基于Trefftz法的沿海越流含水层系统地下水研究

利用Trefftz法并结合时空配点法对沿海越流含水层系统的承压地下水暂态模型进行初步研究.采用分离变量推导越流含水层地下水控制方程的Trefftz基底,并通过迭加以获得满足控制方程的近似解.基于时空坐标系统,求解越流含水层系统承压地下水的暂态流动.运用该方法将数值解与解析解进行精度对比研究,验证Trefftz法对越流含水层系统地下水分析的可行性.随后,针对沿海地下水进行数值模拟,并与有限差分法进行比较分析,结果不仅准确地描述了地下水波动特性,更进一步说明Trefftz法在沿海越流含水层系统地下水研究的适用性.

长江三角洲北翼更新世以来的水土环境地球化学特征及其环境指示意义

江苏沿海平原是江苏省域水资源脆弱带,地下水咸化已成为较为严重的生态环境问题。为了解析长江三角洲北翼地区更新世以来地下水的补给及其盐分来源,布设一口275 m的深井HYRD1,全孔连续采集易溶盐样品、土工样品、水样。在区域采集地表水、浅层与深层地下水、海水样品。采用易溶盐指标结合土工指标(含水率、湿密度、比重)获取了HYRD1高精度孔隙水的水化学特征。采用Piper三线图、Gibbs图、离子比值法等结合δD、δ^(18)O数据、^(14)C测年数据解析了更新世以来地下水的补给及其盐分来源。结果表明:土体盐分主要为NaCl,盐渍土占比为25%。盐渍土主要分布在Q_(p3)弱透水层、 Q_(p2)地层与Q_(p1)上段地层。孔隙水水化学类型为Cl-Na型(仅Q_(p1)下段个别点为HCO~-_3-Ca·Na),微咸水占比7%,咸水占比49%,盐水占比44%。微咸水主要分布在Q_(p1)下段砂层中。潜水的δ^(18)O、δD说明潜水来源为大气降水,且受到了较为强烈的蒸发作用。弱透水层孔隙水、承压水的δ^(18)O、δD投点位于标准海水稀释线附近,且随着深度的增加,δ^(18)O、δD有减小趋势,说明海水混合作用随着深度的增加而减小。Q_(p1)弱透水层多见钙质结核,说明了Q_(p1)地层成土后受到了强烈的蒸发作用。HYRD1 Q_(p1)上段及上覆地层盐分主要来源于5期海侵、蒸发盐岩与硅酸盐风化溶解,Q_(p1)下段地层盐分主要来源为地壳源。地下水化学成分受到了水岩作用、蒸发浓缩作用与人类活动等的影响。

大小潮作用下沿海潜水水位波动的数值研究

沿海潜水层具有一个动态的向海边界,水位随海潮的波动而波动.浸润面的存在给向海边界条件的确定带来一定的困难,而以往研究(例如大小潮水位波动的摄动解法)往往忽略浸润面的影响.为此,在考虑浸润面影响的基础上建立了大小潮水位波动的数学模型.模拟结果表明:(a)潜水层周期平均水位高于静止水位;(b)大小潮向内陆传播时振幅衰减越来越明显,但传播距离远远大于半日潮的传播距离;(c)水位随时间变化具有不对称性,水位上升比下降快;(d)在水位下降阶段特别是大潮期间,地下水渗出点水位偏离潮汐水位,即会形成浸润面.

海水垂向入侵问题研究进展

随着全球气候变暖,风暴潮在沿海地区的频率和强度均可能增长,由此引发的海水垂向入侵可能会造成大面积的含水层淡水咸化。同时,由人类活动引起的沿海虾塘咸水养殖规模日益增长,由此引发的咸水垂向入侵可能会导致沿海地区地下水水质及生态环境的恶化。虽然已有一部分学者在海水(咸水)垂向入侵的研究中取得了成果,但由于海水(咸水)垂向入侵过程复杂,其对地下水咸化及恢复规律依然有待深入研究。文章阐述了海水垂向入侵的危害及前人的研究办法,总结了他们的研究成果并得出了海水垂向入侵的影响因子,指出了洪水和养殖活动对沿海地区含水层的威胁。得出的结果如下:研究海水垂向入侵常用的方法包括室内试验和数值模拟;海水垂向入侵主要与地形地貌、含水层性质和水文气象条件有关;虾塘养殖等人类活动可能会成为垂向咸水入侵的潜在来源。建议未来在海水垂向入侵研究中将多种现场观测实验方法结合起来。数值模拟应注重与现场观测实验数据相互验证,模型简化的方式有必要仔细考虑。虾塘养殖等人类活动可能造成的垂向咸水入侵问题应更多地受到关注。

基于拦河闸坝蓄水补给的大沽河流域海水入侵优化防治

为减缓大沽河流域水资源短缺的现状,提出了一个新的多目标优化框架,用于优化管理流域现有的多级拦河闸坝蓄水工程措施和地下水开采策略。通过耦合校准的数值模型与概化的河流子程序包,模拟河流蓄水时大沽河-地下水间水力联系,重点关注最小化海水入侵程度、最小化河流渗流和最大化地下水允许开采量3个目标之间的权衡关系。采用NSGA-Ⅱ来搜索优化模型在不同气候条件影响下的帕累托最优解。优化结果表明,为了缓解海水入侵,在降水不足年份,靠近海水入侵区的闸坝应提高其蓄水位0.5~1.5 m,其余闸坝应降低其蓄水位至少1 m;4个县级行政分区在地下水压采约束下,年开采量在降水较少年份应比降水较多年份浮动调整120万~150万m 3甚至更多。本文优化框架和调控策略可为人类活动强烈的其他沿海含水层管理提供重要借鉴。

基于多变量统计分析和水化学特征的海水入侵特征研究——以青岛市崂山区为例

沿海地区地下水环境问题日益突出,进行地下水水化学特征及演化规律的研究,能够更有效地开展地下水环境的监测和保护。以青岛市崂山区地下水为研究对象,综合运用统计分析、主成分分析、Piper图解法、HFE-D图解法、Chadha’s矩形图法等方法,对研究区海水入侵特征与地下水化学特征演化进行分析,探究地下水水化学特征及演化规律,并进一步评价了海水入侵现状。结果表明,研究区地下水以Na^(+)、Ca^(2+)、Cl^(-)、SO_(4)^(2-)为主要优势离子,地下水化学类型多为Cl·SO_(4)-Na型和SO_(4)·ClCa·Mg型。地下水中Cl^(-)浓度变化幅度较大,且其均值超出了有无海水入侵的分界值(250 mg·L^(-1)),地下水可能发生一定程度的海水入侵;青岛市崂山区地下水呈中性至弱碱性(pH均值=7.0~8.0),是沿海地区长期的水文地球化学过程的影响;地下水化学变化主要受自然因素(岩石与水的相互作用)或人为因素(农业和家庭活动)的控制;采用反距离加权(IDW)方法,结合地理信息系统(GIS),进行海水入侵位置的空间映射,研究结果表明崂山区海水入侵主要分布于江家土寨东-浦里社区北入侵段,王哥庄-港西-港东入侵段、仰口湾入侵段、登瀛村-栲栳岛入侵段。

莱州湾沿岸寿光、莱州和龙口地下水的稳定同位素与地球化学

依据地下水咸化机理:蒸发、溶解和混合,海水入侵是地下淡水与较之更咸的海水的混合,海水和淡水的混合包括水分子的混合和溶解盐分的混合。只有溶剂水分子和溶质溶解盐分都发生了相同比例的混合,才能确定二种水体发生了混合。地下淡水变咸并不能都归因于海水入侵,也有可能源于蒸发或溶解。鉴定是否存在海水入侵可运用惰性示踪剂和反应示踪剂来共同识别。惰性示踪剂包括δD、δ^(18)O、Cl^-和Br^-,反应示踪剂包括主要化学成分和微量元素。本研究对莱州湾沿岸寿光、莱州和龙口的地下水进行了化学成分形成过程的对比研究。莱州采集样品6件,龙口10件,寿光9件。莱州和龙口的碎屑沉积物以硅酸盐矿物为主,而寿光的沉积物来源于南部鲁中南山地的碳酸盐岩。根据莱州采样点地理条件和样品的稳定同位素δD-δ^(18)O分布域确定了当地降雨入渗的多年平均值,进而明确龙口样品也源于就地降雨入渗补给,根据高程效应和当地水文情况确定寿光样品补给来自南部山区的降水,经河道排入洼地后入渗地下。Cl^--δ^(18)O关系表明盐分都来源于淡水溶解的蒸发盐,而非与海水混合。Br^-/Cl^-比值证实了蒸发盐溶解,还存在人为污染物和海侵沉积物中有机质分解的影响。从三线图可看出龙口样品经历了离子交换反应。主要成分和微量元素(HCO_3^-,H_2SiO_3,F^-,Li^+,Sr^(2+)和Ba^(2+))的含量与样品所处含水层的矿物组成有关,反映出水岩作用。所有样品都没有淡水和海水混合的现象。惰性示踪剂分析提供了区域地下水补给的框架,明确了大气水源因溶解蒸发盐而咸化,排除了淡水和海水混合的可能性。用反应示踪剂中主要化学成分和微量元素来分析水中化学成分的形成过程,在和海洋盐分输入对比基础上,二者偏差值主要源自水-岩相互作用结果,包括溶解、沉淀、离子交换等,以及局部样品的污染物输入。所以沿海地带研究地下水咸化,先要解决溶剂的混合问题,在此基础上辅以水文地球化学分析,利用水化学的多种示踪剂,主要解决溶质混合以及盐分来源问题。

海水入侵指标对比分析与评价——以珠江口地下水含水层为例

合理评价海水入侵对于地下水含水层管理和居民生活健康有着重要的意义。当前海水入侵评价应用较广泛的为包含单一因子和基于统计分析的多种水化学方法。本文综合阐述了海水入侵评价中所用的水化学指标、原理与方法,包括在国内评价体系中少见的一些方法,并以珠江口地下水含水层为例,对比了各种指标的有效性,评价了各类方法的优缺点以及在实际应用中可能产生的问题。结果显示,以Cl^-和TDS作为简单直接的单因子可以快速评价海水入侵,尤其对于大范围的海水入侵评价十分有效。而和Ca2^+,HCO^-3,SO^2-4等变化有关的指标具有地域性,在研究区对海水入侵的指示并不是十分敏感。在复杂评价因子中,与离子交换有关SAR,BEX以及GQISWI与Cl^-相关性较高,可以较好的指示海水入侵及水岩相互作用。经过分析,受到地下含水层和地表水道双重介质入侵的影响,研究区海水入侵范围在过去几个年代有向北推进的趋势。本研究对于高速经济发展下的沿海地下水含水层管理和评价有重要的指导意义。