河口海岸带附近地下水运移规律研究

论文摘要

本论文以理论研究为主线辅以实际探索,对河口海岸带地下水运移规律进行了深入浅出的研究与分析。以河口海岸带地下水运动的“潮汐”特征为主线,本论文的主要研究内容包含了河口海岸带的地下水动力特性、河口海岸带的溶质运移特性等,其中包括: (1) 将指导实验模拟的相似理论引入推导垂向非均质因素(工程影响因素)影响下近岸地下水运动解析解中,应用方程分析法寻求垂向非均质含水层之间的相似比例系数。通过相似变换使得新解适于模拟天然情况下的垂直层状含水层或人工的垂向非均质含水层结构(防渗墙)影响情况下的水流规律。 (2) 从经典控制理论出发对一维垂向非均质含水层中潮汐响应问题进行推导分析,将半无限含水层设定为单输入控制下单输出线性开环系统,以传递函数作为含水层系统的基本数学描述,从另外一个角度对基于相似理论推导的该问题进行验证。 (3) 建立极坐标形式地下水二维潮汐运动模型。基于含时间t的格林函数推导象限域的河口含水层潮汐运动解析解和基于不含时间项t的格林函数推导出了扇形含水层区域在潮汐作用下地下水波动的解析解,通过概念模型描述了含水层在海潮和河口潮汐共同作用下地下水运动规律。 (4) 基于河口区域二维潮汐运动问题的控制方程和特点,采用简洁的数学转换提出求解相应的轴向各向异性含水层地下水潮汐运动的理论与方法。推得的解析解是本文新推导的扇形含水层二维潮汐运动解析解与前人求解的解析解的进一步推广与完善。 (5) 基于地下水饱和非饱和变密度水流和溶质运移模型,在概念模型的基础上通过数值模拟对地下河口的咸淡混合带的潮汐效应进行研究,并根据数值试验中咸淡锋面的特征以及对岸滩倾角效应的分析划分了地下河口咸淡混合的类型。 (6) 对于河口海岸带的真实环境进行了初步模拟探讨,结合实测资料探讨了河口海岸带地下水运移的各种自然特征现象,为今后对河口前缘地带的地下水运移规律的系统性研究奠定了一定的基础。 (7) 将Tabu搜索法应用在水文地质参数的反演上,结合河口海岸带地下水运移模拟参数优化反演问题对该方法进行了验证,表明此方法源于人工智能,显示出随机搜索的优势。

论文目录

• 前言
• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 河口海岸带地下水环境的研究背景
• 1.2 河口海岸带地下水动力研究进展
• 1.2.1 河口海岸带地下水动力影响因素
• 1.2.2 河口海岸带地下水动力模型
• 1.2.3 河口海岸带地下水动态试验与观测
• 1.3 河口海岸带地下水溶质运移研究进展
• 1.3.1 海岸带地下水咸-淡混合的模型
• 1.3.2 淡水帷幕
• 1.3.3 咸淡混和带现场试验与观测
• 1.4 反问题研究（Tabu搜索法）
• 1.5 地表河口与地下河口
• 1.5.1 地表河口
• 1.5.2 地下河口
• 1.6 本文主要内容与创新点
• 第二章 近岸非均质含水层中水波传播的解析计算
• 2.1 概述
• 2.1.1 海岸带地下水基本特征
• 2.1.2 近岸非均质含水层
• 2.2 海岸地下水动力基本模型
• 2.2.1 模型分析
• 2.2.2 基于解析解的含水层阻尼作用分析
• 2.3 非均质含水层地下水的潮汐响应
• 2.3.1 概况
• 2.3.2 相似理论与公式推导
• 2.3.3 实例分析
• 2.3.4 结论
• 2.4 基于经典控制论的理论解释
• 2.4.1 含水层系统的控制理论
• 2.4.2 垂向非均质含水层地下水位的阶跃响应
• 2.4.3 水位对周期信号的响应（频率响应）
• 2.4.4 算例与小结
• 2.5 本章小结
• 第三章 河口地区地下水二维潮汐运动
• 3.1 概述
• 3.2 地下水运动二维解析解的求解方法
• 3.2.1 无界问题的格林函数（基本解）
• 3.2.2 有界空间的格林函数
• 3.2.3 镜像法求格林函数
• 3.3 地下水位对河口潮的响应
• 3.4 L形的含水层地下水潮汐波动
• 3.4.1 模型
• 3.4.2 象限域的格林函数
• 3.4.3 解析解
• 3.4.4 结果分析
• 3.5 扇形含水层地下水的潮汐运动
• 3.5.1 模型
• 3.5.2 方程的推导
• 3.5.3 结果讨论
• 3.6 解析解的推广应用
• 3.6.1 河口潮
• 3.6.2 河口潮与海潮共同作用下的象限含水层
• 3.6.3 河口潮与海潮共同作用下的扇形含水层
• 3.7 本章小结
• 第四章 地下河口咸淡混合动态分析
• 4.1 地下河口水循环机制
• 4.2 数学模型及研究方法
• 4.2.1 主控方程
• 4.2.2 求解方法
• 4.3 海岸带地下水污染物源运移的潮汐作用
• 4.3.1 海潮对污染物的稀释作用（算例1）
• 4.3.2 河口区域的污染源运移轨迹（算例2）
• 4.4 潮汐对地下咸淡水混合的影响
• 4.4.1 概念模型与数值分析
• 4.4.2 地下河口混合类型分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 三角洲地下河口水环境模拟探讨
• 5.1 概述
• 5.2 地表水体的主要特征与相关概念
• 5.2.1 潮汐与潮流
• 5.2.2 径流
• 5.2.3 河口咸淡水混合
• 5.2.4 长江河口北支河势
• 5.3 长江河口环境地质概况
• 5.3.1 河口三角洲的地形与地貌
• 5.3.2 河口三角洲地层岩性（第四系含水系统）
• 5.4 河口海岸带含水层潮汐作用范围分析
• 5.4.1 基于Ferris解析解的潮汐作用范围分析
• 5.4.2 基于二维解析解的潮汐作用范围分析
• 5.5 长江口北支前缘地带地下水运移数值模拟
• 5.5.1 模型的选择
• 5.5.2 模拟区域水动态分析
• 5.5.3 水文地质条件分析
• 5.5.4 结果分析
• 5.6 基于Tabu搜索法的参数分区优化计算
• 5.6.1 Tabu搜索法原理
• 5.6.2 基于Tabu搜索法的含水层参数反演
• 5.6.3 河口海岸带的含水层参数分区优化
• 5.7 本章小结
• 第六章 主要结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻博期间发表的学术论文
• 攻博期间参与的主要科研项目
• 致谢