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)造運動的一種有效手段。
　　針對均質(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。這些研究進一步提高了對井水位潮汐振幅和相位差形成機理的認識水平。
　　地震使井水位發(fā)生變化的同時，也會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，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，導(dǎo)水系數(shù)提高，振幅上升