变水位条件下竖管法测定海岸带沉积物渗透系数

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中文摘要：世界上经济发达的地区往往集中在沿海地带，中国沿海地区城市化程度高，人口密集，经济发达，占陆域国土13％的沿海经济带承载着全国40％左右的人口，创造全国60％左右的国民经济产值，它的发展对海岸带资源环境有极大的依赖性，也使海岸承受沉重的环境压力。随着沿海地区社会和经济的发展，各种滨海水文地质、工程、环境问题也随之出现。例如，海水入侵、滨海地区工程建筑的稳定性、工程基地建设中的排水及近海环境的恶化(赤潮)等。为了解决这些问题，需要确定滨海水文地质条件。海岸带沉积物是连接海水与海岸带地下水的纽带。在海水与地下水相互作用的定量研究中，海岸带沉积物的渗透系数是非常重要的参数。渗透系数反应了液体流动的难易度和孔隙介质允许液体通过的难易度。并且关系到在重力或其他力量作用下通过单位孔隙介质横截面的平均泄流量。它直接影响着海水向含水层的入渗量和含水层向海洋的排泄量。如何准确地测定海岸带沉积物的渗透系数是水文地质学家与海洋地质学家急需解决的问题之一。国内外许多学者致力于用试验方法确定渗透系数的研究，并且提出并应用了不同的方法和手段。渗透系数测定的一般方法包括：室内分析法，例如通过分析沉积物颗粒级配总结经验公式；现场试验法，例如抽水试验法；拟合求参法等，在农田水利研究中，也常采用双环、圭夫仪、圆盘入渗仪等方法测定田间饱和土壤的渗透系数。抽水实验是一种从钻孔中抽水并根据其出水量与地下水位降深的关系，确定含水层的渗透性及了解相关水文地质条件的一种原位实验方法。对于抽水时间比较短、水位恢复时间较长的抽水实验，可以应用微水实验法来求解参数。微水实验法是在t=0时刻，点(x0-y0)处有一个作用强度为Q(t)、作用时段很短的抽或注水井，通过观测井水位变化情况，来求得井附近含水层渗透参数的方法。对于渗透性较高的含水层，瞬时向井抽或注一定流量水后，井中水位很快恢复到初始水位，因此不易观测井中水位降深随时间的变化；对于低渗透性含水层，瞬时向井抽或注一定流量水后，能够很好地观测到井中水位降深随时间的变化规律，从而求得含水层水文地质参数。渗透仪法是一种室内实验方法，包括常水头渗透仪和变水头渗透仪法两种，常水头渗透实验适用于粗粒土(砂质土)，变水头渗透实验适用于细粒土(粘质土和粉质土)。实验用水应采用实际作用于土中的天然水。测定在一定水头差H下某一时间t内流过试样的渗流量Q(常水头法)，或测定时间t=0时的水头h1和时间t=f时的水头h2(变水头法)，均可根据达西定律计算出土样的渗透系数。在一些区域性的研究中，安装监测井，进行抽水试验，通过解析解或数值解估算，或者使用费时费力的示踪剂法估算沉积物渗透系数往往会花费超过预算很多的资金。由室内实验得到的渗透系数结果常出现不合实际、误差大等现象，而野外现场竖管实验(In-situstandpipe Test)基本能够保持河床沉积物的原状结构，反应现场条件，故优于传统的实验室法，国内外许多研究者对野外现场竖管实验进行了较深入的研究。竖管实验其基础理论起源于渗透仪法Hvorslevn[1951]。现场竖管法是一种野外原位测定渗透系数的方法。以应用竖管法测定河床沉积物渗透系数为例：在河道内将竖管垂直打入沉积物一定深度(管中的沉积物深度一般为20～60 cm)，然后在管中注水。通过观测不同时刻管内的水头下降值，计算出相应的渗透系数。陈询洪在美国内布拉斯州的RepublicanRiver通过大量野外现场实验证明了该方法在确定河床沉积物渗透系数及各向异性方面的实用性，束龙仓、迟宝明在美国内布拉斯州的普拉特河(PlatteRiver)、中国江苏省张家港市的暨阳湖分别做了现场竖管实验，得到了可靠的河床沉积物、湖底沉积物渗透系数结果。采用竖管原位试验进行测定既方便又省钱，而且可以在尽可能多的地方运用便携的设备进行多组试验。本文介绍了在变水位条件下，现场原位测定海岸带沉积物渗透系数的新方法，该方法对于了解地下水流动，研究海水入侵以及污染物的迁移都具有重要意义。试验过程中，以海岸带沉积物表面为零基准面，只需将固定有标尺的PVC管垂直插入研究区域一定深度(该深度为已知)，PVC管底部自然充填的海岸带沉积物即为待测样品，向管内注满海水，并记录下一系列相应时间下的管内和管外水面(海水水位)距基准面的距离。根据Darcy定律和质量守恒原理，对记录数据进行分析得到了用来描述管内水头随时间变化的解析解。通过最小二乘法对记录的水头-时间数据进行拟合，本文的解析解不仅可以求出海岸带沉积物垂直方向的渗透系数，还可求出沉积物水平及任意倾斜方向的渗透系数。该方法用来对海南省海口市铺前湾8组沉积物进行分析，测得研究区域内沉积物水平和垂直方向渗透系数的平均值分别为0.01406cm/s和0.00493cm/s，水平渗透系数约为垂向渗透系数的2.9倍。应用最小二乘法拟合的结果做图显示，对于所有的样品，本文的解析预测值和实测值都非常接近。与传统的抽水试验相比，本方法不仅操作简单、经济实用，而且还可用来确定沉积物各向异性的性质。

作者：

陈实

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关键词：

变水位条件海岸带沉积物渗透系数野外现场竖管法

授予学位：

硕士

学科专业：

地下水科学与工程

导师：

李海龙

学位年度：

2009

学位授予单位：

中国地质大学(武汉)

语种：

中文

中图分类号：