潮汐作用下的含水层参数求取利用观测孔中地下水位潮汐效应计算天津滨海新区含水层参数

潮汐作用下的含水层参数求取利用观测孔中地下水位潮汐效应计算天津滨海新区含水层参数

填海工程可以在一定程度上解决土地短缺与经济发展之间的矛盾。目前，河北曹宾滩、天津滨海新区、上海临港新城、厦门、珠江三角洲城市群、香港、澳门等地都进行了填海项目。目前看来,围海造陆工程形成陆域多用于建设工业园区带动当地经济发展,如曹妃甸、滨海新区等。经过吹填、真空预压、排水固结等施工后,即可在新造陆域上进行工程建设。各项工程建设必须对当地进行水文地质工程地质勘察工作,这其中非常重要的部分——获取含水层参数成为了工作中必不可少的部分。一般情况下,含水层参数多通过抽水试验、水位恢复试验等方式获取,但是滨海地区地下水水位受潮汐影响波动较大,甚至出现水位波动是抽水降深的两到三倍的情况,这给抽水试验水位观测带来极大不便,导致试验结果不理想,可靠性较差。而利用地下水潮汐效应获取含水层参数的方法恰恰弥补了这一缺陷。利用潮汐数据求取含水层参数在滨海地区具有重要意义,因此很多学者进行了相关方面的研究,Carr等提出通过地下水潮汐效应确定承压含水层渗透系数与储水系数并将该方法应用于加拿大爱德华王子岛(PrinceEdwardIsland,Canada)取得了较好的结果。李国敏分析建立线状赶潮河流切割条件下承压水水位波动及地下水潮汐效应的数学模型,求解得出相应解析公式,为参数测定提出了有效可行的方法,同时应用于广西北海地区深入研究地下水潮汐效应在确定含水层参数、边界等方面的问题。周训、阮传侠等[4~5]利用频谱的方法研究了广西北海地区长、短序列地下水潮汐效应数据,确定地下水的波动周期、滞后时间等,认为地下水水位波动受潮汐影响程度随离海岸线距离增加呈负指数衰减,地下水滞后时间则呈线性增长;同时利用潮汐效应计算承压含水层储水系数获得了满意的结果。夏玉强等等将其应用于广西北海市涠洲岛玄武岩含水层参数计算中,与该地区地下水准三维流数值模拟结果吻合。高茂生等通过对黄河三角洲滨海湿地浅层地下水位潮汐效应研究发现,浅层地下水潮汐效应明显且具有复杂的周期性变化和趋势性变化。根据前人已有研究成果,结合天津市滨海新区特殊水文地质条件,利用两个观测孔分别观测该地区浅层承压水水位波动,通过地下水潮汐效应计算该地区含水层参数,双孔互相检验、互相校核,使得计算结果更加可信,为实际工作提供依据。1数学模型1.1陆相密度的分布滨海地区潮汐对地下水的作用可以概化为:地下水一维不稳定运动遵循达西定律;含水层水平、等厚、均质、各向同性且向陆地无限延伸;含水层一端无限远处为定水头,另一端为随时间波动的变水头边界,即潮汐波动,假设潮汐呈等时、等幅简谐运动(图1)。1.2地下水潮涌水水层含水层储水系数测算对水文地质条件概化,建立以下数学模型,以含水层与海水相切处为x轴原点,向陆地方向为正(图1),地下水在对称波潮汐作用下定解问题为:式中:h——x处t时刻的地下水水位,以未经潮汐扰动水位为基准;H0——潮汐波幅;a——含水层水头扩散系数(含水层压力传导系数);潮汐波动频率为:式中:t0——潮汐周期。求解以上定解问题,可以得到潮汐作用下地下水水位随时间与到海岸线距离变化的波动方程:以及x处地下水水位波幅与滞后时间:从以上地下水水位波动方程及其滞后时间方程可以得出:随着距海岸线距离x增大,地下水水位受潮汐作用呈负指数衰减,而滞后时间则呈线性关系增加;不同岩性下,含水层水头扩散系数越大,地下水水位受潮汐作用影响越小,滞后时间越长。通过对式(4)、(5)变换形式得到含水层水头扩散系数:或根据实测得到距离海岸线x处地下水的波幅Hx、或滞后时间tx即可求得该处含水层水头扩散系数a。再通过公式,即可得到含水层导水系数T或渗透系数K:式中:μe——承压含水层储水系数(弹性给水度);μs——单位弹性给水度(单位储水系数)。从式(8)可以看出,通过地下水潮汐效应研究含水层参数,仅能确定含水层水头扩散系数a(即含水层导水系数与储水系数比值),为获取含水层渗透系数还应具有含水层储水系数及含水层厚度。含水层储水系数可通过其他试验方法获取,或分析含水层岩性实际特征认定假设值;含水层厚度从钻孔资料即可得知。2计算示例2.1围海造陆面积/地形研究区位于天津市滨海新区东南部沿海地带,独流减河入海口南侧滩涂浅海区,大港油田东侧,面积约200km2,其中围海造陆面积约占83%。研究区东侧为渤海,西部为陆地,地势平坦,地面标高1~3m,处在我国典型的淤泥质海岸——渤海湾西岸,自西向东分别属于海积低平原、渤海潮间带以及部分浅海。研究区后经人工冲填、堆填、吹填进行围海造陆工程形成陆域,冲填、堆填土质为粘性土,吹填土质为海相沉积淤泥质粘土。2.2上更新统沉积型华北平原多条河流在天津滨海新区入海,河流至入海口处水动力条件变差,悬浮细颗粒泥沙等更加容易沉积。该地属浅海相、滨海相、泻湖相沉积环境,使得研究区自地表向下20m范围内均沉积为粘土、淤泥质粘土等。研究区受围海造陆工程影响,其从地表向下50m范围地层岩性及其水文地质特征描述如下:(1)表层为人工冲填、堆填粘性土,下部为吹填淤泥质粘土。人工素填土层层厚0.6~3.5m,富水性较弱,渗透性差,属于潜水含水层;(2)全新统海相层底埋深16.0~20.4m,层厚14m左右,岩性主要为淤泥质粘土、粉质粘土,富水性较弱,渗透性极差,为相对隔水—弱透水含水层;(3)全新统冲积层顶板埋深在20m以下,层厚约10m,岩性以粉质粘土及粉土为主,局部出现砂层透镜体,分布不连续,水量较丰富,为浅层微承压含水层;(4)上更新统第五组沉积层顶板埋深在30m以下,该层上部为厚度大于10m且分布连续、稳定的渗透性较差的粉质粘土层,其富水性较差,为相对隔水层。水文地质剖面图,见图2。2.3实验结果的验证利用地下水潮汐效应求取含水层参数的方法有别于传统水文地质试验,在不确定计算结果是否真实可靠的情况下,为能够客观评价该方法得到参数结果的准确性,在研究区内分别设置两处距离海岸线不同的钻孔,分别求参,相互验证。两处钻孔分别为ZK16和ZK18,其观测层位为浅层承压层(即(3)粉土及砂层),均为完整孔,距离海岸线分别为150m和505m。2.3.1地下水水位动态分析2011年2月17日(农历一月十五日)11点至2月24日(农历一月廿二日)12点对2处钻孔及潮汐水位分别同时进行水位观测:观测仪器采用Diver地下水位自动监测仪;监测频率为20min/次,总持续时长10060min,平均潮汐周期为740min(12.3h);ZK16处平均地下水位波幅为0.64m;ZK18处平均地下水位波幅为0.083m;平均潮汐波幅为1.485m。各钻孔地下水水位动态图及潮汐水位动态,见图3。通过对潮汐及各个钻孔数据特征进行分析:研究区潮汐为不规则半日潮,本次观测时段处在大潮期间(大潮出现在农历十八、十九);观测孔ZK16距离海岸线较近,波动规律明显,波形与潮汐波动类似,波幅有一定衰减,滞后时间较短,不易观察;ZK18稍远,波动规律不及ZK16明显,波幅衰减剧烈,但仍具有与潮汐类似的波动规律,滞后时间也不明显。由于两处观测孔距离海岸线较近,利用滞后时间计算存在较大困难,因此使用式(6)进行含水层水头扩散系数a的计算。通常情况下,承压含水层储水系数小于0.01,结合研究区岩性实际特征及前人工作经验,假定研究区储水系数为0.0005,实测资料显示观测层位含水层平均厚度为10m。利用平均波幅、平均周期由式(8)计算渗透系数,见表1。ZK18离海岸线距离是ZK16的3倍,而ZK16的波幅是ZK18的7.5倍。由此可见,波幅衰减速度远远大于距离的增加,这与解析公式特征相吻合。通过计算,ZK16钻孔推求含水层渗透系数为0.9708m/d,ZK18为0.9331m/d。2.3.2地下水潮涌水层水位变化通过以上计算过程及结果分析发现,该方法计算含水层参数的精确度与观测孔地下水水位波幅关系密切相关。另外,观测时段内潮汐波动特征表明其为不规则半日潮(且涨潮落潮不对称),因此,为了详细、客观反映出整个观测时段内水位波动特征,采用分段法更为细致地分析观测孔地下水水位动态特征,计算含水层参数。具体做法为:根据观测孔水位波动特点,将每一个周期内的波动分为前半段与后半段分别进行参数计算。水位随时间降低部分为前半段,与之对应,水位随时间上升为后半段。将ZK16和ZK18两个观测孔水位分别分为前半段与后半段,计算波幅、周期等,从而得出参数计算结果,具体结果见表2~5。利用ZK16观测孔水位变幅前半段计算含水层渗透系数为0.6702m/d,后半段为0.6866m/d,平均0.6784m/d;ZK18孔前半段计算结果为0.4675m/d,后半段为0.5481m/d,平均0.5078m/d;综合两孔含水层平均渗透系数为0.5931m/d。由于ZK16距离海岸线距离较近,外界干扰因素较少,受潮汐作用更为明显,地下水水位波动较为规律,因此计算结果极为接近;而ZK18距离海岸线较远,受多种因素影响(如地表荷载变化等),分段计算结果有一定差异,但仍比较接近。通过以上两种计算结果对比发现,利用平均潮汐波幅、平均潮汐周期计算含水层参数不能够完全反映出地下水潮汐效应特征。尤其在潮汐本身并非完全对称的情况下,周期、波幅均会随时间发生一些变化,这些变化同时反映到观测孔水位变化中。因此采用平均法并不符合实际,而分段法则将潮汐各个特征完全独立出来,分别计算,因而能够获得更为精确的结果。综上,分析滨海地区两个观测孔地下水潮汐效应,利用水位变幅计算含水层参数的方法是切实可行的,对于不对称半日潮,采用分段法更能获得真实可靠的结果。3地下水渗透系数法沿海地区地下水水位受潮汐影响出现较大波动,传统水文地质试验会有较大误差,而对地下水潮汐效应进行观测,加以利用来研究含水层参数是简单、经济、切实可行的办法。(1)受潮汐作用,沿海地区地下水水位出现与之相似的波动,呈现波幅小、有延迟的特点;随着远离海岸,地下水水位波幅呈负指数衰减,滞后时间则线性增加;ZK18至海岸线距离为ZK16的3倍,而波幅为ZK16的0.13倍,该特点符合解析公式规律;两孔均距离海岸线较近,时间滞后特征不明显。(2)利用地下水水位波幅分别使用平均法(平均波幅、平均周期)和分段法(一个完整波分前后两段)计算含水层渗透系数,其中平均法计算结果为0.9520m/d,分段法计算结果为0.5931m/d。由于研究区潮汐特征表现为不规则半日潮,利用分段法更为精确地