海水入侵机理及防治措施的三维数值模拟

【摘要】：海水入侵是指由于陆地淡水水位下降而引起的海水直接侵染地下淡水层的一种地质环境恶化现象，它是人类在沿海地区的社会活动导致的一种人为自然灾害。海水入侵是由自然和社会环境中诸多因素长期共同作用的结果，其中最直接的原因是地下水位的持续下降和降水的严重不足。近年来，我国沿海城市由于过量开采地下水，大多不同程度的出现海水入侵问题，并且已经影响到了国计民生，沿海城市海水入侵的预防和治理变得刻不容缓。 本论文对海水入侵机理及其三维数值模拟进行了进一步的探索研究。以流体力学经典理论为基础，建立了海水入侵内陆的理想模型，得到在海水入侵内陆的过程中沿弯曲流线的主法线方向，流场中速度随着距曲率中心距离的增大而逐渐减小，根据流线上的速度分布，并可表示出流场中的流线方程，可确定一定条件下海水入侵内陆的速度和方向。咸淡水过渡带(界面)运移规律是基于渗流与弥散耦合理论的基础上，弥散视为与渗流对立的因素，从物理上分析渗流与弥散互相迭加的关系，两者间平衡的破坏和重建构成海水入侵全过程的本质，为分析海水入侵内陆的动力发展提供了理论依据。 以美国Brigham Young University的环境模型研究实验室和美国军队排水工程试验工作站共同合作开发的GMS(Groundwater Modeling System)及其中的FEMWATER(Finite Element Groundwater Flow Modeling Software)主体模块为工具，对地下含水层模型进行了三维数值模拟，应用正交方法分析了各个渗透因子对模型水头值的影响程度，并应用人工神经网络做了渗透系数反演。在不同的海水浓度和淡水回灌流量的情况下，对海水入侵的治理方案淡水帷幕进行了三维数值模拟，模拟结果反映出淡水帷幕的形成阶段存在着规律性。在淡水帷幕的形成过程中，回灌流量是主要的影响因素，回灌流量越大，帷幕作用越显著。最后提出三维数值模拟技术在海水入侵防治措施的后效评价中直观形象，应用前景广阔。