边坡防渗增加灰沙岛地下淡水的试验与数值模拟研究

地下淡水是支撑海岛居民生活用水保障和生态岛屿建设的重要战略资源。目前海岛淡水资源十分匮乏,鉴于我国灰沙岛的现实复杂性,亟需实施低成本、易操作且对岛礁稳定性及生态系统影响较小的增加地下淡水的措施。本研究提出了采用在海陆边坡处铺设防渗材料人为干预地下淡水体形成、增加淡水储量的措施,并通过砂箱试验和数值模拟相结合的方法在实验室尺度下分析了边坡防渗对灰沙岛淡水透镜体形成的影响,评估了不同因素在边坡防渗条件下增加地下淡水储量的效果,并以永兴岛为例定量评估了边坡防渗对地下淡水储量的影响。研究表明,边坡防渗通过改变地下水流场、增加淡水水头的方式增加了淡水储量。淡水体所需的稳定时间随之增加。在长、宽、高分别为50,5,35 cm的砂箱中,在35°的边坡处铺设14 cm长的隔水材料,淡水透镜体达到稳定后最大厚度由原有的13.7 cm增加至24.9 cm,淡水储量由561.8 cm3增加至1 592.3 cm3,所需稳定时间由120 min增加至150 min。增加的淡水储量随降雨强度增加、砂体渗透系数减小、边坡防渗深度增加、防渗材料渗透系数减小而增加。若在永兴岛海陆边坡铺设2 m深的隔水材料,在未来30...     

钙质砂水理性质及对岛礁淡水透镜体形成的影响

钙质砂的水理性质对岛礁地下淡水透镜体的形成至关重要。通过室内试验的方法从透水性、容水性和给水性3个方面对南海钙质砂的水理性质进行了研究，并在此基础上进一步结合数值模拟手段，探讨了上述相关性质对岛礁淡水透镜体形成的影响。结果表明：南海钙质砂多具有级配不良且不均匀的特征；其渗透系数通常在0.023~110 m/d之间，区域间差异较大，而孔隙度和给水度则主要集中在0.40~0.55和0.012~0.310之间，与同粒径范围的陆源砂相比，呈现出容水性好但给水性偏低的特征。钙质砂的水理性质对岛礁地下淡水透镜体形成的影响主要体现在流速、厚度、资源储量以及形成时间等方面，其中钙质砂的透水性越好，地下水中的流速越快，咸淡水间的混合作用越强，导致淡水透镜体的厚度越薄，储量越少；给水性则主要影响钙质砂中淡水透镜体的资源储量，对淡水透镜体的厚度及形状影响较小。     

海岛淡水透镜体演变规律的室内模拟实验

淡水透镜体作为海岛主要的甚至是唯一的淡水资源,对其在天然和开采条件下的演变规律研究是海岛淡水资源利用和管理的首要任务。采用自制的室内物理模型,对海岛淡水透镜体的演变过程进行了模拟实验。模拟了降雨补给条件下淡水透镜体的形成过程;在无补给条件下,开采淡水时倒锥的变化过程。结果表明：当开采量达到3.73×10^-5m³/s时,倒锥进入抽水井,淡水透镜体被击穿。     

滨海盐碱地区包气带中淡水透镜体维持机理

大气降水是滨海盐碱地区浅层地下水的重要补给来源。滨海地区浅层地下水多为咸水且埋藏较浅,在不同包气带岩性渗透性差异下,在大气降水入渗补给过程中,一定时间内潜水面以上一定范围内存在淡水分布,即淡水透镜体,它能局部隔离地下咸水对上层土壤和植物的危害,并在一定程度上供给植物吸收利用。采用自制的室内物理模拟装置,通过控制土层结构,模拟了大气降水入渗补给条件下包气带中淡水透镜体的形成与消退过程,探讨了不同土壤类型中淡水透镜体的维持情况;并利用吸水管模拟客土上所种植物根系吸水,研究了不同吸水量条件下土壤中淡水透镜体的变化规律。结果表明:上层中砂、底层粉砂质黏土的双层土体结构中,淡水透镜体的维持性最好,在降水入渗补给条件下,透镜体形成时间在1500 min左右可达最大厚度(约15 cm),若补给源消失,透镜体完全消退需7500 min,能较长时间地阻隔地下咸水;双层土中模拟形成的稳定淡水透镜体在无补给条件下,能够隔离地下咸水的同时亦能为上层植物提供243.5 mL淡水资源。     

涠洲岛海水入侵模拟

通过岸边地下水动态分析，弥散度尺度效应的分形特征讨论及局部海水入侵模型校正，获取涠洲岛含水层的有关参数。结合全岛三维有限元数值模型，模拟了海水入侵的动态过程，对制订涠岛地下淡水透镜体的开采规划和控制海水入侵提供了依据．     

基于珊瑚礁岛分区分层的淡水形成过程研究

为了探究土的分层特征对珊瑚礁岛下淡水透镜体形成的意义,在南海某珊瑚礁岛采用钻孔取样,分析每个钻孔不同层位样品的粒度。根据水平和垂直方向上的粒度特征,确定岛的水平分区和垂直分层;根据每个钻孔所代表的范围,确定每个水平分区的面积;根据每个钻孔中不同颗粒级配的样品所代表的厚度,确定每个垂直分层厚度。礁灰岩以上松散层的不同分区和分层的颗粒级配控制地层的渗透性,垂直和水平方向的渗透性特征控制淡水透镜体形成的难度、淡水透镜体的总厚度以及过渡带的厚度。根据岛的总面积和垂直分层数建立数值模型,得到不同时间、不同水平位置和垂直深度的地下水浓度特征的模拟结果。     

海水入侵研究现状与展望

文中讨论了海水入侵的研究进展：海岸带海水入侵界面或过渡带的模拟，海岛地下淡水透镜体的动力学研究，井孔在界面或过渡带上部抽水所引起的升锥问题以及岸边地下水位动态研究及海平面变化对海水入侵的影响。海水入侵研究经历了从理想假定到合理概化，从室内实验模型、理想模型到数值模型这一过程。数值方法已成为模拟和求解海水入侵问题的最有力工具，海水入侵的过渡带模型成为主要的研究方向。分析了研究中存在的困难，展望了海水入侵研究的未来趋势：边界条件确定，水文地质参数选取，含水层结构估计，海水入侵输运与化学作用的耦合以及海水入侵预报。     

基于野外水力试验的玄武岩渗透性及尺度效应

在金沙江溪洛渡水电站坝区玄武岩中,进行了3种水力试验,探讨玄武岩渗透性及其尺度效应。平硐渗水试验的试验尺度为1～2 m,渗透系数为10-4～101 m/d,非常离散;地下水示踪试验的尺度为70～145 m,渗透系数为10-0.5～100.5 m/d,非常集中;压水试验的试验尺度为4～7 m,渗透系数值10-2～100 m/d。试验结果显示渗透系数随着试验尺度的增加而增大,笔者认为产生尺度效应的原因在于非均质性。小尺度试验常作用在局部基质段或单条裂隙上,而大尺度试验常穿越几条大裂隙,所获得的渗透系数值要大于前者。在进行裂隙岩体地下水渗流研究时,针对不同尺度的研究对象,应选择不同尺度的野外水力试验来求取渗透系数。     

透地雷达天线和脉冲传播特性的野外试验

透地雷达测量的生产解释，不仅需要对地下介质中的电磁波发射，传播和散射有准确了解，而且还需要具备有关介质中不同靶体异常反射特性的精确知识，透地雷达响应和测量剖面图经常是根据由地下介质简化的理论模型中电磁波传播的数值模拟和理论估计以通过理想化的目标对比和几何条件来进行解释。另一方面，在可控制的试验条件下实行野外试验在验证透地雷达系统操作性能以及在实际地质构造中提供数值测量方面是有效的。在罗马大学“拉萨     

中国东部沿海基岩海岛地下水资源分布特点——以庙岛群岛为例

本文依据对庙岛群岛基岩裂隙水进行的地质构造、水文地质、物探等方面的研究,提出了适用于我国东部沿海基岩海岛的地下淡水蘑菇体新模式。以新构造控水为指导思想,探讨了基岩海岛裂隙水的赋存条件及富集规律,指出了地下水资源开发方向,并且结合生产实际,比较有效地解决了研究区变质岩海岛找淡水难的问题。     

基岩岛屿地下水数值模拟发展研究现状

基岩岛屿占我国岛屿的90%以上,且岛屿上的淡水资源十分珍贵。目前,岛屿上的供水(船运、雨水收集、海水淡化等)存在成本高、设备易坏等缺点。因此,岛屿的地下水资源无疑是优质、可靠、稳定的供水源。为了更好地开发基岩岛屿地下水资源,认为针对基岩岛屿地下水模拟,从地下水理论、地下水模拟的国内外研究现状和模拟模型等方面进行了综述。总结认为: 基岩岛屿的地下水多以“淡水蘑菇体”的形式储存,有别于沙质岛屿; 模拟模型应概化为横向各项同性的达西流或非达西流,或二者的耦合模型,并归纳了相应的地下水流运动方程; 基岩岛屿地下水模拟模型应分为孔隙型、裂隙型和孔隙-裂隙型3种类型; 在岛屿边界设定上,基岩海岸应设为隔水边界,沙质海岸应设为定水头边界。综述研究认为: 基岩岛屿地下水模拟模型应尽可能精细、完整、精准地刻画基岩岛屿的地质地貌,设置完整的岛屿补径排项; 模拟时,应准确对应基岩岛屿的地下水类型,选准模拟方法与模拟软件; 模型验证工作也是十分重要,需多次与岛屿水量均衡,且与实测水量和水位作对照,不断地修善模型。以上综述成果为我国今后开展基岩岛屿地下水数据模拟提供了理论依据。     

基岩岛屿地下水数值模拟发展研究现状

基岩岛屿占我国岛屿的90%以上,且岛屿上的淡水资源十分珍贵。目前,岛屿上的供水(船运、雨水收集、海水淡化等)存在成本高、设备易坏等缺点。因此,岛屿的地下水资源无疑是优质、可靠、稳定的供水源。为了更好地开发基岩岛屿地下水资源,认为针对基岩岛屿地下水模拟,从地下水理论、地下水模拟的国内外研究现状和模拟模型等方面进行了综述。总结认为: 基岩岛屿的地下水多以“淡水蘑菇体”的形式储存,有别于沙质岛屿; 模拟模型应概化为横向各项同性的达西流或非达西流,或二者的耦合模型,并归纳了相应的地下水流运动方程; 基岩岛屿地下水模拟模型应分为孔隙型、裂隙型和孔隙-裂隙型3种类型; 在岛屿边界设定上,基岩海岸应设为隔水边界,沙质海岸应设为定水头边界。综述研究认为: 基岩岛屿地下水模拟模型应尽可能精细、完整、精准地刻画基岩岛屿的地质地貌,设置完整的岛屿补径排项; 模拟时,应准确对应基岩岛屿的地下水类型,选准模拟方法与模拟软件; 模型验证工作也是十分重要,需多次与岛屿水量均衡,且与实测水量和水位作对照,不断地修善模型。以上综述成果为我国今后开展基岩岛屿地下水数据模拟提供了理论依据。     

Management of freshwater lenses on small Pacific islands

The nature of shallow aquifers and the impacts of seawater intrusion in small islands within the Pacific Ocean are reviewed. Many Pacific islands rely on shallow fresh groundwater lenses in highly permeable aquifers, underlain and surrounded by seawater, as their principal freshwater source. It is argued here that, in small islands, the nature of fresh groundwater lenses and their host aquifers coupled with frequent natural and ever-present anthropogenic threats make them some of the most vulnerable aquifer systems in the world. A simple steady-state approximation is used to provide insight into the key climatic, hydrogeological, physiographic, and management factors that influence the quantity of, and saline intrusion into freshwater lenses. Examples of the dynamic nature of freshwater lenses as they respond to these drivers are given. Natural and human-related threats to freshwater lenses are discussed. Long dry periods strongly coupled to sea surface temperatures impact on the quantity and salinity of fresh groundwater. The vulnerability of small island freshwater lenses dictates careful assessment, vigilant monitoring, appropriate development, and astute management. Strategies to aid future groundwater sustainability in small islands are presented and suggested improvements to donor and aid programs in water are also advanced.     

Groundwater travel times for unconfined island aquifers bounded by freshwater or seawater

Analytical solutions for calculating groundwater travel times within unconfined island aquifers are given for cases of both a freshwater-bounded island (island located in a fresh water lake) and an oceanic island (freshwater contained above intrusive saltwater). The solutions apply for homogenous aquifers recharged by surface infiltration and discharged by a down-gradient, fixed-head boundary, under steady-state conditions. The solutions are given for two simple island geometries: circular islands and strip islands. A technique is also provided for comparing travel times in inland islands and oceanic islands. Travel times in oceanic islands are found to be shorter than travel times in inland islands, and travel times in circular islands are found to be longer than travel times in strip islands.     

基岩岛屿地下水流场数值模拟研究

岛屿是我国领土的重要组成部分,对国家安全和国防军事意义非凡。岛屿的地下水资源尤为珍贵,地下水流场模拟是研究地下水分布规律的重要手段。水文地质条件复杂、可利用的观测井较少等原因,造成了基岩岛屿水文地质模型概化精度不高、初始条件难以获取等问题。为克服基岩岛屿地下水流场模拟的诸多困难,将珠海外伶仃岛作为研究区,利用数字高程模型数据开展地质地貌建模; 利用探地雷达法、直流电法与地质分析对岛屿进行探测,获取了地层数据; 采用地下水遥感评估法,利用实测井位数据,确定了地下水的初始水位,进而对基岩岛屿地下水流场进行建模; 最终,通过对外伶仃岛地下水流场的数值模拟得出地下水模拟流场图。岛上多个测点的探测水位值与模拟水位相关性较好,其拟合优度R²为0.872 2。由此可见,综合遥感、物探、水文地质手段等技术方法获取的数据,采用地下水模拟软件或程序实现基岩岛屿地下水流场的数值模拟,是基岩岛屿地下水资源研究的一个有效方法。     

Characterization of an island aquifer from tidal response

Growing demand for potable water for various needs has lead to indiscriminate exploitation of groundwater resources, particularly, in the terrain where surface water resources are negligible. One such area is an island where groundwater is the only source of fresh water. Groundwater is the prime source of fresh water on most of the atolls in the world. Groundwater on these islands is in the form of thin fragile floating lens and is often vulnerable to overexploitation, draught, tidal waves, tsunami and cyclone resulting in seawater ingress. Sustainable development of this meager source of fresh groundwater for a longer time becomes a more difficult task on small atolls with a large population depending on this vital resource. To develop a sustainable management scheme and identify the vulnerable part of aquifer, characterization of the aquifer system on islands is imperative. Groundwater on an atoll is extremely vulnerable to seawater mixing through natural as well as human activities. One such natural process is the tides of the ocean. The response of sea tide to the water table on the island offers valuable data as well as cost-effective means to characterize an aquifer system. Such characterization is vital for the management of groundwater resources on an atoll. The obtained results have compared well with the parameters obtained through a conventional pumping test. Therefore, the use of tidal response to the water table, which can easily be recorded, provides a rapid and cost-effective means to characterization of the aquifer system on the island.     

海岛环境下地下水封油库海水入侵数值模拟研究

海水入侵是影响海岛地下水封油库施工及运营安全的重要因素。海岛环境下建设地下水封油库,大规模的地下开挖将显著改变海岛天然地下水渗流场,海水入侵地下洞室一方面引发突水风险,另一方面海水中的氯离子将会对地下洞库结构设施造成侵蚀,影响地下油库的使用寿命。因此在海岛环境下建造地下水封油库,除了需要考虑水封可靠性与岩体稳定性外,还需要关注海水入侵等现象。科学设置水幕系统可以有效地减弱海水入侵风险,论文基于污染质运移相关理论,采用有限元数值模拟方法,以拟建浙江省舟山市某海岛大型地下水封油库为例,模拟了地下油库建造及运营期的海水入侵现象,研究表明:若不设置淡水水幕系统,开挖地下洞室会直接导致海水入侵;设置水平水幕后在确保水封可靠性的前提下,能在一定程度上减弱海水入侵;而设置垂直水幕系统则能较为明显地抑制海水入侵的发生。该成果为海岛环境下建造地下水封油库可能遇到的海水入侵问题研究提供了理论依据。     

Appraisal of groundwater resources in an island condition

A group of 36 coral islands is being scattered in the Arabian Sea off the western coast of India. On such islands, groundwater is the only source of fresh water for the islanders. The demand for groundwater is increasing every year due to growing population and urbanization. On the other side the peculiar hydrologic, geologic and geomorphic features restrict the availability of groundwater. Thus a proper understanding of the groundwater condition is important in order to meet this increasing demand and also to formulate future development and management strategies. Detailed hydrogeological, geophysical and hydrochemical studies had been carried out to identify potential fresh groundwater resources and quantify vulnerable parts of Andrott Island, Union Territory of Lakshadweep. Systematic collection and analysis of hydrological, geophysical and hydrochemical data gives an early signal of deterioration in groundwater quality in the peripheral parts of eastern and western coasts of this island and it suggests immediate measures for arresting the deterioration in groundwater quality as well as augmentation for restoration of aquifer in some parts of the island.