海水入侵將導(dǎo)致如水質(zhì)惡化、土壤鹽漬化

前言海水入侵指濱海地區(qū)人為超量開采地下水，引起地下水位大幅度下降，海水與淡水之間的水動力平衡被破壞，導(dǎo)致咸淡水界面向陸地方向移動的現(xiàn)象（海水入侵問題研究綜述_郭占榮）。海水入侵將導(dǎo)致如水質(zhì)惡化、土壤鹽漬化等一系列生態(tài)、環(huán)境問題，是許多沿海國家和地區(qū)面臨的主要環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害之一。根據(jù)海水入侵的機理，要根本上解決海水入侵問題，必須提高濱海地區(qū)的地下淡水水位，對此產(chǎn)生了各種防治海水入侵的措施，（1）改變現(xiàn)有的地下水開采模式；（2）人工回灌淡水；（3）抽水、注水或抽水-注水聯(lián)合法；（4）地下截滲墻，也稱地下壩、截滲壩。地下截滲墻，它有很低的滲透性，一般底部修至淺層含水層的隔水底板處，頂部修至含水層中間某一部位或地表，是通過切斷海水入侵通道和地下淡水排泄通道來防止海水入侵，目前國內(nèi)外已經(jīng)存在很多示范工程。1988年，美國陸軍工程師在密西西比河下游設(shè)計臨時性的潛壩，以應(yīng)對創(chuàng)紀錄的枯水年所造成的鹽水楔向上游入侵，保護了新奧爾良地區(qū)的淡水供應(yīng)，節(jié)約投資5000萬美元。1972年日本在沖繩島開始修建Komesu地下壩用于防治海水入侵，保護淡水資源，增加地下水儲存能力。截止2004年，日本大約已修建15個地下壩，其中7個用于阻止海水入侵。在我國，山東濱海城市海水入侵問題較為嚴重，已建有不同規(guī)模的河口地下截滲墻工程6座，解決了海水入侵的問題，同時，也形成了地下水庫。如1995年，山東龍口黃水河地下截滲墻建成，起到了阻斷海水入侵的作用，同時也改善了庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境；1998年大沽河下游膠州市麻灣的位置修建了一道長4km的地下截滲墻，防治海水倒灌，形成了一個容積近1億立方米的永久地下水庫?，F(xiàn)在，求解海水入侵問題的主流方法已是數(shù)值模擬。關(guān)于咸淡水作用的模型主要有突變界面模型和過渡帶模型。突變界面模型假定咸淡水之間存在一個突變界面，兩者不混溶。但在實際情況下，海水和淡水可以混溶，因此又發(fā)展到過渡帶模型，認為咸、淡水之間存在著混合流體，密度是逐漸變化的。根據(jù)是否考慮密度的影響，又分為均質(zhì)流體過渡帶模型和變密度過渡帶模型。后來的事實表明，地下水密度的微小變化會對流速和流態(tài)產(chǎn)生顯著的影響。因此在研究如地下咸水運動問題時，就需要考慮地下水的密度變化?；趯Υ藛栴}的考慮，過渡帶模型進入變密度階段。Pinder（1970）在數(shù)學層面上對突變界面模型進行了完整的描述，然后將其運用于紐約長島的海水入侵的數(shù)值模擬，結(jié)果很好。DasGupta（1982）等在用解析方法求解泰國曼谷附近的海水入侵時忽略了流體密度變化對水頭、濃度的影響，結(jié)果仍能達到較為理想的程度。Galeati和Gambolrti在研究意大利南部剖面上的海水入侵問題時，采用了歐拉-拉格朗日隱式方法對咸淡水耦合的過渡帶模型進行求解。Anwar(1983)通過對“cutoffwall”型截滲墻的調(diào)查研究提出了截滲墻在海水動力學的響應(yīng)，之后又進一步提出了一個關(guān)系式來確定在截滲壩作用下的海水-淡水界面。日本的JapanGreenResourcesAgency(2004，pp.196-220)雜志曾詳細的介紹了“subsurfacedam”型截滲壩成熟的施工技術(shù)。薛禹群通過對龍口濱海含水層的海水入侵進行研究，建立了海水入侵咸淡水界面運移規(guī)律的三維數(shù)值模型，效果很好；李國敏等利用三維有限元數(shù)值模型研究了廣西潿洲島的海水入侵。成建梅，陳崇希為了研究咸淡水界面的移動規(guī)律，建立了變密度水質(zhì)模型，推導(dǎo)出數(shù)值求解方法，得出了海水入侵的誘因，并預(yù)測了水質(zhì)的變化趨勢。賀國平、邵景力等利用FEFLOW軟件建立模型模擬了截滲墻建成后黃河側(cè)滲量和地下水流場的變化并對截滲墻建立后對地下水的影響進行了評價。韓志勇等利用V-MODFLOW軟件模擬了存在截滲規(guī)情況下大沽河地區(qū)殘存咸水恢復(fù)的最優(yōu)方案。劉衍美通過取樣檢測分析了截滲墻建設(shè)前后地下水水質(zhì)的變化情況及防治對策。Luyun等(2009)通過實驗研究了地下截滲墻安裝前后咸水入侵的運移規(guī)律，并用SEAWAT模擬軟件對實驗結(jié)果進行了模擬驗證，同時討論了不同的截滲墻高度對咸水入侵的影響。但是他們的研究并未涉及截滲墻距咸水側(cè)的位置及咸、淡水的水力梯度等因素對咸水入侵的影響和防治效果，因此，本文在OpenGeoSys科學模擬軟件的基礎(chǔ)上，開展了地下截滲墻對海水入侵規(guī)律的影響研究。2試驗2.1試驗裝置圖1為試驗裝置示意圖，其中的主水箱長90cm，高60cm，寬8cm，主水箱兩側(cè)為咸水箱和淡水箱，主水箱與兩側(cè)水箱由細網(wǎng)篩隔開。主水箱中裝滿直徑為1.2mm的玻璃珠，以模擬非承壓含水層多孔介質(zhì)。兩側(cè)水箱內(nèi)的水頭由可調(diào)節(jié)的排水管控制。咸水的密度為1.025g/ml，為了區(qū)分咸水與淡水，咸水用染料染成紅色，淡水來源為自來水。如圖1所示，試驗裝置中有兩個狹槽，封閉墻槽和截滲墻槽，由細篩網(wǎng)構(gòu)成。兩個狹槽分別用于插入模擬封閉墻和截滲墻所用的板，板由4mm厚的丙烯酸板制作而成。主水箱上刻有正交網(wǎng)格，水箱的底部和兩邊粘有標尺，用以對咸水楔的外形進行直接測量，記錄的數(shù)據(jù)與用高分辨率數(shù)碼相機拍攝的照片進行交叉檢查。圖1試驗裝置2.2實驗步驟①實驗最初，封閉墻槽及截滲墻槽中均未插入板，兩側(cè)水箱都充滿淡水，并分別調(diào)整排水管使兩側(cè)水箱內(nèi)水頭維持在一個恒定的高度，其中淡水側(cè)為41.5cm，咸水側(cè)為40.0cm，淡、咸水兩側(cè)的水力梯度將產(chǎn)生由淡水側(cè)水箱向咸水側(cè)水箱的流動，直至流動穩(wěn)定，此時主水箱中水面線多孔介質(zhì)區(qū)域充滿淡水；②插入封閉墻，將咸水箱和主水箱分開，并把咸水箱中的淡水換為等水位的紅色咸水；③撤除封閉墻，海水入侵過程開始，咸水楔的底端逐漸向淡水側(cè)移動，測量不同時刻咸水楔的底部位置，并用數(shù)碼攝影技術(shù)記錄，直至咸水楔底部位置不再發(fā)生改變并且咸水邊界附近不再有淡水排出，此時咸水入侵達到穩(wěn)定狀態(tài)；④將20cm截滲墻快速準確地插入截滲墻槽中，同時盡量避免對已有流動條件的干擾。截滲墻安裝后，記錄不同時刻殘留咸水楔底部的位置，當咸水楔底部位置不再發(fā)生改變或截滲墻右側(cè)殘留咸水被完全沖走時，該實驗結(jié)束。3模型構(gòu)建本文利用OpenGeoSys軟件進行模擬上述試驗。OpenGeoSys是一款能夠?qū)为毣蝰詈系臒?水-機械-化學過程進行數(shù)值模擬的多平臺科學建模軟件包。本文將物理試驗裝置概化為90cm×41.6cm的二維計算域，如圖2所示，咸、淡水側(cè)的水頭及壓強邊界條件恒定，底部位不透水層，頂部無補給。數(shù)值模擬中用到的參數(shù)值列在表1中，咸水側(cè)水位為40cm，為了使模擬結(jié)果更匹配試驗結(jié)果，將淡水側(cè)水位值設(shè)為41.3cm。圖2數(shù)值模擬的初始條件及邊界條件表1數(shù)值模擬參數(shù)輸入?yún)?shù)值孔隙率0.4淡水側(cè)水位，hf（cm）41.3咸水側(cè)水位，hs（cm）40.0淡水密度，ρf（gcm-3）1.001咸水密度，ρs（gcm-3）1.025咸水濃度，Cs（mgL-1）33,600滲透率，k（cm2）6×10-12縱向彌散度，αL（cm）5×10-5橫向彌散度，αT（cm）5×10-64模型驗證對應(yīng)于試驗步驟的（3）和（4），數(shù)值模擬分為兩個時段。第一時段為安裝截滲墻前，初始條件和邊界條件已由圖2給出，這一時段內(nèi)，咸水箱中的咸水向淡水一側(cè)入侵，形成咸水楔，咸水楔向前推進，直到達到穩(wěn)定狀態(tài)，將穩(wěn)態(tài)時計算域內(nèi)每個單元的壓強水頭及濃度值作為下一時段的初值條件。第二時段開始于安裝截滲墻，結(jié)束于殘留咸水完全消散或不再變化，殘留咸水指截滲墻向陸一側(cè)（右側(cè)）的咸水楔部分。截滲墻的安裝被假設(shè)為是瞬間完成，也就是說，第二時段一開始，截滲墻就存在于系統(tǒng)中。截滲墻高度hc=20cm時模擬結(jié)果如下圖，該組圖體現(xiàn)了不同時刻咸水楔形狀變化，圖中帶箭頭的線代表跡線。某處的cl-相對濃度指該處的cl-濃度與咸水箱中咸水cl-濃度的比值，圖中楔形咸水楔取相對濃度0.1作為其靠近淡水一側(cè)的邊界。這幾張圖可以作為一組：第一時段末第二時段開始后2h第二時段開始后12h第二時段開始后24h模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比見圖3、圖4。第一時段，咸水楔向右（淡水一側(cè)）推進，2小時內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)，模擬結(jié)果落后于試驗數(shù)據(jù)，可能是由于試驗中截滲墻槽處沒有玻璃珠，咸水以更快的速率提前侵入多孔介質(zhì)，而模擬中該處是多孔介質(zhì)。第二時段，插入截滲墻后一段時間內(nèi)，咸水楔繼續(xù)向右側(cè)推進，然后逐漸向左移動，24小時內(nèi)，右側(cè)淡水將咸水楔沖淡至消散。從圖中可以看出，模型能夠較準確地預(yù)測在這兩種情況下的試驗結(jié)果。圖3試驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對比（第一時段）圖4試驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對比（第二時段）5數(shù)值模擬結(jié)果分析模型參數(shù)確定之后，依靠該模型，本文分析咸淡水位差、截滲墻高度、截滲墻位置三種因素對咸水入侵及截滲墻右側(cè)殘留咸水消散的影響，得出相應(yīng)結(jié)論。5.1咸、淡水位差模擬并分析：咸水側(cè)水位hs=40.0cm，淡水側(cè)水位（hf）分別為41.6cm、41.45cm、41.3cm、41.15cm、41.0cm時，比較（1）達到穩(wěn)態(tài)時咸水楔最前端的位置x，（2）橫向距離30cm處咸水楔厚度z（3）橫向距離20cm處，安裝20cm高截滲墻后殘留咸水消散所用時間td。下圖為不同水位差情況下達到穩(wěn)態(tài)（組圖）：hf=41.6cmhf=41.45cmhf=41.3cmhf=41.15cmhf=41.0cm表2咸、淡水側(cè)不同水位差下的數(shù)值模擬結(jié)果hf(cm)x(cm)z(cm)td(h)41.631.321241.4537.1617.541.344.4102441.1555.0143441.071.31849本文所模擬的情況均為淡水側(cè)水位大于咸水側(cè)水位，表2為數(shù)值模擬結(jié)果。由圖1中可以看出，咸水側(cè)水頭壓力ps=ρsghs，淡水側(cè)水頭壓力pf=ρfghf，經(jīng)計算，ps>pf，水頭壓力、重力和密度差異所引起的靜壓力，導(dǎo)致高密的咸水向低密度的淡水下方侵入，形成咸水楔。當?shù)畟?cè)水位越小時，水頭壓力差越大，咸水楔向前入侵的距離越大。表2中，淡水側(cè)水位（hf）每減少0.15cm，橫向距離30cm處咸水楔厚度（z）就增加4cm，z隨之hf減少成倍減小，咸水楔形體增厚，上覆淡水層變薄，若在實際工況中橫向距離30cm處為抽水井，則該抽水井中就可能因為咸水入侵抽出咸水，影響附近居民的農(nóng)業(yè)灌溉甚至生活用水。淡水側(cè)水位越小，咸水楔向前入侵的距離越大，安裝截滲墻后，截滲墻右側(cè)殘留咸水體積越大，故消散所用時間越長。5.2截滲墻高度我們對截滲墻墻高度（hc）分別為5cm、9cm、10cm、15cm、20cm、25cm的情況進行模擬，其他參數(shù)和模型驗證時所用的一樣，比較墻右側(cè)殘留咸水能否消散；如果能，比較消耗所消耗的時間th。從下圖中可以看出，墻高分別為25-、20-、10-、9-、5cm的情況下的最終穩(wěn)態(tài)有著顯著差異，25-、20-、10cm截滲墻下殘留咸水能夠消散，且10cm截滲墻下消散最快，只有18.3小時，這表明相對較短的截滲墻更有利于殘留咸水被沖散。而9-、5cm截滲墻下殘留咸水不能完全消散。結(jié)果表明要沖散殘留咸水，截滲墻有最小高度要求，否則，殘留咸水不能完全消散。從圖中的流動模式上看，咸水淡水交界處是混合區(qū)，混合區(qū)靠近淡水的部分不斷地被淡水沖走，而新的咸水會不斷地補充進來，對于較低的截滲墻，咸水能夠越過墻頂，進入墻右側(cè)。10-、9-、5cm截滲墻墻頂均位于該混合區(qū)以下，但是10cm截滲墻墻頂恰好位于混合區(qū)下，淡水補給恰好可以阻止新的咸水進入截滲墻右邊區(qū)域，而9-、5cm截滲墻，墻頂與混合區(qū)之間有足夠的間隙使得咸水能夠進入滲墻右邊區(qū)域。25-、20-、15-、10cm截滲墻下殘留咸水能夠消散，所用的時間分別為30-、24-、19-、18.3h，表3不同墻高情況下的數(shù)值模擬結(jié)果hc（cm）能否消散tr(h)25能3020能2415能1910能18.39不能—5不能—hc=25cm達到穩(wěn)態(tài)hc