地下坝防治海水入侵室内试验与数值模拟研究

论文摘要

近年来,随着人口和经济社会的迅猛发展,淡水资源的供需矛盾更加突出,滨海平原地区的海水入侵现象越来越受到人们的普遍关注。地下坝是防治海水入侵较为有效的工程措施,通过切断海水入侵通道和地下淡水排泄通道来防止海水入侵。国内外很多专家已经做过模拟海水入侵的室内试验,但模拟地下坝的室内模型试验较少。本文通过室内沙箱模型模拟了有无地下坝时海水入侵界面的动态变化情况,为揭示海水入侵机理、入侵的规律和发展趋势以及地下坝防治海水入侵提供了理论基础；并采用地下水流动及溶质运移模拟软件FEFLOW对室内试验内容进行数值模拟,并与物理试验结果进行拟合,以修正部分参数,从而为建立三维饱和介质、非稳定流和瞬变溶质迁移模型,模拟大尺度海水入侵过程提供依据。本研究主要做了以下工作：（1）着色示踪剂的选择。试验初选了一种吸附性较小的食用色素胭脂红拟作为着色示踪剂,通过着色示踪剂干扰试验和运移速率试验验证胭脂红是否满足着色剂的要求。（2）模拟参数的确定。试验确定试验介质的相关参数,包括渗透系数、弥散度、孔隙度等。设计了一维柱状模型,通过渗透试验和弥散试验测得了试验介质的渗透系数和弥散度。测量试验介质的孔隙度。（3）无地下时海水入侵室内试验。通过室内沙箱模型模拟无地下坝时海水入侵界面的动态变化。运用着色技术、图像处理技术和水质检测技术,分别试验了咸淡水水位差和浓度差对入侵界面运移速率的影响。（4）地下坝防治海水入侵试验。试验了不同渗透系数的地下坝对海水入侵的防治效果。（5）数值模拟。对室内沙箱模型试验的内容进行数值模拟,并通过模拟结果与试验结果的拟合和人工调参调整部分试验参数。通过以上研究得到如下结论：（1）胭脂红可以作为着色示踪剂用于海水入侵试验中。（2）确定了试验参数,渗透系数为0.22cm/s,水平弥散度为0.0083m,孔隙度为32.86%。（3）无地下坝时,每个海水入侵过程,运行时间越长海水入侵速率越慢；咸水与淡水的水位差越大,海水入侵速率也越大；海水浓度越大海水入侵界面的运移速率越大；从海水入侵界面运移速率的变化趋势可以预测水位差越小越早到达平衡状态；且随着时间的推移,浓度引起的入侵界面运移速率的差距随着时间的推移不断缩小。（4）地下坝的渗透系数对海水入侵的影响较大,渗透系数越小对海水的拦截作用越明显,当渗透系数达到10-6cm/s这个数量级时,防治效果非常明显。（5）通过对室内试验内容的数值模拟和试验结果的拟合,调整试验介质的部分参数,水平渗透系数调整为1×10-2cm/s,垂向渗透系数调整为0.1×10-2m/s。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 研究的目的意义
• 1.1.2 课题来源
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 海水入侵机理
• 1.2.2 海水入侵的数学模型
• 1.2.4 海水入侵的监测方法
• 1.2.5 数值模拟软件
• 1.2.6 海水入侵防治对策
• 1.2.7 室内模型实验
• 1.3 研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 着色示踪剂的选择及参数确定
• 2.1 着色剂示踪剂的选择
• 2.1.1 着色剂干扰性试验
• 2.1.2 着色剂运移速率试验
• 2.2 试验参数的确定
• 2.2.1 渗透系数的确定
• 2.2.2 多孔介质纵向弥散度的确定
• 2.2.3 其他参数的确定
• 2.3 本章小结
• 第3章 海水入侵沙箱模型试验
• 3.1 无地下坝时海水入侵沙箱模型试验
• 3.1.1 试验原理
• 3.1.2 试验装置
• 3.1.3 试验步骤
• 3.1.4 试验结果与分析
• 3.2 地下坝防治海水入侵沙箱模型试验
• 3.2.1 试验原理
• 3.2.2 试验装置
• 3.2.3 试验步骤
• 3.2.4 试验结果与分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 沙箱试验的数值模拟
• 4.1 数学模型
• 4.1.1 水流方程
• 4.1.2 溶质运移方程
• 4.1.3 初始和边界条件
• 4.2 软件介绍
• 4.3 无地下坝时海水入侵二维数值模拟
• 4.3.1 模拟参数的设置及边界条件
• 4.3.2 数值模拟结果
• 4.4 地下坝防治海水入侵二维数值模拟
• 4.4.1 模拟参数设置及边界条件
• 4.4.2 数值模拟结果
• 4.4.3 地下坝效果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 建议
• 参考文献
• 后记
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况