[发明专利]地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置及模拟方法

说明书

本发明涉及一种地震‑海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置及模拟方法，该装置主要由定水头供水装置、渗流槽、潮汐生成器、咸水箱、地震模拟振动台和模拟井钢管组成，槽体沿长度可分为淡水区、含水介质区和海水区，含水介质区加入水和砂构建承压含水层，隔水层介质为粘土，在咸水箱中，加入NaCl和胭脂红色素的自来水模拟着色海水。本方法通过定水头将自来水注入淡水区，以潮汐生成器注入海水区；待海水楔形稳定后，在地震模拟振动台设置振动波的频率、加速度、波形、主震时间，加载振动波开始振动渗流实验，实时采集监测数据，并观测咸淡水界面及测压管水位变化过程。本发明能实现客观模拟和表征地震波‑海潮‑含水介质作用下地下水的动态变化。

技术领域

本发明属于水文地质与水环境研究技术领域，涉及一种能够模拟海潮和地震作用下近海岸带地下水渗流模拟装置及模拟方法，并可用于近海岸带地下水渗流的实验教学。

背景技术

地震是地壳快速释放能量过程中造成振动，期间会产生地震波的一种自然现象。在地震的孕育和发生过程中，含水层受到挤压、拉张和破裂，导致地震近-远场部分水井的水位发生异常响应。地下水位的同震响应以及震后的水位恢复同地震波、含水层的力学和水力特性密切相关。

海潮是在太阳和月球对地球表面的引力差作用下，海洋表面出现的周期性涨落，海平面的一涨一落，人们通常称之为一个潮汐循环。海潮在垂向上表现为海水位的升降，在水平方向上表现为海水进和退。在近海岸带含水层中的一些井中，可以观测到地下水水位随海潮的变化呈现出周期性的波动，这种效应称为潮汐效应。潮汐效应可分为潮汐波动效应和潮汐荷载效应。滨海潜水含水层地下水与海水存在直接的水力联系，当海水位波动时，边界处水压力发生变化，致使含水层中地下水位也相应变化。承压含水层还受海底承压含水层延伸段上覆海水载荷的影响，其会导致含水层弹性变形引起地下水位发生变化。

海岸带是我国经济最发达、人口最聚集的地区。随着社会经济的高速发展，人们对淡水的需求日益增加，迫使近海岸带居民超量开采地下水，引起地下水位大幅度下降，破坏了淡水和海水的平衡状态，造成海水入侵灾害。海水入侵造成了水源地的破坏，严重影响到工农业的生产。潮汐作用影响着地下水动态特征，增强了海水-地下水之间的水量盐分交换作用，增加了密度差异引起的海水-地下水再循环量，对于海水入侵的模式和规模具有不可忽视的影响。海水入侵必须具备海水与地下淡水的“通道”，该“通道”是指具备一定透水性能的第四系松散层、基岩断裂破碎带或岩溶裂隙、溶洞等。一旦有地震发生，入侵通道发生形变和破裂，也会对海岸带海水入侵的程度造成影响。

我国海岸带处于亚欧大陆板块和太平洋板块交界处，海岸带多存在地震中心。历史上海岸带发生地震较多，如1975年的海城地震，1976年的唐山地震等，给人民生命财产造成严重损失。在地下水位微动态观测中，井水位的异常变化往往可以作为地震发展过程的识别信息，而近海岸带井水位所呈现出的潮汐周期变化是海潮、固体潮叠加所产生的复合潮汐作用。在沿海地区的地下水动态监测过程中，需明确海洋潮汐效应对地下水位同震响应特征的影响程度和作用方式，基于此可更有效提取井水位微动态所蕴含的地震信息。

鉴于以上原因，需要开发一种能准确演示、定量研究地震和海潮作用下近海岸带地下水渗流过程的模拟装置，以便于建立或者验证我国近海岸带海水入侵及地震异兆监测的新理论。目前，国内的潮汐作用下近海岸带渗流模拟实验装置多用于演绎海水入侵的演化过程，仅偏重于分析潮汐水压力传递效应导致潜水含水层水位波动现象，不能全面反映潮汐荷载效应对承压含水层地下水位的影响，也不能用来识别海洋潮汐效应下地下水位的同震响应特征。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种地震-海潮作用下近海岸带地下水渗流的模拟装置及模拟方法，能够实现客观模拟和表征地震波、海潮和含水介质作用下地下水位的动态变化，方便教师对近海岸带地下水渗流学习的教学演示。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，结合附图说明如下：