如何形成倒锥状的物体？

倒锥是由抽水引起的。抽水时井内水位下降，井底流速增大，引起抽汲点水压降低，透镜体底部过渡带抬升，淡-咸水界面形成一倒立的锥面，俗称“倒锥”。倒锥的演变是渐进的，与抽水速率的大小密切相关，也与含水介质的水力特性、透镜体厚度、水井穿透深度有关。图7.7定性地反映了用井抽水时井下倒锥的形成与变化过程：抽水量较小时，抽水对过渡带的影响小，透镜体中淡水可经由过渡带持续流向海洋，淡-海水的混合水不会到达抽水点，进入井中的水流为过渡带界面以上的淡水，井水便没有盐化现象。这时倒锥的顶部离水井底部有一段足够的安全距离，倒锥能够保持稳定的形状；但随着抽水速率的增加，倒锥会逐渐抬升。当达到某一抽水速率时，倒锥的顶点虽仍在井底以下，但倒锥锥体已处于能保持稳定的最高位置上，这时的状态称为“临界状态”，对应的抽水速率称为“临界抽水率”，此时锥顶距初始界面的距离称为“临界升高”，临界升高大约为井底到初始界面距离的2/5～3/5，有的研究认为，此值约为3/5～3/4；若井的抽水速率稍再增加，锥顶突破临界升高，锥体界面将失去稳定而迅速上升，直达水井，海水流入。倒锥上升的程度正比于抽水速率，而反比于水平渗透系数和井底到初始界面的距离。倒锥上升速度则随垂向渗透系数的增加而增加。水平低渗透层的存在会延缓盐水倒锥的形成和发展。

(www.xing528.com)

图7.7　淡水透镜体倒锥示意图

很早人们就注意到了抽水倒锥现象，早在1946年，Muskat研究了咸水浸入油井时的倒锥。其后，Bear和Dagan于1964、1966和1968年研究了海岸水井抽水倒锥，为简单起见，他们假设淡-海水间有一突变界面，并用小扰动法求得了突变界面的解析解。在含水层比较厚时，这一假设是合理的。但实际上，淡-海水间由于弥散而存在一过渡带，出现Cl-浓度分层。在倒锥发展过程中，过渡带的宽度会增加，这种情况下，可把Cl-浓度为600 mg/L的等值面作为淡-海水界面，并由此定义倒锥的锥面。由于浓度的分层、变化必然带来流体密度的改变，因此，在考虑过渡带的存在时，倒锥的位置要通过求解变密度流动力学方程和溶质输移方程来确定。下面就淡-海水间为突变界面和过渡带两种不同情况对倒锥的演变过程进行定量模拟，并以永兴岛为例，求得淡水透镜体的临界抽水速率。