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    重庆时时彩后一平刷王: 淡水带满足裘布依假设的海岸带咸淡水界面位置的确定方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201510546065.0

    申请日:

    2015.09.01

    公开号:

    CN105606336A

    公开日:

    2016.05.25

    当前法律状态:

    撤回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的视为撤回IPC(主分类):G01M 10/00申请公布日:20160525|||实质审查的生效IPC(主分类):G01M 10/00申请日:20150901|||公开
    IPC分类号: G01M10/00 主分类号: G01M10/00
    申请人: 中国地质大学(北京)
    发明人: 周训
    地址: 100083 北京市海淀区学院路29号
    优先权:
    专利代理机构: 代理人:
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201510546065.0

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2018.07.20|||2016.06.22|||2016.05.25

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的视为撤回|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开了淡水带满足裘布依假设的海岸带咸淡水界面位置的确定方法。通过考察满足裘布依假设的滨海均质各向同性潜水含水层咸淡水界面之下咸水带中任意点的压力平衡关系,单位水平面积从潜水面到界面处的淡水水柱加上从界面处到该点的咸水水柱,应与该点处所存在的咸水水柱保持平衡,可以推导出根据界面以下咸水带中任意点A的咸水测压水头和界面以上同一垂直线上E点的淡水潜水位来计算咸淡水界面位置的数学公式。通过考察咸淡水界面之上和之下任意点的水头描述,可以推导出根据咸水带任意点A咸水测压水头和淡水带任意点C淡水测压水头确定咸淡水界面位置的一般公式。这两种方法各需要2个相邻的测压孔,分别揭露潜水带和咸水带。

    权利要求书

    1.一种淡水带满足裘布依假设的海岸带咸淡水界面位置的确定方法,其特征是:通过考察满足裘布
    依假设的滨海均质各向同性潜水含水层咸淡水界面之下咸水带中任意点的压力平衡关系,单位水平面积从
    潜水面到界面处的淡水水柱加上从界面处到该点的咸水水柱,应与该点处所存在的咸水水柱保持平衡,可
    以推导出根据界面以下咸水带中任意点的咸水测压水头和界面以上同一垂直线上点的淡水潜水位来计算
    咸淡水界面位置的数学公式。通过考察咸淡水界面之上和之下任意点的水头描述,可以推导出根据咸水带
    任意点咸水测压水头和淡水带任意点淡水测压水头确定咸淡水界面位置的一般公式。
    2.根据权利要求1所述的确定海岸带咸淡水界面位置的方法,其特征是:需要观测咸水带中任意点
    的咸水测压水头和淡水带的潜水位。
    3.根据权利要求1所述的确定海岸带成淡水界面位置的一般公式,其特征是:需要观测咸水带中任
    意点的咸水测压水头和淡水带任意点的淡水测压水头。
    4.根据权利要求1所述的确定海岸带咸淡水界面位置的方法,其特征是:需要2个相邻的不同深度
    的测压孔,分别揭露咸水带任意点和淡水带的潜水位。
    5.根据权利要求1所述的确定海岸带咸淡水界面位置的一般公式,其特征是:需要2个相邻的不同
    深度的测压孔,分别揭露咸水带任意点和淡水带任意点。

    说明书

    淡水带满足裘布依假设的海岸带咸淡水界面位置的确定方法

    1.技术领域

    本发明涉及利用海岸带水头观测资料确定咸淡水界面的方法,可以用来研究海岸带地下水的水动力特征和分析海岸带地下水环境的演变和?;?,属于海岸带地下水动力学技术领域。

    2.背景技术

    陆地上有漫长的海岸线,沿海地区通常是经济发展迅速和人口密集的地区。在许多滨海地区分布有地下含水层,在天然条件下地下水向海里排泄。滨海含水层地下淡水资源是沿海地区重要的供水水源,成为当地开发利用的主要对象??杀鹾:愕叵碌试椿崾艿胶K肭值耐?,海水入侵是海岸带困惑人们的主要环境地质问题。海岸带淡水与咸水之间的关系、地下水向海洋的排泄量和海水入侵等问题,受到国内外各界的关注和学者们的深入研究。

    海岸带地下淡水与海水(咸水)之间的关系,是研究海岸带地下水首先涉及和需要解决的问题。研究滨海含水层海岸带淡咸水之间关系的模型可以分为两类:突变界面模型和过渡带模型。前者把淡咸水之间的接触带近似处理为一个突变界面,后者处理为渐变的水动力弥散带。研究海岸带淡咸水突变界面已有100多年的历史,将咸水和淡水之间的接触关系处理成一个突变界面,是海岸带地下水动力学分析的基本方法。描述突变界面的数学模型又包括稳定界面模型和移动(非稳定)界面模型,其中稳定界面模型主要采用解析法求解,移动界面模型主要采用数值法求解,只有某些特殊情形可以近似采用解析法求解。

    海岸带咸淡水之间关系的数学描述是研究海岸带地下水水动力变化和滨海地区的水环境演变的重要理论基础。许多研究者将海岸带咸淡水之间的关系处理为突变界面并在实际中广泛应用。也有不少研究者将海岸带咸淡水之间的关系处理为过渡带并广泛应用于海水入侵的研究中。早在100多年前Ghyben和Herzberg就定量研究了海岸带咸淡水之间的关系,提出了依赖潜水位确定咸淡水突变界面位置的数学公式,这就是经典的Ghyben-Herzberg公式(模型)。后来Hubbert(1940)提出了根据界面上水头描述界面位置的数学公式。Bear(1979)指出了Ghyben-Herzberg公式在实际应用中的局限性,并对Hubbert公式所描述的突变界面问题给出了严格的数学描述。近几年来,发明人在描述海岸带咸淡水界面位置的计算公式方面又取得了新的进展。本节介绍依据滨海含水层同一垂直线上不同点的水头或压力确定咸淡水界面位置的几种方法。下面简要介绍Ghyben-Herzberg模型和Hubbert模型。

    (1)Ghyben-Herzberg公式

    如图1所示,假设海岸带咸水和淡水处于静水平衡状态,这时地下水不流动,在海岸没有淡水出口,咸淡水界面在海岸处与潜水面相交??疾焱?中咸淡水界面上任意点B点的压力平衡关系可知,在B点处单位水平面积淡水水柱(从E点到B点)和咸水水柱(从平均海平面D点到B点)应保持平衡,可以建立如下关系:

    ρsgM=ρfg(hf+M)(1)

    式中:M为咸淡水界面B点在海平面之下的深度,hf为与B点在同一垂直线上的潜水面E点相对于海平面的高度,ρs和ρf分别为咸水和淡水的密度,g为重力加速度常数。由式(1)得

    M = ρ f ρ s - ρ f h f = δh f - - - ( 2 ) ]]>

    式中

    δ = ρ f ρ s - ρ f - - - ( 3 ) ]]>

    式(2)称为Ghyben-Herzberg公式,是由Ghyben于1889年和Herzberg于1901年分别独立提出的(FreezeandCherry,1979;DomenicoandSchwartz,1990;Fetter,1994)。Ghyben-Herzberg公式给出了在静水平衡条件下根据潜水面估算得到的咸淡水界面距海平面的深度。在一般情况下,有ρf=1.0和ρs=1.025,则式(2)成为:

    M=40hf(4)

    式(4)表明,在同一垂直线上,咸淡水界面上的一点距海平面的深度是潜水面距海平面的高度的40倍,或者说海平面之上潜水位为1m时对应的咸淡水界面位于海平面之下40m处,或者说潜水面升高(或下降)1m时咸淡水界面下降(或升高)40m,也可以说成淡水界面的坡度是潜水面坡度的40倍。

    Ghyben-Herzberg公式在满足静水平衡的条件下是正确的,但是静水平衡的条件在实际地下水系统中是不存在的。Bear(1979)指出了用Ghyben-Herzberg公式估算实际海岸带的咸淡水界面的深度是偏小的,越靠近海岸其误差越明显。另外Ghyben-Herzberg公式描述的咸淡水界面在海岸没有淡水出口,这与实际海岸带的情形不相符。尽管如此,Ghyben-Herzberg公式仍被广泛应用于估算咸淡水界面的位置和海岸带水动力的分析和计算,尤其是在区域性研究中仍不失为一种简便的方法。

    (2)Hubbert公式

    Hubbert(1940)考察了具有突变界面的两种不同密度流体的水头与观测点位置之间的关系。如图2所示,对于任一流体区内的任意一点,可以分别定义如下两种水头:

    式中:z为该点相对于任意基准面的高度,P为该点处的压力,和分别为该点处流体1和流体2相对于任意基准面的水头,ρ1和ρ2分别为流体1和流体2的密度。由式(5)和(6)消去P,则有

    式(7)称为Hubbert公式。该公式给出了任意点的两种流体水头和该点位置之间的关系。如果该点位于界面上,则式(7)就成为描述界面位置的Hubbert公式。

    Hubbert公式是界面位置严格的正确的数学描述,在海岸带如果同时已知咸淡水界面上任意点的咸水水头和淡水水头,则该点的位置可以根据式(7)来确定。但是运用Hubbert公式的困难在于界面的位置本身并不能事先知道,因此界面上任意点的两种水头也就不可能事先知道,这就使Hubbert公式在实际运用中受到限制。

    3.发明内容

    本发明公开了一种根据海岸带淡水带水头和咸水带水头确定咸淡水界面位置的方法。

    Ghyben-Herzberg公式仅适用于咸水带水头与海平面相同的情形。在实际的海岸带中,咸水带水头通常与海平面不相同,例如,在广西北海市海岸带观测到的咸水带水头在干旱季节可以低于平均海平面,而在雨季可以高于平均海平面(Zhou等,2008)。表明在海岸带同一垂直线上的潜水位和咸水带测压水头都对咸淡水界面的位置产生影响,因而确定界面位置的数学公式应既依赖于潜水位也依赖于咸水带测压水头,而不是象Ghyben-Herzberg公式那样只依赖于潜水位。通过考察滨海均质各向同性潜水含水层咸淡水界面之下咸水带中任意点的压力平衡关系,并注意到当地下水流处于稳定状态且满足裘布依(Dupuit)假设(即地下水基本上是水平流动或不存在垂向流速分量)时,在同一垂直线上,单位水平面积从潜水面到界面处的淡水水柱加上从界面处到该点的咸水水柱,应与该点处所存在的咸水水柱保持平衡,可以推导出根据界面以下咸水带中任意点的咸水测压水头和界面以上同一垂直线上的淡水潜水位来计算咸淡水界面在平均海平面之下的深度或相对于任意基准面的高度的数学公式(Zhou等,2008)。

    如图3所示,假定①滨海潜水含水层是均质各向同性的,②地下水流是稳定流并向海里排泄,③淡水带地下水流动满足裘布依假设。海岸带有一垂直线AE与潜水面、海平面和咸淡水界面分别相交于E、D和B点。选取与垂直线AE重合的垂向坐标,向上为正,D点为原点且与平均海平面重合。对于咸淡水界面之下咸水带任意点A,可以建立以下压力平衡关系:

    ρsg[hs+(0-zs)]=ρsg(zi-zs)+ρfg[hw+(0-zi)](8)

    式中:hs为A点咸水测压水头,zs为A点标高,zi为界面上B点的标高,hw为E点潜水面标高,并且hw=hi,hi为界面B点淡水水头标高。由式(8)可以得到:

    z i = ρ s ρ s - ρ f h s - ρ f ρ s - ρ f h w = ( 1 + δ ) h s - δh w = ( 1 + δ ) h s - δh i - - - ( 9 ) ]]>

    式(9)描述的是根据海岸带同一垂直线上咸水带任意点的咸水水头hs和淡水带潜水位hw确定咸淡水界面位置的公式,hs和hw可以通过相邻的两个测压孔来测定。

    特别地,当A点的咸水水头与平均海平面相同时,即hs=0时,式(9)成为:

    zi=-δhw=-δhi(10)

    式(10)相当于式(2),即Ghyben-Herzberg公式??杉?,Ghyben-Herzberg公式是式(9)的一个特例。

    式(9)表明咸淡水界面的位置可以依据咸水带水头和潜水位来确定,它将界面的位置与咸水带咸水水头和潜水位联系起来。只要满足相应的假设条件,式(9)的计算结果将是合理的。但是,如果不满足裘布依假设,特别是靠近海岸和远离海岸,式(9)的计算结果将带来一些误差。此外,与Ghyben-Herzberg公式只需要1个观测孔相比,这一方法需要2个测压孔,分别揭露潜水位和咸水带。

    4.附图说明

    图1为海岸带静水条件下潜水含水层咸淡水界面示意图。

    图1中,M为咸淡水界面B点在海平面之下的深度,M′为咸淡水界面B点在任意基准面之上的高度,hf为与B点在同一垂直线上的潜水面E点相对于海平面的高度,ρs和ρf分别为咸水和淡水的密度。

    图2为两种流体之间的分界面示意图。

    图2中,z为界面B点相对于任意基准面的高度,ρ1和ρ2分别为流体1和流体2的密度。

    图3是海岸带满足Dupuit假设的潜水含水层咸淡水界面示意图。

    图3中,ρs和ρf分别为咸水和淡水的密度,hs为A点咸水测压水头标高,hi为界面B点淡水水头标高,hf为C点的淡水水头标高,hw为E点潜水面标高,并且hw=hi,zs为咸水带A点标高,zi为界面上B点的标高,zf为淡水带C点的标高,zw为潜水面E点标高。

    5.具体实施方式

    通过考察咸淡水界面之上和之下任意点的水头描述,可以推导出根据咸水带任意点咸水测压水头和淡水带任意点淡水测压水头确定咸淡水界面位置的计算公式(zhou,2011)。在图3中同样假定①滨海潜水含水层是均质各向同性的,②地下水流是稳定流并向海里排泄,③淡水带地下水流动满足裘布依假设。描述海岸带同一垂直线上淡水带任意点C点的淡水测压水头的公式为:

    h f = P f ρ f g + z f - - - ( 11 ) ]]>

    式中:hf为C点的淡水水头,zf为C点的标高,Pf为C点的压力。对于咸水带任意点A点,可以给出其咸水水头为:

    h s = P s ρ s g + z s - - - ( 12 ) ]]>

    式中Ps为A点的压力。

    Ps可以表示为A点至B点的咸水水柱、B点至C点的淡水水柱和C点至E点的淡水水柱的压力之和,因而式(12)可以进一步表示为:

    h s = 1 ρ s g { ρ s g ( z i - z s ) + ρ f g ( z f - z i ) + ρ f g [ ( h f + ( 0 - z f ) ] } + z s - - - ( 13 ) ]]>

    整理式(13)得:

    h s = ( 1 - ρ f ρ s ) z i + ρ f ρ s h f - - - ( 14 ) ]]>

    注意到hf=hi=hw,由式(14)得:

    z i = ρ s ρ s - ρ f h s - ρ f ρ s - ρ f h f = ( 1 + δ ) h s - δh f = ( 1 + δ ) h s - δh i - - - ( 15 ) ]]>

    式(15)给出了根据海岸带同一垂直线上咸水带任意点的咸水水头hs和淡水带任意点的淡水水头hf确定咸淡水界面位置的公式,hs和hf可以通过相邻的2个测压孔来测定。

    特别地,当A点和C点同时位于界面上的B点时,式(15)就相当于描述界面位置的Hubbert公式(7)。因此,描述界面位置的Hubbert公式可以看成是式(15)的一个特例。

    如果淡水带C点位于潜水面上,即hf=hw,则式(15)成为式(9)。而且,当C点位于潜水面上且A点的咸水水头与海平面相同时,式(15)就成为Ghyben-Herzberg公式。由于A点和C点是任意的,所以式(15)是在满足相关假定条件下确定咸淡水界面位置的一般公式。显然,Ghyben-Herzberg公式、描述界面位置的Hubbert公式和式(9)都可以看成是式(15)的一个特例。由于hs未必与平均海平面相同,而且hf比hw更易于测定,故式(15)更加具有一般性。

    式(15)表明界面的位置可以依据咸水带任意点(自界面往下)咸水水头和淡水带任意点(自潜水面至界面)淡水水头来确定,它将界面的位置与咸水带水头和淡水带水头联系起来。只要满足相应的假设条件,式(15)的计算结果将是合理的。但是,如果不满足Dupuit假设,特别是靠近海岸和远离海岸,式(15)的计算结果将带来一些误差。此外,这一方法也需要2个相邻的测压孔,分别揭露潜水带和咸水带。在实际中,咸淡水界面位置可以利用式(15)来确定。

    参考文献

    Bear,J.1979.Hydraulicsofgroundwater.McGraw-Hill,Inc,London

    Domenico,P.A.,Schwartz,F.W.1990.Physicalandchemicalhydrogeology.JohnWiley&Sons,NewYork

    Fetter,C.W.1994.Appliedhydrogeology.MacmillanCollegePublishingCompany,NewYork

    Freeze,R.A.,Cherry,J.A.1979.Groundwater.Prentice-Hall,Inc,London

    Hubbert,M.K.1940).Thetheoryofground-watermotion.JournalofGeology,48:785-944

    Zhou,X.,Zhou,H.,Zhang,L.2008.Characteristicsofpiezometricheadsanddeterminationoffreshwater-saltwaterinterfaceinthecoastalzonenearBeihai,China.EnvironmentalGeology,54(1):67-75

    Zhou,X.2011.Amethodforestimationofthefreshwater-saltwaterinterfacewithhydraulicheadsinacoastalaquiferanditsapplication.GeoscienceFrontiers,2(2):199-203

    周训,金晓媚,梁四海,沈晔,张红梅.2010.地下水科学专论.北京:地质出版社。

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