咸水锥进的试验和数值模拟研究

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地下水的过度开采已成为世界各地区普遍存在的问题。地下水超采多发引起咸水和淡水之间水动力失衡,许多沿海含水层遭受海水的入侵,即咸水的陆上运动。下层咸水向抽水井口处运移,咸淡水界面呈向井口锥进的现象。减缓或避免抽水过程中下层咸水向抽水井锥进的研究对于保护滨海地区宝贵的淡水资源具有重要的意义。因此,本文通过抽水试验及其模拟试验对咸水锥进的运移规律进行了研究,主要研究内容和成果如下:(1)本文设计了包括砂箱、咸淡水供水装置、抽水系统和观测设备组的咸水运移的试验装置,模拟地下含水层无限侧边界条件。淡水采用煮沸冷却后的脱气水,咸水选用35‰浓度的Ca Cl2·2H2O溶液,染色剂选取浓度为500mg/L的Rhodamine WT溶液,室内试验设计装置与方法可以有效地模拟地下水抽水过程。(2)分别进行竖直井抽水试验和水平井抽水试验,通过DB模型对竖直井的咸淡水界面进行解析解计算分析,解析解在界面上升约为井底与初始界面位置之间距离的三分之一处有效。由于忽略了溶质的弥散过程,试验中盐羽的实际变化略高于解析解。然后通过将DB模型沿水平井积分,确定了水平井的咸淡水界面随时间和距原点的横向距离变化的解析解,解析解模拟出水平井试验中的咸淡水界面由“双峰”凸起逐渐聚拢成向上的“双顶点”锥形的过程。咸水的入渗过程描述为先为咸水开辟路径后增加浓度,而Rhodamine WT溶液作为咸水示踪剂可能存在敏感吸附特性,优先于咸水进行渗透,并且其本身的扩散/弥散作用也会导致试验观察盐羽的变化略高于模拟值。解析解模型没有出现“双峰”凸起现象,同时用数值模拟证明“双峰”现象是由试验砂箱中砂体的填土不均匀所产生的。(3)结合室内试验数据和TOUGH2/T2DM建立了咸水运移试验的数值模拟模型,模拟了抽水过程中各个时刻的咸淡水界面、流速和水头的分布。数值模拟结果与物理模型试验在锥进达到稳定状态时的咸淡水界面形状基本相符,水平井试验数值模拟结果验证了水平井解析解的合理性。对于解析解模型没有出现“双峰”凸起现象,数值模拟证明“双峰”现象是由试验砂箱中砂体的填土不均匀所产生的,但是砂质不均并不会影响水平井抽水稳定状态时的界面形状。最后,通过对比抽水过程中不同时间及稳定状态下0.5盐度等值线对比图,分析了不同布井方式、抽水速率、有效抽水长度、渗透率和水平井的埋深对咸淡水界面的影响。
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