滨海淤泥质潮滩地下水波动特征及运动机制研究

Muddy tidal flat at coastal areas is significant zone for interaction between surface water and groundwater, the unique mild slope form and complex tidal creeks embedded in this kind of tidal flat are in favor of the upstream propagation of seawater, hence facilitating the fluctuation of aquifer groundwater wave and driving the polluting substance seawards. To alleviate the coastal water surroundings, it is necessary to have a deeper insight into the groundwater wave theory at coastal areas. Therefore, in view of the unique dynamic environment and geological conditions of coastal muddy tidal flats, we will systematically analyse the effects of complex dynamic loading and different aeration conditions on water-air displacement process in the unsaturated zone and its influence on the fluctuation of water table in the saturated zone. Based on Richards' equation, we will focus on the water retention of the unsaturated zone and water movement, theoretically extend the Boussinesq equation regarding groundwater wave, and analytically analyse the groundwater wave constituents, propagation characteristics under variably-saturated condition and corresponding effect mechanism according to the analytical solution. Based on the theoretical results, 2D and 3D surface water-groundwater coupling models can be constructed to analyse the hydrodynamics of groundwater under different spatial and temporal scales, and to discuss the exchange and transport of both terrestrially- and marine-derived contaminant under the effects of underground current, so as to provide scientific basis for alleviating and controlling the pollution of coastal waters and rationally utilizing coastal wetlands.

淤泥质潮滩是地下水与地表水相互作用显著的区域，其特有的缓坡、分级多汊地貌特征利于海水上溯，诱发潜层地下水的波动，促进滩面以下污染物的向海输运。为改善滨海水环境，需要从动力学角度深化对滨海地下水波动理论的认识，因此本项目针对淤泥质潮滩特有的动力环境和地质条件，系统分析复杂动力荷载和不同通气环境下滩面以下非饱和区的水气驱替过程及其对地下水波动过程的影响。考虑非饱和区土壤持水特性和水分运移特征，基于Richards方程，从理论上拓展地下水波的Boussinesq型方程，根据摄动法推求方程高阶解析解，分析潮滩变饱和度环境下地下水波组成、传播特性及其影响机制。基于理论成果，构建地下水-地表水二、三维耦合数值模型，系统分析淤泥质潮滩不同尺度范围地下水的运动过程，探讨地下水潜流作用下陆相及海相物质的输运方式，为治理滨海水体污染和合理利用滨海湿地提供科学依据。

基于非饱和流对潜水层波动特征及水文过程的重要影响，本项目开展理论研究取得以下主要成果：1、深入分析了非饱和区对潮致地下水波动的影响，基于有限潜水层厚度和有限振振幅条件，推导出理论解析解。研究发现，潜水内平均潜水面高度、非饱和区与饱和区交界面的水量交换都会因非饱和区厚度的改变而发生变化，这种效应在毛管高度增加和非饱和区厚度增大时会分别呈现出增强和减弱的趋势。2、进一步通过引入改进的水分-压力函数，从理论上推出能够考虑迟滞效应的波动方程。研究表明，水波理论中有必要同时考虑非饱和区的垂向和水平方向流动，两个不同方向的运动对迟滞性的影响不容忽视。表现为对波动弥散关系的影响，造成振幅衰减和位相改变，此外不同波动周期和非饱和区厚度均会影响迟滞性的强度。这一特征可以通过调整水分-压力函数之间的关系去实现，这为今后耦合地表水与地下水模型提供了新的理论依据。3、结合流域地下水问题，进一步提出新型HSB模型，在模型中增加非饱和区侧向流成分。基于改进的VG函数，从理论上推出能体现非饱和区贡献的等效高度函数形式。基于这一解析形式，进一步完善了非线性HSB理论，实现了排水期不同阶段水文信号的准确模拟。研究结果表明，非饱和区的侧向排水在整个边坡排水过程中发挥重要作用，即便是在沙土环境中，有限的非饱和区侧向流在排水的中后期也会促使水面线快速下降。通过比较收敛和发散型地貌水文过程案例，进一步阐明了构建水文模型时考虑侧向非饱和流的必要性。引入的等效排水厚度概念，也为今后评估非饱和流影响提供了理论依据。4、进一步基于该理论和室内试验，我们首次提出在排水过程中会存在3个典型阶段，而传统理论仅仅认为是2个阶段，我们对传统理论研究中提出的排水过程曲线存在突变的观点进行了修正，指出正是由于非饱和区的缓冲效应导致现场观测、室内实测的水文过程曲线均为缓变过程的重要原因。上述研究从不同角度系统评价了非饱和流对地下水波动和物质输运的影响。