井-含水層系統(tǒng)潮汐水流分析與應(yīng)用研究.pdf

1、潮汐力是一種可以精確計(jì)算的力源，它引起的井水位潮汐現(xiàn)象揭示了地下水與巖石形變的耦合關(guān)系，一直受到水文學(xué)、地震學(xué)界的關(guān)注。固體潮是日、月和近地行星對(duì)地球的引力變化所導(dǎo)致的地球內(nèi)部和表面的周期性形變。通過研究含水層孔壓與井水位對(duì)固體潮的響應(yīng)，分析井水位潮汐現(xiàn)象，不僅可以獲得含水層介質(zhì)特性和水力學(xué)參數(shù)，而且也是探究構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的一種有效手段。
　　針對(duì)均質(zhì)各向同性介質(zhì)，論文應(yīng)用線性孔彈性應(yīng)力均衡方程，研究不排水條件下各向同性飽水巖石在引潮力

2、作用下的體應(yīng)變，推導(dǎo)出飽水巖石孔壓對(duì)引潮高的線性響應(yīng)方程，定義了孔壓的潮汐響應(yīng)系數(shù)(E)的物理意義，并且給出它的值域范圍。針對(duì)裂隙介質(zhì)，論文在Bower(1983)單裂隙流體壓力潮汐振幅和相位差與裂隙產(chǎn)狀關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，建立單裂隙和多裂隙流壓-引潮高振幅比和相位差響應(yīng)模型，分析巖石彈性參數(shù)對(duì)振幅比和相位差的影響，繪制出單裂隙流體壓力潮汐分波振幅比和相位差與裂隙產(chǎn)狀的關(guān)系曲線。裂隙含水層潮汐振幅和相位差受裂隙產(chǎn)狀的影響，振幅比隨裂隙傾角

3、增大而增大，相位差幾乎不受巖石彈性參數(shù)的影響。
　　潮汐力作用于井和含水層，導(dǎo)致井-含水層之間的徑向水流交換。Hsieh(1987)推導(dǎo)了徑向流條件下，井水位-含水層孔壓的振幅比和相位差公式。在Hsieh(1987)公式基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步推導(dǎo)了井水位-引潮高的振幅比和相位差公式，并定義了振幅比和相位差的物理意義。徑向流作用下所產(chǎn)生的振幅和相位差主要隨徑向?qū)禂?shù)變化而變化。根據(jù)振幅和相位差隨導(dǎo)水系數(shù)變化變化特征，把井-含水層耦合關(guān)

4、系分為三個(gè)區(qū)間:耦合區(qū)、過渡區(qū)和非耦合區(qū)。若含水層具有較高的徑向?qū)禂?shù)，井水位可以及時(shí)響應(yīng)孔壓變化，徑向振幅比接近于1，相位滯后為0或較小，井水位與孔壓充分耦合，故稱為耦合區(qū);若徑向?qū)禂?shù)很小，井與含水層之間存在較大的水力梯度，相位滯后較多，徑向流振幅比A較小，井水位潮汐現(xiàn)象不明顯，井水位與孔壓不能充分耦合，故稱為非耦合區(qū);界于耦合區(qū)和非耦合區(qū)為過渡區(qū)，在過渡區(qū)內(nèi)，徑向流振幅比和相位差滯后隨導(dǎo)水系數(shù)變化顯著。應(yīng)用井水位-引潮高的振幅

5、比和相位差公式，結(jié)合井水位與孔壓的耦合關(guān)系劃分，提出根據(jù)井水位潮汐分析估計(jì)含水層導(dǎo)水系數(shù)的方法，并開展井-含水層耦合關(guān)系案例分析。
　　潮汐力作用于垂向不均勻含水層，導(dǎo)致垂向含水層之間的水流交換。本文利用地下水動(dòng)力學(xué)和固體潮理論，建立垂向流條件下含水層孔壓潮汐振幅和相位差對(duì)引潮位的響應(yīng)模型，研究含水層孔壓-引潮高的振幅比和相位差與含水層力學(xué)特征和水動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系。垂向流所產(chǎn)生的潮汐振幅和相位差變化，解釋了井水位-引潮高的相位

6、差為正的情況。在上述研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步推導(dǎo)了徑向和垂向流情況下，井水位-引潮高的振幅比和相位差公式。根據(jù)兩波（M2和O1波）作用下井水位-引潮高的振幅比和相位差的關(guān)系，以及M2波作用下井水位-引潮高的振幅比和相位差的變化，提出識(shí)別含水層中潮汐徑向流、垂向流和混合流的方法。這些研究進(jìn)一步提高了對(duì)井水位潮汐振幅和相位差形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)水平。
　　地震使井水位發(fā)生變化的同時(shí)，也會(huì)以多種形式影響含水層滲透系數(shù)甚至改變含水層孔彈性參數(shù)，進(jìn)而引

7、起井水位潮汐振幅和相位差的變化。在靜應(yīng)力作用下，含水層產(chǎn)生孔彈性響應(yīng)，改變含水層滲透系數(shù);地震波使含水層與井之間水流交換增加，通過孔隙（裂隙）內(nèi)膠體顆粒的活化遷移、非潤濕相氣泡或液滴活化遷移等機(jī)制，提高含水層滲透系數(shù)，振幅和相位差階升，其后逐漸恢復(fù)。
　　振幅和相位差的長期趨勢(shì)性變化反應(yīng)出含水層在構(gòu)造應(yīng)力作用下的應(yīng)變信息。當(dāng)斷裂帶受到擠壓時(shí)，裂隙閉合，導(dǎo)水系數(shù)降低，相應(yīng)地，振幅減小，相位差下降。當(dāng)裂隙膨脹時(shí)，導(dǎo)水系數(shù)提高，振幅上升