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《长安大学》 2011年
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鄂尔多斯盆地风沙滩地区包气带水—地下水转化机理研究

赵贵章  
【摘要】:鄂尔多斯盆地风沙滩地区能源丰富,水资源短缺,地下水是主要的供水水源。由于该区降雨稀少,蒸发强烈,生态环境脆弱,随着经济发展与能源开发,水资源供需与生态环境之间的矛盾日益尖锐,因而急需加强地下水资源开发与社会经济和生态环境协调发展的研究,其核心是研究降雨(蒸发)-包气带水-地下水转化机理,为经济发展和能源基地建设与开发提供水资源保障,为地下水资源可持续开发利用提供科学依据。 本文以“降雨(蒸发)-包气带水-地下水”转化过程为主线,采用原位试验与室内物理模拟试验和数值模拟相结合研究方法,通过试验观测包气带中负压、含水率、温度和气压等状态变量,分析其变化规律及相关关系,构建水动力场、气动力场和温度场耦合模型,揭示包气带水分运移和界面的动力学过程,分析气体、温度在包气带中变化规律以及对水分运移的影响程度,探索包气带-地下水转化机理,定量模拟降雨(蒸发)-包气带水-地下水转化过程,为评价地下水资源量提供科学依据,丰富和发展地下水的理论和方法。 本文在大量试验和理论探索的基础上,取得了以下主要结论: 一、分析研究区的地下水循环规律,认为垂向交替模式是该区主要的循环模式,包气带是该循环模式补给与排泄的主要通道。该循环模式的主要补给源为大气降水,占总补给量96.01%;排泄以蒸发为主,占总排泄量62.56%;根据补给与排泄特征不同,将垂向交替模式划分为降水补给-地表水排泄、降水-地表水补给、降水补给-潜水蒸发和降水-田间灌溉补给四种转化模式。 二、根据原位试验场综合剖面试验区的试验数据和数值模拟结果认为,包气带岩性不同,包气带水分运移规律不同。包气带岩性为风积沙时,对降雨入渗最为有利;包气带岩性为风化砂岩时,0.3m以上呈蒸发状态;包气带岩性颗粒较细时,对降雨入渗不利,地表土壤蒸发强烈。包气带岩性结构越复杂,降雨入渗机理越复杂;当包气带剖面为岩性为单一介质时,水分运移机理较简单。在当地气候条件下,对包气带起关键影响作用的是地面以下1m以内包气带岩性结构,入渗速率有风积沙风化砂岩砂质壤土,而表土蒸发潜力则相反。同时风积沙的持水能力弱,蒸发能力小,入渗速率快等特点,是本区地下水相对丰富的主要原因。 三、通过室内物理模拟试验和包气带水汽热耦合模型分析温度对包气带水分运移规律和潜水蒸发规律的影响。揭示了干旱半干旱典型地区包气带水分迁移转化的动力学过程,建立了等温和非等温条件下包气带水分运移模型模拟水分转化的动力学过程。通过理论与试验分析表明,当地表温度超过25℃时,在研究包气带水分运移和地下水的蒸发排泄时忽略温度的影响将会产生较大的误差;确立了地表温度25℃作为温度影响包气带水分的阈值这一关键指标;确立了研究区在地下水位埋深小于70cm时,当降低地下水位时,在地表将会引起热岛效应这一命题。 四、通过包气带水气二相砂槽模型试验和数值模拟分析气体在包气带中运移规律以及阻滞入渗水分机理。揭示了干旱半干旱地区降雨条件下包气带中气体对水分入渗的阻滞作用,主要表现为三个方面:1、入渗水分造成包气带中气体压力增加,导致非饱和渗透系数减少;2、增加入渗水分的响应时间。通过理论与实验模拟研究表明,当降雨量大于6mm/d时,在研究包气带水分运移和地下水补给时忽略气体的影响将会产生较大误差。确定了降雨量6mm/d作为气体影响包气带水分运移的阈值。3、包气带中气体在入渗水流推动下气压达到某一较大值将会冲破上覆水层由地表逃逸,气体主要以垂向运动为主。但气体随着湿润峰的推移向下运移至潜水面处,由于受到潜水面的阻滞作用,气体存在着明显的水平运移。根据试验和数值模拟结果,依据降雨条件下水气二相之间的驱替关系以及剖面气压的变化特征,将包气带中气体划分为三个区:气压稳定区I;气压变动区II;气压缓增区III。 五、根据原位试验数据和室内物理模拟数据,分析土-气界面和土-水界面和地下水界面的动力学过程。确定了水面蒸发量、土面蒸发量以及其之间关系;分析水面蒸发与温度之间在升温期呈现线性关系,在降温期呈现正指数关系; 六、包气带介质的特性参数测定,包括水分特征参数、热传导系数。设计了非等温等压包气带参数测定仪,测定试验介质的水分特征参数和饱和渗透系数。设计了“稳态法测定土壤介质的热传导率”实验方法,得到了介质热传导率随含水率的变化关系,建立了表示二者关系新的模型KT(θ)=KTs-KTs-KTr/α+(1-α)exp(βθ),模型中提出饱和热传导系数和残余热传导系数的概念,并对其可靠性、求解方法及敏感性进行了分析和验证。七、根据原位试验与数值模拟结果,分析降雨入渗系数与包气带厚度之间的关系,得到以下认识:(1)相同包气带厚度条件下降雨入渗系数从大到小的顺序为:风积沙萨拉乌苏组风化砂岩砂质壤土;(2)当包气带岩性结构为上覆风积沙时,则有利于降雨入渗,故其降雨入渗系数较大,而当包气带岩性结为上覆砂质壤土时,降雨入渗系数较小,不利于水分入渗。研究潜水埋深的变化及岩性的不同对潜水蒸发排泄地下水的影响可知,随着埋深增大,潜水蒸发量减少,到达极限埋深则蒸发量趋近于零,区内几种岩性的极限埋深规律为壤土(1.6m)淤泥质砂(1m)风化砂岩(0.8m)风积沙(0.5m)。 八、完善地下水可再生性和地下水可再生资源的概念以及其内涵,分析了地下水可再生资源量的特征和影响因素;提出一新的思路评价地下水可再生性。基于地下水可再生资源量特征及影响因素,并根据鄂尔多斯盆地具体情况,建立了鄂尔多斯盆地地下水可再生性评价指标体系,以及评价方法的确定。根据地下水可再生资源量计算方法,计算出典型区苏北淖流域一般水文年的地下水可再生资源量为958.02万m3/a,95%频率年的地下水可再生资源量为896.63万m3/a。最后根据地下水可再生能力强弱绘制了鄂尔多斯盆地苏北淖流域地下水可再生性评价图。
【学位授予单位】:长安大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P641.2

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