中开采时交界面的变化【4 5 j 。 不管是采用解析法还是数值模型方法，上述研究均假定咸淡水交界面为突变 界面，而突变界面模型往往忽略了水动力弥散对倒锥的影响，且模拟计算山的l 临 界开采量过大【4 “毗。将咸淡水交界面视为过渡带的模型，考虑了水动力弥散对倒 锥的影响，盐分随着地下水流的运动而运移，流体的密度发生变化，只有借助数 值模拟方法才能求解非线性、双重水流、盐分运移方程。 d i e r s c h 等人根据有限元代码f e f l o w 对圆柱形岛屿内淡水透镜体开采山现 倒锥进行了局部模拟1 4 9 ；r e i l l y 和g o o d m a n 采用s u t r a 软件研究了同样的问题 i s 0 ，与突变界面模型模拟的结果对比，突变界面模型模拟的临界开采量偏大， 不利于淡水透镜体的保护；m a 等人应用s w i f t - i i 软件研究了位于基岩微咸水含 河海大学硕士学位论文 海岛淡水透镜体形成与演化规律的物理模拟 水层之上的冲积含水层内咸水的倒锥问题l s z ，m u h a m m a d 等人应用了 m o d f l o w 和m t 3 d 软件模拟了巴基斯坦p u n j a b 岛屿成淡水交界面运动的情 况，对开采井深入淡水透镜体内的深度、开采量、透镜体的厚度、开采井滤网的 长度及日抽水时间作了灵敏性分析，提出了适合于p u n j a b 岛屿淡水透镜体的最 佳开采情况哪! 。 对因不适当开采淡水透镜体引起的倒锥问题，借助突变界面模型或者过渡带 模型，大都致力于临界开采量的确定研究，很少有人关注限制开采后倒锥的衰退 变化z h o uq u a n 1 i n 等人借助f e a s 程序代码对停止开采后，倒锥的消退情况 进行了模拟，结果表明倒锥的消退不仅与过渡带的纵向弥散系数有关，横向弥散 系数对消退过程也有影响，弥散系数越小，抽水时间越长，倒锥的消退时问越短， 掌握倒锥的消退过程对恢复被咸水入侵的淡水透镜体及淡水资源的重新利用具 有至关重要的作用【堋。 1 2 2 国内淡水透镜体研究现状 国内对海岛淡水资源的研究起步较晚，且大多把重点放在海水入侵方面。 1 9 8 7 年，庞忠和及高明对位于我国i i i 东半岛和辽东半岛之间的庙岛群岛的基岩 裂隙水进行了考察，提出了适用于我国东部沿海基岩海岛的地下淡水蘑菇体( 即 淡水透镜体) 新模式，以新构造控水为指导思想，指出了地下水资源开发方向， 并且结合生产实际比较有效的解决了庙岛群岛找淡水难的问题1 4 l ；1 9 9 5 年，龚士 良对嵊泗海域含水层进行了水文地质调查，通过水质分析得知嵊泗海域1 4 4 1 5 5 m 的深度下j 。泛分布有淡水体，且这一淡水含水层位于海水之下，这一发现 对在海域寻找淡水资源具有重要的引导意义【5 5 j ；同年，李国敏等通过对岸边地 下水动态分析等方法，获取涠洲岛含水层的有关参数，结合全岛三维有限元数值 模型，初步模拟了海水入侵的动态过程，对制定涠洲岛地下淡水透镜体的开采规 划和控制海水入侵提供了依据嘲；1 9 9 6 年，许红对西沙群岛生物礁地下淡水的 来源、可能成因和赋存条彳，i ：进行了初步讨论，提出礁体与基岩连通，j 占代淡水进 入基岩，依靠降雨补给形成早期的淡水透镜体1 5 刀；1 9 9 9 年，工举平对广西涠洲 岛地下淡水透镜体的水文地质特征和地下水资源进行了勘奄，根据当前对淡水透 镜体开发利用中出现的问题提出了减小日开采量、将开采钻井尽量布置住靠近岛 屿i 1 部的地方等保护对策1 5 5 - 5 9 l 。 河海大学硕士学位论文海岛淡水透镜体彤成与演化规律的物理模拟 李国敏等人虽然在早期对淡水透镜体就展开的一系列的研究，但其研究重点 侧重于海水入侵方面，对淡水透镜体的形成及演变过程研究甚少。1 9 9 9 年，周 从直等建立了基于质量守恒和d a r c y 定律的数学模型，模拟了研究区域淡水透镜 体的演变过程，计算了淡、海水界面的坐标，为确定开采水量和开采强度提供了 依据i ”j ：其后，周从直等又用质量守恒、d a r c y 定律和g h y b e n h e r z b e g 关系导 出了淡水透镜体的数学模型，用有限差分法计算了研究区域淡水透镜体的包络 面，与实测值比较误差在3 1 5 之问 6 h ：2 0 0 6 年，梁恒国等对西沙群岛某岛 屿淡水透镜体的形成机理作了分析，叙述了珊瑚岛淡水透镜体的形成特征及其影 响因素，为其开发利用提供了参考1 6 2 1 。 1 3 本文研究重点 可持续开采量的确定对研究热带海岛淡水供给具有重要的意义。国内外基于 对热带海岛实际水文条件有限的认识，采取了多种方法确定最佳开采量，这些方 法中有些是以理论为基础，有些是以经验为基础，还有则是两者的结合 6 3 - 6 8 l 。以 理论为基础的方法需要搜集人量的信息数据，而数据的获取比较困难，以经验为 基础的方法虽不需要太多的信息，但由于此类方法的通用性未知，在模拟结果方 而小具有保守性等原因，基| 丁经验的模拟计算方法也受到了质疑。 基于经验和理论的模拟计算方法多以野外实验数据为基础，然而野外实验受 到诸多因素的限制，可重复性差，不可j 牵制因素较多，有时会导致实验失败，为 了获得精确的实验数据，作为野外实验的有效补充，大型的物理模拟实验足不可 或缺的。 然而，对淡水透镜体室内模拟实验的研究少有报道，因此，本文采用自制的 模型装置，对海岛淡水透镜体的形成进行了室内模拟实验，不仅为同内外丌展类 似研究提供参考，为数值模拟奠定良好的基础，更为开采海岛淡水透镜体地下水 资源提供理论基础。 本文的主要工作分为以下儿部分： ( 1 ) 分析总结国内外淡水透镜体模拟方面的相关资料，总结现阶段模拟研 究的动态，提m 本文研究的方向及目标； ( 2 ) 以西沙群岛某海岛为研究对象，对从其采集的含水介质进行水理性质 的测定试验，分析含水介质水文地质参数的特殊性，为进行相应的数学模拟提供 6 河海大学硕士学位论文海岛淡水透镜体形成与演化规律的物理模拟 参数： ( 3 ) 根据海岛淡水透镜体形成的机理，建立相似物理模型，模拟降雨补给 条件下，淡水透镜体的演变过程以及无补给条件下，持续开采对透镜体的影响， 观察倒锥的形成过程，确定开采量与倒锥位置变化的关系； ( 4 ) 根据实验模拟结果，提出不足之处及相关改进措施。 研究的总体思路结构如图l 一1 所示。 图i - 1 研究技术路线流程图 河海大学硕十学位论文海岛淡水透镜体形成与演化规律的物硎模拟 2 1 自然地理 第二章研究区概况 2 1 1 地理位置 西沙群岛位于我国南海的西北部，海南岛的东南方，居北纬1 5 0 4 6 1 7 。0 8 ， 东经1 1 1 0 l l7 1 1 2 。5 4 。由两大群岛组合而成，东北为宣德群岛，有：赵述岛、 北岛、中岛、南岛、永兴岛、石岛、东岛、高尖石等岛屿及沙洲礁滩；西南为永 乐群岛，有：中建岛、金银岛、珊瑚岛、甘泉岛、琛航岛、晋卿岛、广金岛、盘 石屿等岛屿及礁滩9 1 。本文研究区域为位于西沙群岛宣德群岛的某一岛屿( 图 2 1 ) ，是一个堆积在礁盘西南部质地松散的新灰沙岛，居北纬1 6 。5 0 ，东经11 2 0 2 0 。 岛的东西长约l g s o m ，南北宽约1 1 6 0 m ，面积约2 o k r a 2 ，是西沙群岛中面积最大的 岛屿1 7 0 - 7 ”。 研究区域四周被沙堤包围，岛内低处常有积水，为西沙群岛行政区中心地， 同时也是西南中沙群岛的交通枢纽，建有现代化的机场，可起降波音7 3 7 机，码 头可停靠5 0 0 0 吨位的船只，其它基础设施和接待设施也比较齐全。 乳 南 露 一醑究玉鹰 海 鑫 康 门确 硼醭粼 斟 “ 国 马 w “ 西 4 的沙 群群 叨岛e m 岛 四n 贷”岛l 图2 1 研究岛屿地理位置示意图 8 河海大学硕士学位论文海岛淡水透镜体形成与演化规律的物理模拟 2 1 2 自然资源 研究区域陆地面积虽少，但国土资源极其宝贵，海洋渔业资源也很丰富。经 济价值较大和种群数量较多的鱼类有数十种，大洋性洄游鱼类中的黄鳍金枪、青 干金枪、鲔鲣、扁舵鲤、马鲛、箭鱼、旗鱼、鲨、墨鱼、鱿、章鱼、飞鱼等，珊 瑚礁鱼类中的梅鲷、笛鲷、石斑鱼、裸颊鲷、鹦嘴鱼、九棘鲈、海鳝，以及龙虾、 蟹、海参、马蹄螺、蝾螺、夜光螺、海人草等。但过度捕捞和破坏性作业( 炸鱼 等) 引起资源明显衰退1 7 2 ，渔政部门需要实施有效的管理。珊瑚礁自成为独立 的生态系统，它同大洋生态系有联系但不能混淆，可利用这一特点把珊瑚礁当作 天然牧场，采取一系列增养殖措施，发展经济鱼虾、贝、藻的生产。 资源植物共有2 3 9 种，有木材植物、药用植物、油脂植物、芳香植物、蜜源 植物、纤维植物、食用植物、绿化观赏植物、淀粉植物和鞣料植物等类删。据 文献记载，5 0 年前研究区域坡覆绿林，高l o 2 0 m ，只有海滩一圈黄沙。2 0 年 前，腹地仍然是密林，经数十年任意采伐柴薪，采挖鸟粪的同时毁林，再加上建 筑各类楼房场所毁林，现在自然林仅零星残存。 由于有着丰富的海洋生物，研究区域鸟类较多。有红脚鲣鸟、白腹褐色鲣鸟、 军舰鸟、暗绿绣眼鸟、普通燕鸥、黑枕燕鸥和家燕，还有冬季从北方飞来越冬的 绿翅鸭、白头鹞、灰斑鹅、金鹅、铁嘴沙鹅等，夏季从南方飞来繁殖的臼顶黑燕 鸥、乌燕鸥等。 研究区域成土母质全是生物骨壳碎屑，在雨水淋溶下脱盐，含盐量小于 0 1 ，化学成分大部分是碳酸钙，缺硅、铁和铝，p h 值一般为8 5 9 5 。树林 下有大量的鸟粪堆积，对土壤形成过程有重要的影响。大量土壤标本中p 2 0 5 的 含量o 5 1 0 o ，鸟粪成层者则高达2 0 2 4 ，所成土壤定名为磷质石灰土 1 4 1 。在鸟粪、牛粪和枯枝落叶的影响下，土壤有机质积累过程往往超过分界过 程，土壤表层有机质含量一般在8 1 0 ，最高达3 4 ，氮素含量一般在o 4 0 6 。 研究区域淡水资源及其缺乏。虽然年降雨量丰富，但土质孔隙度高，渗透性 强，无地表径流。陆地海平面下含水层广泛分布着咸水，淡水透镜体位于咸水之 上，较薄，因此民井水位一般在地表以下l 3 m ，涌水量一般为2 s l s ，水色 带黄，微咸，矿化度较高，当地军民称作“岛水”。饮用水和特殊建筑用水目前 9 河海大学硕士学位论文海岛浚木透镜体形成与演化规律的物理模拟 仍需靠运输船从海南岛输运【7 5 1 。 2 2 气象及水文条件 2 2 1 气候气象 西沙群岛诸岛，包括本研究岛屿在内，全部在北回归线以南，接近赤道，属 赤道带、热带海洋性季风气候，其气候特征表现为： ( 1 ) 终年高温 由于接近赤道，南海诸岛接受太阳辐射的热量较多，所以气温较高，年平均 气温在2 52 8 c 。最冷的月份平均温度在2 0 以上，最热时达3 3 左右。研究 区域一年中气温变化不大，温差较小，同时，西沙群岛表层海水温度也较高，研 究区域的表层海水平均温度为2 6 8 0 ，为珊瑚的生长提供良好的发育条件。 ( 2 ) 雨量充沛 广阔的南海和西太平洋有丰富的水汽来源，大量水汽受各种各样条件的作用 形成丰沛的降水，其中台风雨约占三分之一。根据西沙气象台的资料，西沙群岛 年平均降雨量在1 5 4 5 m m ，研究区域年均降雨量为1 4 9 9 m m ( 统计年份1 9 8 9 1 9 9 7 年) ，其问最高( 丰水) 和最低( 枯水) 年降雨量分别为2 8 5 7 m m 和1 0 3 1 m m 。 ( 3 ) 季风明显 南海热带海洋性季风气候非常明显，每年l o 月以后，从西伯利亚和蒙古高 原吹来的冬季气流不断奔向我国南方海洋。所以南海与南海诸岛每年1 1 月至次 年3 月盛行东北季风；每年4 月开始，南海与南海诸岛转而受热带与赤道海洋气 团的影响，5 月至9 月盛行西南季风：4 月和1 0 月是季风转换时期。受其影响， 南海的海流也有明显的季风特点，夏天流向东北，冬天流向西南。 ( 4 ) 受台风影响 南海诸岛在夏秋两季还常受台风影响。每当台风到来时，风力狂虐，裹挟暴 南，掀起巨浪，往往对海上航运、海上生产和海岛建设造成一定的灾害。但是， 台风也有其有利的一面，它使南海诸岛、海南岛以及我国东南大部分地区上空形 成丰沛的降水过程，对解除干旱或缓解旱情起了很大作用。 1 0 河海大学硕士学位论文 海岛淡水透镜体形成与演化规律的物理模拟 2 2 2 水文特征 由于研究区域土质结构松散，孔隙多，渗透性强，当雨强大、降雨时间长时， 可以形成短暂性、短流路的地表径流，一般情况下没有地表径流，因此没有河流、 溪涧，但降雨形成的天然地表水可以在低洼地区形成季节性间歇积水。 岛上的淡水大部分以地下水的形式储存与地下由于含水层主要是珊瑚贝壳 碎屑砂岩和珊瑚灰岩，岩性多孔、松散，在海平面以下，地下水几乎与海水相沟 通，在海平面以上，咸水层上部支托着一层地下淡水，这层淡水依赖大气降水的 补给，且此类淡水多分布在沙堤内侧，经沙堤分隔，减少与海水交换的机会。 2 3 地质及水文地质条件 2 3 。1 海底地形及珊瑚礁地质 区域海底地形是水深1 5 0 0 2 0 0 0 m 的海底高原一台阶1 7 6 - 7 7 1 ，为华南古陆的 一部分。根据研究区域已有钻探井揭露( 图2 - 2 ) ，井深1 2 5 t 1 3 8 4 6 m 为片麻 岩风化层。基底形成时代晚于6 2 7 亿年，早于0 9 6 亿年，可能形成于古生代 西沙北海槽断堑堆积中新统至第四系，表明西沙岛块是在中新世初裂于南海北部 大陆。新生代岩浆活动比较活跃，多期性的侵入和喷发，岩体为基岩一超基性。 研究区域礁体从水下1 2 5 1 m 的岩石基底上发展起来，沉积层松散，厚2 2 m ， 孔深1 4 m 处的沉秘物1 4 c 年龄为6 7 9 0 + 9 0 a b p 1 7 8 1 。粒度成份为砾石和砂的混合， 以砂为主，主要矿物和生物成分组合为：文石一珊瑚骨骼、瓣腮类与腹足类的壳 体；低镁方解石有孔虫、苔鳞虫等遗体；高镁方解石一珊瑚藻、棘皮类等遗体 1 7 9 1 。其西北边海滩潮问带现代海滩岩1 4 c 年龄为2 6 8 0 4 - 9 5a ，b p t 删。 2 3 2 地貌 西沙群岛灰沙岛的主要地貌特征是砂砾堤脊及其包围的洼地，研究海岸动力 地貌体系时将其划为珊瑚礁蝶形沙岛一洼地体系【8 1 】。从礁缘向岛中央依次可分 为礁坪、海滩、沙堤、沙席和洼地等地貌一沉积带，呈环状分布( 图2 3 ) 。 ( 1 ) 礁坪 礁坪是珊瑚岛礁顼处于低潮面附近的生物堆积平台，涨潮对淹没，低潮时出 露，宽数十至数百米不等。区域周围的礁坪一般4 0 0 m - - 8 0 0 m ，最宽达1 5 0 0 m 。 河海大学硕士学位论文海岛淡水透镜体形成与演化规律的物理模拟 琏罄科 岩杆 艟雎谦鏖 i f 竹 蔚 连 鞭蔫蠡线i 癌崭 孵 系缓组 桂状f 矗f 捆1 辫硅一胃越樊搬 辩 荻n 邑鞲豫城矗醪疑 饪教砂 撖 牛 硅 拖 e 琥 原 生 羹 孜生毫 为主 琢生琏 j 失 笙 获r i 色日期毫瓤奢 l 麓童 躅 囊 1 4 71 6 9 最 艉r l 包毫瑚融瘫稿 职莰矗十蓐下c 占 衍 j ： | 蓁2 州5, 3 7 05 囊一联有孔虫灰磬 新 上， 缓 灰白色蝌囊毫灰考 上 羹1 2 1 5鸵 宥孔虫化石韩少 素 由 蕨白色焉囊靓凳牟 一麓鸯为主 新 蓁 i 钳6 6 缱 生 1 r1 秘 灰亡i 色珊瑚琏茯警 = 中 蓁 灰白色珊瑚硬壳 kh 中 肆麓老焉誓宪 謦 虹色蔗点或囊块 f 薹 譬 缱 ； 舟 主 鲧，土礁 盔圭 提孽礁 并 l 鞋薏 曼蒸 士f “ i l 口2 ， 百 藏鲤 1 1 7 0舰白色精期致尧藏哥 b 蒸 _ _ 一 簌臼争鬻嬲辩囊醉暇取 薷 8 l 1 2 5 1岩鹱部奇博物礓半芘糖 统 ：二。二 勰t 2 7 4绿色锿搭色硬化袭 幔灰一撵获色片辣非 茸辫 由 臻 3 花岗襄花浏片纛齿 事 再 图2 - 2 研究区域钻井柱状图【7 7 1 安有孔 射分 若广 童 组 上 曼 峙8 一 中 髓 螂p 一 下 最 2 5 再移飑l f 慧表序珂最 t t f 1 t ；