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《中国地质大学》 2010年
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滨海多层含水层系统中多组分地下水流及海底地下水排泄

郭巧娜  
【摘要】: 滨海地区人口密集、经济发达,且由于同时受陆地和海洋过程的影响,水资源、生态和环境问题都比较严重和复杂,例如近年来频繁出现的海滩溢油污染和赤潮,使得海岸带再度成为研究热点,导致了急待解决的许多基础和应用科学问题以及新的研究方向,为原创性、前沿性研究创造了机遇。 海滩(潮间带)含水层处于水陆交界带的中心,是海水-地下水相互转化的重要场所。但由于各种物理、化学和生物等因素相互作用,使得海滩含水层成为一个复杂、动态区域。这里的地下水流和溶质运移过程受众多非线性复杂因素的共同作用,其综合定量研究的难度很大。因此,有必要深入认识各因素作用下的海滩含水层中地下水动态规律。近些年来,很多学者通过解析法、数值法以及实验法对滨海含水层中地下水流及溶质运移进行了研究。以往文献对砂质海滩含水层中多组分地下水流研究较多,而对砾石海滩含水层的相关报道较少。实际上,海洋溢油更趋向于滞留在砾石海滩中,本文研究了砾石海滩中溢油未滞留的原因。 海底地下水排泄量(SGD)及其陆源地下水分量的准确估计(即定量的时空分布规律)对确定陆源污染物入海通量、研究和解决沿海水质污染及生态环境退化问题、以及正确评估地下水在全球水循环中所起的作用等都具有重要意义,是当今国际水文地质界所关注的一个热点问题。前人所做的关于滨海含水层的海底地下水排泄,大多数局限于浅层均质含水层,空间尺度上只局限于潮间带附近,咸淡水界面位于近岸处,时间尺度上未考虑地下水位的中长期(季节性)变化。特别地,对于陆源地下水分量的准确估计存在很大的不确定性。对海岸带数十公里尺度内层状非均质深层含水层系统的SGD,尚无学者进行过相关研究。本文首次定量研究了这种情况。 本文主要利用解析和数值模拟两种方法,对海岸带含水层中地下水流、盐度、海底地下水排泄量等时空分布规律进行了研究。对于近岸小尺度的砾石海滩含水层,结合现场观测、室内实验和数值模拟等研究手段研究了海滩中地下水流及溶质运移过程;对于大尺度的滨海多层含水层系统,用解析方法研究了两个较为一般的滨海多层含水层系统中海底地下水排泄量。主要研究内容及成果如下: 以位于美国阿拉斯加州、威廉王子湾骑士岛的砾石海滩含水层为研究对象,对海滩含水层的地形、岩性、降雨量、地下水位、孔隙水盐度、锂示踪剂浓度进行了野外观测和室内测量,确定了海滩含水层的两层海滩结构及内陆地区边界条件。采用二维有限单元数值模型MARUN(MARine UNsaturated model)模拟了水位、盐度及锂示踪剂,该程序优点在于能够模拟非饱和带孔隙介质中水流和溶质运移,考虑了盐度对于流体密度及粘滞度的影响。定量地刻画海滩渗透系数、非均质性、海滩坡度、海潮、内陆地下淡水补给、海水-淡水密度差异和盐分水动力弥散等重要因素对潮间带的地下水流、盐分及锂示踪剂运移的影响。该海滩在1989年被油轮溢油污染,虽然很多地方至今仍有残留的溢油,但所选海滩剖面上并没有发现残留溢油,讨论了这种类型的海滩对溢油污染的敏感性。基于野外调查以及模型校正结果,得出如下重要结论: (1)水位随时间变化形式表明该海滩被视为两层海滩结构是合理的,即由高渗透性的表层和低渗透性的下层组成。由于表层具有较高的渗透性,水位会不受阻碍地随海潮的下降而下降,下降至一定深度后基本上保持常数不变,直至接下来涨潮再被淹没;下层的渗透系数很低,其中的地下水位几乎不随时间而下降或随时间下降非常缓慢。内陆井中地下水位大部分时间内高于海潮水位,表明该海滩具有持续的内陆淡水补给。 (2)盐度时间序列曲线表明盐度主要受降雨径流引起的内陆淡水补给影响。若将降雨引起的大量淡水视为来源于内陆的“地下淡水洪”,该地下淡水洪的前锋向海方向运动,各井中盐度变化形式可分为两个阶段:第一阶段是地下淡水洪未到达该井之前的高盐度阶段,第二阶段是地下淡水洪到达该井之后的低盐度阶段。 (3)示踪剂施放实验表明,由于海滩具有两层结构、海潮的水位波动以及内陆淡水补给作用,使得注入到该海滩的示踪剂(或者可视为营养液)滞留时间很短,在一个海潮周期内就被冲刷至海里。 (4)潮间带表层的盐晕随海潮波动而伸缩,且伸缩幅度很大:与表层盐晕相比,低潮线附近向海方向的咸水楔入体基本上不随海潮发生变化。海滩的两层结构阻止了上部盐晕与咸水楔入体之间淡水排泄通道的形成,这与前人在均质海滩一般会观测和模拟得出的存在淡水排泄通道的情况不同。 (5)海滩剖面中平均孔隙水速率分布表明大量的淡水来源于内陆,且水流方向为向海方向。由于上下两层的渗透性差异,表层的水流速率远大于下层的水流速率。上下两层交界面之下O.1m处的孔隙水速率随时间变化曲线表明,随着向海方向距离的增加,在大部分时间内下层中地下水流向为向海方向。海滩表面水流的渗入和流出速率显示海水-地下水循环主要发生在潮间带区域。海潮引起的海底地下水排泄量(SGD)估计为9 m3d-1m-1,由于海滩中具有较大的潮差约4.8m,以及表层具有较高的渗透性,使得该海滩含水层的SGD高于以往所报道的砂质均质海滩含水层的SGD。 (6)水位、盐度和示踪剂浓度的模拟值与观测值吻合。敏感性分析表明模型中所估计的参数符合实际且保证反演唯一。水位和盐度对表层及下层的水力传导系数的变化敏感;相对水位,盐度对弥散度以及坑(为了安装观测井而进行的开挖)中松散沉积物的水力传导系数的变化更敏感。 (7)对未开挖过的海滩进行模拟,结果表明水位位于上、下两层交界面之上,这可能是阻止在1989年埃克森瓦尔迪兹号泄漏事件中溢油渗入海滩的原因。而在该海滩南部100m远的海滩剖面上发现了溢油滞留物,原因是当溢油渗入下层,下层的细颗粒沉积物具有较强的粘滞力,毛细效应较大,渗透性相对很低,使得海潮波动和内陆淡水补给对溢油的冲刷作用减弱,导致溢油滞留在下层。 对于向内陆延伸的滨海多层含水层系统中的SGD,采用解析和数值方法进行了研究。利用非线性解析模型,考察了滨海多层含水层系统可能提供大量来源于内陆的SGD,该模型在空间尺度上向内陆延伸几十公里。该含水层系统由上层的潜水含水层,下层的承压含水层及介于二者之间的弱透水层组成,在海岸线处具有垂直的海陆交界面。在模型概化过程中,忽略了海潮作用以及海水与地下淡水之间的密度差异等。模型考虑了均匀地分布于内陆地区的常数降雨入渗补给。基于含水层中水流是水平的,弱透水层中水流是垂直的,潜水含水层中地下水流满足非线性布希涅斯克方程的假设,推导出潜水含水层的水位和承压含水层的水头的近似解析解,得出潜水含水层和承压含水层中的SGD近似解析表达式。通过对比近似解析解与严格的二维非线性模型的数值解,表明解析模型中所用的简化和假设条件是适用的。 选取典型的水文地质参数进行分析,结果表明潜水含水层的水位和承压含水层的水头均随着降雨入渗补给量的增加而增大;对于给定的降雨入渗补给量,潜水含水层的水位随着越流系数的增大而减小,而承压含水层的水头随着越流系数的增大而增大。潜水含水层的水位总是大于承压含水层的水头,使得通过弱透水层的地下水流方向向下。当降雨入渗至潜水含水层时,在水力梯度作用下部分水流流入海里,而剩余部分则通过弱透水层渗入承压含水层,然后在水力梯度作用下流入海里。 以典型的向内陆延伸50公里的滨海多层含水层系统为例,随着弱透水层的越流系数由10-9 1/d增至10-1 1/d,内陆降雨入渗补给由18.2 mm/yr增至182 mm/yr时,承压含水层的SGD由1.87 m2/d增至10.37 m2/d,即承压含水层的SGD随着内陆降雨入渗补给和弱透水层中越流系数的增加而增加。说明承压含水层中SGD可能占来源于内陆的SGD总量相当大的比例,这在以往研究中没有考虑。该解析解可用来检验内陆补给为长期变化的数值解程序,对于理解滨海多层含水层系统中弱透水层的越流和承压含水层对SGD所起的作用具有重要意义。 对于向海底无限延伸的滨海深部多层含水层系统中的SGD,采用解析法进行了研究。基于线性解析模型,考察了海底深部多层含水层系统中陆源SGD。该模型在空间尺度上在海底无限向海延伸,时间尺度上具有季节性变化。含水层系统由上至下分别为弱透水层(海底)、上下两个承压含水层以及位于其间的弱透水层。内陆补给由两部分组成,即与时间无关的年平均补给(常数)和季节性周期波动补给。推导出上、下两个承压含水层中地下水水头波动的解析解,均为稳态解和周期解两部分线性叠加。得出了四种基本情况下单位宽度海岸线方向上的海底地下水排泄量。 以位于美国南大西洋海岸垂直于海岸线的Winyah海湾剖面为研究实例,分析了海底深部承压含水层中的SGD分布,该含水层系统在海底向海延伸约120公里,得出如下主要结论: 在上承压含水层,即佛罗里达含水层系统和第三纪砂质含水层所组成的含水层中,内陆补给无论是常数还是季节性周期波动情况,均可能产生相当大量的SGD,且SGD排泄带的宽度变化范围是0.8 km~8.0 km。对于内陆补给为常数或者季节性周期波动情形,或者两种情形组合条件下,当海底的越流系数由0.001 1/d增至0.1 1/d时,上承压含水层中海岸线处1.0 m的水头将产生的SGD为1.82 m2/d~18.3 m2/d。因此,上承压含水层具有提供大量来源于内陆的SGD的能力。特别地,当上承压含水层中年平均内陆补给和季节性内陆补给幅度均等于45.45 m2/d,海底的越流系数为0.11/d时,解析解模型预测的海岸线处水头的最大值为5.0 m;SGD随季节发生变化,夏季为90.9 m2/d,冬季几乎等于0.0m2/d,模型结果与Moore [2007] (Journal of Geophysics,2007,112, C10013, doi:10.1029/2007JC004199)所观测的226Ra活度季节性波动相一致。 在下层承压含水层,即布莱克-克莱克含水层中,常数内陆补给对SGD的潜在贡献量是有限的,原因是上覆较厚的弱透水层使得越流量较小。由于下承压含水层中具有较大的弹性储水率,有效地减小了周期性内陆补给对SGD的贡献量。总体上来说,下承压含水层对于SGD的贡献量只占上承压含水层的1.2%~12%。模型忽略了深部的两个承压含水层对SGD的影响,因为含水层越深,其对SGD的贡献越小。 在模型简化过程中忽略了密度效应,为了量化该假设条件的有效性,采用数值模拟方法进行检验似乎是不可避免的。然而该解析解有其自身的意义,可以详细地描述忽略密度效应时地下水流和水文地质参数之间的相互关系。同时,它可以作为检验密度效应的标准,通过比较考虑密度效应的数值解和忽略密度效应的解析解。 总之,本文结合现场观测、室内实验和数值模拟等研究手段,分析了砾石海滩含水层中多组分地下水流,重点对水位、盐度及海底地下水排泄量的影响因素进行了分析,揭示了该海滩没有溢油滞留的原因是由于水位位于上、下两层交界面之上。所考虑的咸淡水动态为受潮汐影响的海滩中海水与淡水混合的复杂性、强度和时间尺度等提供新的理论认识。采用解析解和数值验证方法从理论上考察了滨海多层含水层中内陆补给引起的地下水排泄,对于解决实际问题具有重要意义。在实际情况下,海底深部多层含水层系统的水文地质条件很难获得,结合内陆观测孔中的水位信息,可以利用本文的理论研究结果来分析含水层在海底部分的水文地质结构和参数。
【学位授予单位】:中国地质大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:P641.2

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【参考文献】
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