CN104614151A - 海岸带咸淡水突变界面的砂槽渗流模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用砂槽渗流模拟海岸带咸淡水突变界面的装置及方法，该装置中间一段渗流槽充满均质细砂(1)，左、右端设有咸水进水室(7)和淡水进水室(9)，其内有溢水挡板(8)和(10)使右端淡水水位高于左端咸水水位，挡板外侧分别有咸水排水孔(11)和淡水排水孔(14)。将事先用红色食用染色剂染红的咸水自左端咸水进水孔(12)流入，无色的淡水自右端淡水进水孔(13)流入，直至砂槽内的渗流达到稳定，在右侧观察到红色和无色之间的突变界面(3)，可以用来模拟不同的咸淡水水头差和不同的咸淡水密度差对咸淡水界面位置的影响，建立界面的位置与水头或压力的定量关系，研究不同实验条件下咸淡水界面位置的变化规律。

Description

海岸带咸淡水突变界面的砂槽渗流模拟装置及方法

1.技术领域

本发明涉及制作海岸带咸淡水突变界面的砂槽渗流模拟装置及其模拟方法，可以用来研究海岸带地下水的水动力特征和变化，属于海岸带地下水动力学技术领域。

2.背景技术

陆地上有漫长的海岸线，沿海地区通常是经济发展迅速和人口密集的地区。在许多滨海地区分布有地下含水层，在天然条件下地下水向海里排泄。滨海含水层地下淡水资源是沿海地区重要的供水水源，成为当地开发利用的主要对象。开采滨海含水层地下淡水资源会受到海水入侵的威胁，海水入侵是海岸带困惑人们的主要环境地质问题。海岸带淡水与咸水之间的关系、地下水向海洋的排泄量和海水入侵等问题，受到国内外各界的关注和学者们的深入研究。

海岸带地下淡水与海水(咸水)之间的关系，是海岸带地下水首先涉及和需要解决的问题。研究滨海含水层海岸带淡咸水之间关系的模型可以分为两类：突变界面模型和过渡带模型。前者把淡咸水之间的接触带近似处理为一个突变界面，后者处理为渐变的水动力弥散带。研究海岸带淡咸水突变界面已有100多年的历史，将咸水和淡水之间的接触关系处理成一个突变界面，是海岸带地下水动力学分析的基本方法，提出了依赖潜水位确定咸淡水突变界面位置的数学公式，这就是经典的Ghyben-Herzberg公式。描述突变界面的数学模型又包括稳定界面模型和移动(非稳定)界面模型，其中稳定界面模型主要采用解析法求解，移动界面模型主要采用数值法求解，只有某些特殊情形可以近似采用解析法求解。

海水入侵在国内外都有很多报道。在美国、荷兰、以色列、日本、意大利、西班牙、澳大利亚等国家，以及我国大连、秦皇岛、莱州、龙口、烟台、青岛、湛江、海口、北海等沿海地区，都出现过程度不同的海水入侵或受到海水入侵的威胁，引起人们的关注和研究，并积极采取各种防治措施。受到各种不同的天然因素和认为因素的影响，各地滨海含水层的海水入侵在规模、速度、形态、原因、危害等方面都不尽相同。应用淡咸水突变界面模型来定量研究海水入侵，可以通过模型识别确定相关参数，模拟所观测到的水动力和水化学因素的变化，预测在考虑天然条件和开采条件下影响下咸水突变界面的发展趋势，为海水入侵的防止与治理和合理开采滨海含水层地下水提供依据。

在滨海含水层中地下水总是向着海洋排泄，海洋成为接受陆地含水层淡水的场所。由于存在淡咸水突变界面或过渡带，地下淡水向海里的排泄量不仅受控于含水层渗透性和水力梯度，也与淡咸水突变界面的位置或过渡带空间分布有关。应用淡咸水突变界面模型也可以定量研究海岸带地下水的流动，对于含水层结构简单的稳定流模型可以采用解析法求解，而对于复杂条件下的非稳定流模型则主要采用数值法求解。

无论是研究海岸带淡咸水突变界面的位置、地下淡水向海里的排泄量，还是研究海岸带海水入侵及其防治，人们经常面临以下的问题：在海岸带地下含水层中是否存在咸淡水突变界面？咸淡水突变界面的位置是否只依赖于潜水位，还是既依赖于淡水带的淡水水头又依赖于咸水带的咸水水头？由于人们目前在野外还无法直观地对海岸带地下咸淡水突变界面进行直接观测，即使是通过海岸带地下水水头、压力、密度、氯离子或其他化学组分含量的观测，也只能间接了解咸水突变界面的位置、形状及其变化。显然，这些问题需要通过模拟实验来予以演示、验证和定量研究。因此，在实验室建立合适的装置来模拟咸水突变界面，是研究海岸带淡咸水界面的重要方法，具有重要的理论意义和实际意义。

文献报道前人也开展过海岸带咸淡水界面问题的室内实验模拟研究，例如Rumer等(1963)、Bear等(1964)、Mualem等(1974)、张奇(2005)、唐心强等(2007)的实验，利用砂槽渗流来模拟咸淡水界面在固定咸淡水水头差下的移动，揭示界面的形状、界面坡度的大小和界面前沿向淡水一侧延伸的距离及其变化特点，用来帮助理解或解释海水入侵的主要受控因素和移动过程。实验数据还可以为相应的海水入侵数学模型的建立和验证提供计算条件和数据基础。但是，这些实验不观测咸淡水界面上、下的水头或压力的变化，实验本身并不是依据实验现象或数据提出或验证运用地下淡水水头和咸水水头确定海岸带咸淡水界面位置的新方法，因此在依据实验建立咸淡水界面位置的理论方面尚未取得实质性进展。本发明与前人实验的不同在于：1)在出现咸淡水界面一侧的正面同一垂直线上安装7个测压孔分别观测不同深度(包括界面之上和界面之下)的水头，在背面相同的垂直线上安装3个压力计分别观测不同深度(包括 界面之上和界面之下)的压力，可以掌握水头或压力在垂向上的变化，2)在左侧咸水水室的挡板是活动的，其高度可以改变(35、40、50cm)，致使左右两侧的水头差可以改变，可以掌握咸淡水不同水头差对界面位置的影响程度，3)压力计的压力观测是由数据采集机自动观测的。因此，本发明有助于掌握咸淡水界面上、下的水头或压力的变化，从而便于建立或验证运用地下淡水水头和咸水水头确定海岸带咸淡水界面位置的新理论。

3.发明内容

本发明公开了一种海岸带咸淡水突变界面的砂槽渗流模拟实验装置，提出了利用该装置模拟海岸带咸淡水突变界面的方法。通过对海岸带潜水含水层进行概化，可以在一个渗流砂槽内构建海岸带咸淡水界面，并考察咸淡水水头差和密度差对咸淡水界面位置的影响，实测界面的位置与海岸带水头的数量关系。通过反复实验，观测渗流槽内咸淡水界面位置、淡水水头和咸水水头以及压力、密度的变化，建立咸淡水界面位置与上述物理量之间的关系。

利用透明有机玻璃制作一个内壁长140cm、宽20cm、高60cm的渗流模拟实验槽，放置在高度为0.5m的不锈钢框架支座(15)上。在玻璃槽中间长105cm、高55cm的一段充满均均质细砂(1)构建一个潜水含水层，两侧有滤网。实验槽右端10cm长的一段为淡水进水室(9)，其右侧有一高度为50cm的垂直固定挡板(10)，在该挡板的左侧有一淡水进水孔(13)，右侧有一淡水排水孔(14)，固定挡板起到溢水作用，使进水端水位保持稳定。在实验槽左端20cm长的一段，在中间放置一块插入式垂直活动挡板(8)(其高度可以改变，但小于50cm)，在该挡板的右侧有一咸水进水孔/管(12)，流进咸水到咸水水室(7)，左侧有一咸水排水孔(11)，流出咸淡水。

在实验槽中间的砂槽的一侧(背面)的外壁通过打孔安装压力传感器(6)观测槽内压力，在4条垂直线上分3层共安装压力传感器12个，在另一侧(正面)的外壁通过打孔在靠近左端与压力传感器对应的第一条垂直线的位置自下而上均匀安装7个测压管(测压计)(5)，用来观测槽内水头和测量对应点咸淡水的密度。在靠近咸水一侧的第一条垂直线上，需要有2个压力传感器和至少2个测压管位于咸淡水界面之上，1个压力传感器和至少1个测压管位于咸淡水界面之下。

事先用食盐配置好咸水，并加入红色食用染色剂，红色的咸水放置在高度为1.5m的支架(15)之上的一个水箱(16)里，通过水管流进渗流槽左端。事先观测咸水、淡水的密度。先在左端流进咸水，然后在右端流进淡水，再调整淡水进水流量、咸水进水流量和淡、咸水端水位，直到在中间砂槽内形成稳定的潜水面(2)和地下淡水流动(4)，出现咸淡水界面(3)为止。

利用12个压力传感器观测渗流场内各点的压力，并通过数据采集机传送到计算机显示器实现自动观测，实时输出各观测点的压力，并记录7个测压管内的水头观测数据，同时用密度计观测各测压管内水的密度。模拟装置如附图所示。由于咸水已染成红色，在渗流槽内可以看到红色的咸水与无色的淡水之间存在一个突变界面，其前沿往淡水一侧延伸致一定的距离。在实验过程中需要收集流出来的咸淡水，略加食盐和染色料后再加以循环使用。

4.附图说明

附图是海岸带咸淡水突变界面的砂槽渗流模拟装置纵剖面构造图。

附图中，1-均质细砂；2-潜水位；3-咸淡水界面；4-淡水流向；5-用于观测水头的测压孔；6-用于观测压力的压力传感器位置；7-咸水水室；8-活动挡板；9-淡水水室；10-固定挡板；11-咸水排水孔；12-咸水进水管；13-淡水进水孔；14-淡排水孔；15-支架；16-咸水水箱

5.具体实施方式

当渗流槽内的介质为同一种砂、淡水密度为1g/cm³时，通过改变咸水的密度和改变咸水、淡水两端的水头差，观测咸淡水界面向淡水端的倾斜程度和咸淡水界面前沿向淡水端的延伸距离，同时观测各观测点压力的变化，观测各测压孔水头和密度的变化。

(1)咸水密度为1.025g/cm³时的海岸带咸淡水界面模拟实验

(a)在左端活动挡板高度为45cm时观测砂槽内潜水稳定流各观测点的压力与各测压孔水头和密度，观测稳定的咸淡水界面的位置，包括在第一条垂直线上界面距渗流槽底板的高度或距左端咸水面的深度，以及咸淡水界面前沿距左端咸水的距离。反复实验，直到出现满意的咸淡水界面为止。及时照相记录咸淡 水界面的位置。

(b)在左端活动挡板高度为40cm时重复实验步骤(a)。

(c)在左端活动挡板高度为35cm时重复实验步骤(a)。

(2)咸水密度为1.1g/cm³时的海岸带咸淡水界面模拟实验

将水箱内的水改为密度为1.1g/cm³的咸水，重复实验步骤(a)、(b)和(c)。

(3)改变渗流介质时的海岸带咸淡水界面模拟实验

必要时也可以改变渗流槽内的介质，即改用较粗或较细的砂，重复实验方案(1)和(2)。

(4)咸淡水界面位置的实测值和计算值的对比

依据海岸带同一条垂直线上的淡水水头与咸水水头确定咸淡水界面位置的公式和海岸带同一条垂直线上的淡水压力与咸水压力确定咸淡水界面位置的公式计算界面的位置，并用实测的界面位置加以对比。

参考文献

Rumer，R.R.，Harleman，D.R.F.1963.Intruded salt water wedge in porous media.Journal of the Hydraulic Division，Proceedings of the American Society of Civil Engineers，89(HY6)：193-220

Bear，J.，Dagan，G.1964.Moving interface in coastal aquifers.Journal of the Hydraulic Division，Proceedings of the American Society of Civil Engineers，90(HY4)：193-216

Mualem，Y.Bear，J.1974.The shape of the interface in steady flow in a stratified aquifer.Water Resource Research，10(6)：1207-1215

张奇.2005.海水入侵的试验研究.水文地质工程地质，32(4)：43-47

唐心强，王虹，左风华，大年邦雄.2007.海岸带含水层咸淡水界面随潮汐波动的数值模拟.安全与环境学报，7(4)：84-92。

Claims (5)

1.一种海岸带咸淡水突变界面的砂槽渗流模拟实验装置及模拟方法，其特征是：咸水自咸水水箱流入渗流砂槽左侧咸水水室、淡水流入渗流砂槽右侧淡水水室，在侧渗流砂槽内形成稳定淡水水流和咸淡水界面，并通过由测压孔和压力传感器组成的观测系统观测界面上、下的水头和压力变化，获得界面位置、不同测压孔水头和压力以及密度的观测数据。

2.根据权利要求1所述的渗流砂槽，其特征是：内壁为140cm×20cm×60cm的透明有机玻璃槽，在玻璃槽中间105cm×55cm的一段充满均均质细砂构建一个潜水含水层，两侧有滤网。

3.根据权利要求1所述的咸水水室和淡水水室，其特征是：咸水水室左侧为活动挡板，高度分别为35cm、40cm和50cm，淡水水室右侧为固定挡板，高度为50cm。

4.根据权利要求1所述的测压孔和压力传感器，其特征是：在渗流砂槽背面的外壁通过打孔安装压力传感器，在4条垂直线上分3层共安装压力传感器12个，在正面的外壁通过打孔在靠近左端与压力传感器对应的第一条垂直线的位置自下而上均匀安装7个测压管(测压计)，在靠近咸水一侧的第一条垂直线上，需要有2个压力传感器和2个测压管位于咸淡水界面之上，1个压力传感器和1个测压管位于咸淡水界面之下。

5.根据权利要求1所述的观测系统，其特征是：当渗流槽内的介质为同一种砂、淡水密度为1g/cm³时、淡水水头为50cm，分别设定咸水密度为1.025g/cm³1.1g/cm³以及咸水水头差为35cm、40cm和50cm，观测咸淡水界面向淡水端的倾斜程度和咸淡水界面前沿向淡水端的延伸距离，同时观测12个观测点压力、7个测压孔水头和密度的变化。