运用三维变密度潮汐效应模型确定滨海含水系统的海底等效边界——山东烟台夹河中下游地区为例

确定咸淡水界面的位置是滨海地区海水入侵研究的主要任务之一。对于天然条件承压含水层而言，含水层顶板向海底延伸的距离直接影响了咸淡水界面的位置，它可以通过承压含水层中地下水的潮汐效应信息来确定。考虑到咸淡水之间密度的差异，建立了山东省夹河中下游地区滨海含水系统地下水三维变密度潮汐效应模型。通过反复对比潮汐效应观测中的地下水水头波动与模型计算出的水头波动，确定了滨海承压含水系统的海底边界。同时，也初步估计出海区与近海陆区含水层的水文地质参数。     

海底泉对在海底有限延伸的越流含水层系统中地下水潮汐效应的增强作用

海底泉在滨海地下水排泄过程中起着重要的作用。本文给出了含有一个海底泉的在海底延伸的越流承压含水层系统中地下水水头在海潮作用下波动的近似解析解。该含水层顶底板隔水且向海底延伸有限距离。假设含水层的海底露头被一层隔水层覆盖,海底泉由一个渗透性很好的完全穿透海底含水层硕板的圆柱体渗漏天窗（海底泉孔）来表示。近似解析解中包含了6个参数：承压含水层的海潮传播参数,海底泉孔中心到海岸线的距离,表示泉的圆柱体的等效半径,海底泉孔中心到含水层海底露头处的距离,承压含水层的海潮载荷效率和弱透水层的越流。分析表明,如果海底泉孔中心到海岸线的距离远大于泉孔的等效半径,且海底泉孔中心到含水层海底露头处的距离远大于泉孔的等效半径时,解析解的近似误差可以忽略。然后本文讨论了解析解的两个基本性质,分析了海底泉对海底地下水水头波动的影响。     

用地下水潮汐效应确定潜水含水层水文地质参数

目前对潜水含水层地下水潮汐效应和水文地质参数求解方法的研究相对较少.通过对福建古雷半岛滨海潜水含水层地下水潮汐效应和海水潮汐动态的观测, 运用Fourier频谱分析方法确定了研究区海水潮汐波动方程(波动特征参数), 并以此作为地下水的边界条件, 推导了潜水含水层地下水潮汐效应的波动方程, 利用最小二乘法以地下水水位波动观测值为目标函数对潜水含水层的渗透系数与重力给水度的比值进行了反演识别, 为类似地区水文地质参数的确定提供了借鉴, 也为该区后续地下水中溶质迁移规律的研究奠定了基础.      

露头处具有淤泥层的滨海含水层系统中海潮引起的水头波动

滨海地区社会与经济的发展引发了各种各样的水文地质问题, 因此对滨海地区的水文地质条件, 尤其是地下水与海水之间的水力联系的研究尤为重要.本文考察了海底露头处具有淤泥层的滨海含水层系统中由海潮引起的水头波动.该系统由潜水含水层、承压含水层和介于其间的弱透水层构成.建立了该系统的数学模型, 得到了该模型的解析解.该解析解包含2个无量纲参数: 弱透水层的相对越流系数和淤泥层的相对透水系数.解析解表明, 淤泥层使各处的水头波幅被缩小了一个常数倍(波幅缩减因子), 并使各处的波动相位产生了一个不超过45°的正位移常数(时滞).该时滞对半日潮不超过1.5h, 对全日潮不超过3h.波幅缩减因子和正位移常数只与弱透水层的相对越流系数和淤泥层的相对透水系数有关.当这两个无量纲参数取某些特殊值时, 本次研究的解和前人考虑的几种较简单情形所对应的解一致.承压含水层中水头波幅随着淤泥层的相对透水系数的递增而严格递增, 随弱透水层的相对越流系数的递增而严格递减; 波动相位随着这2个无量纲参数的递增均严格递减.分析表明弱透水层的越流和淤泥层的存在均对承压含水层水头波动有显著影响.      

滨海多层含水层系统中海潮引起的地下水位波动

通过对一个滨海多层含水层系统的考察,该含水层系统由上、下弱透水层和介于中间的承压含水层组成,海底露头处被淤泥层覆盖.建立了描述该系统中地下水水头随潮汐波动的数学模型,并得到其解析解.该解析解与六个基本参数有关,分别是承压含水层的海潮传播参数,淤泥层的无量纲透水系数,上下弱透层与承压含水层贮水率的比率 (无量纲)和上下弱透层的无量纲越流.当这些参数取某些特殊值时,我们的解便化简为前人考虑的几种简单情形对应的解.分析表明,承压含水层中地下水水头波幅是上、下弱透水层贮水率和越流系数的减函数,是淤泥层相对透水系数的增函数;波动相位(时滞)是上、下弱透水层贮水率和越流系数的增函数,是淤泥层相对透水系数的减函数.     

考虑淤泥层弹性储水的滨海承压含水层中海潮引起的地下水头波动

综合考虑了海底淤泥层的弹性储水系数、海潮荷载效应和渗透性,对海底露头处具有淤泥层的滨海承压含水层系统中海潮引起的水头波动进行分析,给出了相应的数学模型,并推导出其解析解,讨论了淤泥层弹性储水对于水头波动的影响.分析表明,当淤泥层的厚度或弹性储水系数较小时,或者其渗透性较好时,可以忽略其弹性储水效应,从而把整个淤泥层简化为第三类边界条件来处理.文章还考虑了承压含水层和淤泥层中可能存在的垂向流动,对垂向剖面二维地下水流动方程进行了数值模拟,将二维数值解与忽略垂向流动的一维解析解进行了比较,结果表明该含水层系统的垂向流动是可以被忽略的.     

饱和砂性土流变模型的试验研究

正确合理的土体本构模型确定是地面沉降模拟的关键之一。上海和江苏地区多年来野外分层标的实际观测资料表明该区含水层系统砂层变形具有流变特征,表现出变形滞后于含水层水位变化的现象。本文基于粘弹性理论,选取了常州含水层系统原状砂性土样进行单轴压缩试验,分析了砂性土流变荷载曲线,并选择现有的相关本构模型进行识别,从而确定能更好反映研究区土体变形规律的流变模型。结果表明,研究区砂性土可采用Burgers模型进行描述,反演获得的4个流变参数随荷载的增加表现出一定的规律性。     

Uncertainty analysis of groundwater model based on data assimilation北大核心CSCD

黑河流域中下游地下水系统受上游冰冻圈融水和降雨的补给,由气候变暖导致的冰冻圈萎缩致使中下游地下水系统的稳定性面临更多的风险。地下水模型是地下水系统稳定性评估的有效手段,但是地下水模型参数往往存在较大的不确定性。为此,本文提出了基于数据同化算法的不确定性分析方法,通过包含观测资料信息减小模型不确定性。采用所提方法分析了(基于MODFLOW构建)黑河流域中游地下水模型中13个参数的不确定性,讨论了算法超参数的影响及其最优取值,分析了地下水模型参数的不确定性。实验结果证明数据同化算法可有效减小地下水模型参数的不确定性,观测资料的种类与数量对参数不确定性的减小起到重要作用;不同地下水模型参数的不确定性不同,地表水与地下水相互作用频繁的区域参数不确定性较大;含水层渗透系数、含水层给水度以及灌溉回流系数对模型输出的地下水位输出影响显著,河床水力传导系数对模型输出的河流流量影响较大。本研究将为地下水研究提供更加可靠的模型方法,为西北内流区地下水哺育的绿洲生态系统稳定可持续研究提供重要支撑。     

陈崇希教授的学术思想和成就综述

在地下水资源评价理论方面, 陈崇希教授分析了"平均布井法"不符合质量守衡原理的实质, 纠正了以"地下水补给量计算可持续开采量"的错误, 提出了基于"质量守衡"的地下水资源评价原则, 强调分析"补给的增加量与排泄的减少量"在评价地下水可持续开采量时的重要意义.在地下水动力学领域, 陈崇希教授纠正了稳定井流"影响半径"模型的错误, 恢复了Dupuit"圆岛模型"的原貌, 拓展了Theis公式和Hantush公式的应用条件, 改进了地下水非稳定井流理论, 完善了其中的某些基本概念.在水文地质模拟仿真技术方面, 陈崇希教授提出确定滨海承压含水层海底边界的理论和方法; 提出地下水混合井流的模型和模拟方法, 解决了混合抽水试验确定分层水文地质参数的难题; 提出岩溶管道-裂隙-孔隙三重介质的地下水线性-非线性流动的模型; 建立了考虑井管水流雷诺数对滤管入流量分布的水平井-含水层系统的地下水流模型; 完成了"渗流-管流耦合模型"的砂槽物理模拟, 并用数值方法仿真了地下水流的规律; 最近向观测孔水位形成的传统观念———常规观测孔中的水头降深反映该孔滤水管中各点的平均降深———提出质疑.陈崇希教授建立的"渗流-管流耦合模型"使传统的基于线汇/线源的井孔-含水系统模型提高到新的水平.陈崇希教授积极倡导"防止模拟失真, 提高仿真性", 强调精细地分析水文地质条件、合理地概化模型和采用正确的仿真技术的重要性.      

多层含水层系统水文地质参数计算

为求取含水层水文地质参数,常用的试验方法是抽水试验。在进行抽水试验时,经常有越流现象,计算时一般采用越流模型计算。越流模型假定非抽水含水层的水位恒定不变,但在实际抽水过程中,抽水含水层和非抽水含水层间通过越流相互影响、相互作用。如果只考虑抽水含水层的水位变化而不考虑非抽水含水层的水位变化,会导致计算的水文地质参数不准确。实际工作中,有时会在非抽水含水层中布置一口观测井来观测抽水含水层抽水时对非抽水含水层的影响。如果采用多层含水层系统模型的方法,即可利用各含水层观测井中的数据计算出每个含水层和相关弱透水层的水文地质参数,提高参数计算精度、节省资金和工作量。     

A computer method based on simulated annealing to identify aquifer parameters using pumping‐test data

Conventional graphical or computer methods for identifying aquifer parameters have their own inevitable limitations. This paper proposes a computer method based on a drawdown model and a heuristic approach of simulated annealing (SA) to determine the best‐fit aquifer parameters of the confined and unconfined aquifer systems. The drawdown model for the confined aquifer is the Theis solution and the unconfined aquifer is the Neuman solution. The estimated results of proposed method have better accuracy than those of the graphical methods and agree well with those of the computer methods based on the extended Kalman filter and Newton's method. Finally, the sensitivity analyses for the control parameters of SA indicate that the proposed method is very robust and stable in parameter identification procedures. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

Longitudinal dispersion with time-dependent source concentration in semi-infinite aquifer

An analytical solution is obtained to predict the contaminant concentration along unsteady groundwater flow in semi-infinite aquifer. Initially, the aquifer is not supposed to be solute free, i.e., aquifer is not clean. A time-dependent source concentration is considered at the origin of the aquifer and at the other end of the aquifer, it is supposed to be zero. The time-dependent forms of unsteady velocities are considered in which one such form, i.e., sinusoidal form represents the seasonal pattern in a year in tropical regions. The Laplace Transformation Technique (LTT) is used to get an analytical solution and a graphical representation is made through MATLAB.     

确定含水层渗透系数的冲击试验方法

运用Hvorslevr冲击试验方法测定CIRP试验场地下研究设施(URF)试验含水层的渗透系数。由于含水层厚度小、富水性差,正在进行核素迁移试验,以及操作空间有限,因此不能进行抽水或注水试验,同时考虑到试验范围较小,故采取冲击试验求含水层的渗透系数。含水层介质为亚粘土,隔水底板距URF底板面约6m。试验的冲击量小,可以忽略URF内南部含水层对试验结果的影响。试验钻孔的孔径和井管内径相近,减小了钻孔结构对试验结果的影响。试验结果(472×10-4、658×10-4cm/s)与采用自URF内试验含水层的未扰动土柱所作的室内渗透试验结果(41×10-4～82×10-4cm/s)在同一数量级。     

基于阶梯流量压水试验水位恢复的含水层参数计算

承压含水层阶梯流量井流公式与水位恢复井流公式可解决不同流量变动条件下含水层参数求解。针对野外压水试验中流量与水压难以控制且观测精度低, 但阶梯流量压水后水位恢复曲线易于准确观测的特点, 根据叠加原理, 从非稳定承压含水层阶梯流量井流基本公式中推导出阶梯流量水位恢复公式。根据现场阶梯流量压水试验资料进行了含水层参数计算, 验证了公式的可行性。      

Flow and solute transport monitoring in the karst aquifer in SW Slovenia

The role of the unsaturated zone in the karst aquifer hydraulic behaviour was brought into focus in these studies of the catchment of the Hubelj spring (SW Slovenia). The variations of natural tracers in precipitation and in groundwater during a summer storm event made it possible to trace local flow and solute transport in the observed aquifer. The results produced data on the aquifer recharge, storage and discharge processes, as well as on mechanisms that affected them, which reflects a karst groundwater dynamics also at a regional scale. They point out the significance of effects of the fast preferential flow—epiflow that is the main factor controlling solute/contaminant transport towards the aquifer saturated zone. Numerous arguments indicate that the karst aquifer flow and solute transport mechanisms depend on the hydraulic behaviour of the epikarst zone.     

Heat extraction from aquifer geothermal systems

This study aims to model temperature distributions in an aquifer thermal extraction (ATE) system that contains a single extraction well in a thin confined aquifer. The aquifer is bounded by hot dry rocks with different thermomechanical properties and thicknesses. Based on the heat convection–conduction equation, a mathematical model is developed to describe the spatial and temporal temperature distributions of the ATE systems. The mechanisms of heat transfer in the model involve horizontal convection and thermal conduction in the aquifer, and vertical thermal conduction in both rocks. A semi‐analytical solution in dimensionless form is developed using the Laplace transform technique and its corresponding time‐domain result is computed by the modified Crump method. In addition, the steady‐state solution is obtained by applying the final value theorem. The simulation results from the semi‐analytical solution indicate that the aquifer temperature distributions are affected by aquifer thickness, the thermomechanical properties of the aquifer and rocks, geothermal gradient, outer boundary temperatures of the rocks, extraction rate, and operating time. The present solution can be used as a preliminary tool for assessing heat extraction efficiency in ATE systems. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

不同地连墙插入深度下承压含水层减压降水对既有隧道的影响

当基坑需进行未截断条件下的承压含水层降水时,承压水抽降产生的影响范围远大于基坑开挖的影响范围,其对基坑外既有隧道的影响值得重视。进行了承压层减压降水对既有盾构隧道影响的有限元仿真模拟,并分析了采用地下连续墙插入承压含水层时,不同插入深度对隧道变形的影响,结果表明：随着地下连续墙插入承压含水层深度的增加,直至完全截断承压含水层,既有隧道沉降逐渐减小,但受地下连续墙变形的影响,隧道在水平方向仍存在较大位移。因此,当既有隧道与减压井净距较小时,即使承压含水层被完全截断,也应重视减压降水对隧道水平方向变形造成的影响。此外,长期减压降水将会引起隧道产生可观的沉降。因此,应尽量避免承压含水层未被完全截断条件下进行长期减压降水。     

太行山前平原地下调蓄远景区与类型

本文通过对太行山前平原地下调蓄的水文地质及水文条件、库容评价原则与方法和类型的分析,阐明了其地下调蓄能力及可利用性,给出了综合评价结果：石景山—大兴靶区、石家庄—晋县靶区和邢台靶区可作为南水北调地下调蓄首选目标,房山—容城靶区、望都—定县—新乐靶区和磁县—安阳靶区可作为南水北调地下调蓄的主要备选场所,邯郸靶区和辉县—新乡靶区适宜作为井灌小型地下调蓄场所。     

承压含水层减压降水对既有盾构隧道影响研究

当基坑需进行非截断条件下的承压含水层降水时,承压水抽降产生的影响范围远大于基坑开挖的影响范围,其对基坑外既有隧道的影响值得重视。进行了承压层减压降水对既有盾构隧道影响的有限元仿真模拟,考虑了既有隧道相对于承压含水层不同位置时,既有隧道周围土体应力场、既有隧道横断面内力和变形。研究结果表明,隧道全部或者大部分位于承压含水层中时,抽水除可引起隧道发生整体隆起或沉降外,还将导致隧道自身产生较大的竖向压缩变形;当隧道全部位于上、下部隔水层时,含水层抽水对其隧道的变形影响不大,但当隧道位于上部隔水层情况下,抽水将会引起隧道产生整体下沉。     

Conceptual model of a coastal aquifer system in northern Greece and assessment of saline vulnerability due to seawater intrusion conditions

This paper refers to the development of a conceptual model for the management of a coastal aquifer in northern Greece. The research presents the interpretation and analysis of the quantitative (groundwater level recordings and design of piezometric maps) regime and the formation of the upcone within the area of investigation. Additionally it provides the elaboration of the results of chemical analyses of groundwater samples (physicochemical parameters, major chemical constituents and heavy metals and trace elements) of the area which were taken in three successive irrigation periods (July–August 2003, July–August 2004 and July 2005), in order to identify areas of aquifer vulnerability. The study identifies the areas where ion exchange phenomena occur, as well as the parts of the aquifer where the qualitative degradation of the aquifer system is enhanced. The paper, finally, assesses the lack of any scientific groundwater resources management of the area by the local water authorities, as well as the current practices of the existing pumping conditions scheme as applied by groundwater users.An erratum to this article can be found at