[发明专利]海岸带地下淡水存在垂向水头差时咸淡水界面位置计算方法

说明书

本发明公开了海岸带淡水带地下水存在垂向水头差时的咸淡水界面位置的确定方法。通过考察滨海均质各向同性潜水含水层咸淡水界面上任意点的压力平衡关系，推导出根据界面上任意点的咸水水头和淡水水头的界面位置表达式。当淡水带的淡水水头随观测点的位置降低呈线性升高(或降低)时，通过考察淡水水头与观测点高程的线性表达式的斜率和截距，推导出根据淡水带任意两点的淡水水头和咸水带任意点的咸水水头计算界面高程的公式。这种方法需要在同一地点打3个相邻的深度不同的测压孔观测水头，2个打到淡水带，1个到咸水带。也可以推导出用压力表示的公式，需要打1个观测孔，在不同深度安装3个测压计观测压力，2个安装在淡水带，1个在咸水带。

1.技术领域

本发明涉及利用海岸带水头观测资料确定咸淡水界面的方法，可以用来研究海岸带地下水的水动力特征和分析海岸带地下水环境的演变和保护，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，在天然条件下地下淡水向海里排泄。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、地下淡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，是研究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。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。

海岸带咸淡水之间关系的数学描述是研究海岸带地下水水动力变化和滨海地区的水环境演变的重要理论基础。许多研究者将海岸带咸淡水之间的关系处理为突变界面并在实际中广泛应用。也有不少研究者将海岸带咸淡水之间的关系处理为过渡带并广泛应用于海水入侵的研究中。海岸带咸淡水界面的位置并不能直接观测到，只能通过计算来确定。早在100多年前Ghyben和Herzberg就定量研究了海岸带咸淡水之间的关系，提出了依赖潜水位确定咸淡水突变界面位置的数学公式(Freeze等，1979)，这就是经典的 Ghyben-Herzberg公式(模型)。后来Hubbert(1940)提出了根据界面上的水头描述界面位置的数学公式。 Bear(1979)指出了Ghyben-Herzberg公式在实际应用中的局限性，并对Hubbert公式所描述的突变界面问题给出了严格的数学描述。近几年来，周训(2008)提出了依据滨海含水层海岸带同一垂直线上不同点的水头或压力确定咸淡水界面位置的几种方法。

上述确定海岸带咸淡水界面位置的方法，都是建立在假定海岸带淡水带地下水处于静水状态或者是地下水流动满足Dupuit(裘布依)假设(即不存在垂向水头差或流速分量)，这在实际中并不多见。在实际的海岸带，比较常见的情形是淡水带地下水流动不满足Dupuit假设，即存在垂向水头差或流速分量。需要针对这种情形提出咸淡水界面位置的计算方法。

3.发明内容

本发明公开了海岸带潜水含水层当淡水带地下水存在垂向水头差时咸淡水界面位置的计算方法。

在海岸带垂直于海岸线的潜水含水层剖面(图1)中，假设含水层是均质各向同性的，地下淡水呈稳定流动并向海洋排泄，地下淡水流动不满足Dupuit假设(即存在垂向水头差或流速分量)，咸淡水之间存在突变界面，在咸水带的咸水处于静水状态。在垂直线BF上建立垂向坐标，平均海平面延长线与BF的交点E为原点，向上方向为正，所有水头以平均海平面为基准面。通过考察在界面上任意点B点的压力平衡状态，注意到B点单位水平面积的淡水水柱与咸水水柱相平衡，可以建立以下关系式：