海水入侵将导致如水质恶化、土壤盐渍化

前言海水入侵指滨海地区人为超量开采地下水，引起地下水位大幅度下降，海水与淡水之间的水动力平衡被破坏，导致咸淡水界面向陆地方向移动的现象（海水入侵问题研究综述_郭占荣）。海水入侵将导致如水质恶化、土壤盐渍化等一系列生态、环境问题，是许多沿海国家和地区面临的主要环境地质灾害之一。根据海水入侵的机理，要根本上解决海水入侵问题，必须提高滨海地区的地下淡水水位，对此产生了各种防治海水入侵的措施，（1）改变现有的地下水开采模式；（2）人工回灌淡水；（3）抽水、注水或抽水-注水联合法；（4）地下截渗墙，也称地下坝、截渗坝。地下截渗墙，它有很低的渗透性，一般底部修至浅层含水层的隔水底板处，顶部修至含水层中间某一部位或地表，是通过切断海水入侵通道和地下淡水排泄通道来防止海水入侵，目前国内外已经存在很多示范工程。1988年，美国陆军工程师在密西西比河下游设计临时性的潜坝，以应对创纪录的枯水年所造成的盐水楔向上游入侵，保护了新奥尔良地区的淡水供应，节约投资5000万美元。1972年日本在冲绳岛开始修建Komesu地下坝用于防治海水入侵，保护淡水资源，增加地下水储存能力。截止2004年，日本大约已修建15个地下坝，其中7个用于阻止海水入侵。在我国，山东滨海城市海水入侵问题较为严重，已建有不同规模的河口地下截渗墙工程6座，解决了海水入侵的问题，同时，也形成了地下水库。如1995年，山东龙口黄水河地下截渗墙建成，起到了阻断海水入侵的作用，同时也改善了库区的生态环境；1998年大沽河下游胶州市麻湾的位置修建了一道长4km的地下截渗墙，防治海水倒灌，形成了一个容积近1亿立方米的永久地下水库。现在，求解海水入侵问题的主流方法已是数值模拟。关于咸淡水作用的模型主要有突变界面模型和过渡带模型。突变界面模型假定咸淡水之间存在一个突变界面，两者不混溶。但在实际情况下，海水和淡水可以混溶，因此又发展到过渡带模型，认为咸、淡水之间存在着混合流体，密度是逐渐变化的。根据是否考虑密度的影响，又分为均质流体过渡带模型和变密度过渡带模型。后来的事实表明，地下水密度的微小变化会对流速和流态产生显著的影响。因此在研究如地下咸水运动问题时，就需要考虑地下水的密度变化。基于对此问题的考虑，过渡带模型进入变密度阶段。Pinder（1970）在数学层面上对突变界面模型进行了完整的描述，然后将其运用于纽约长岛的海水入侵的数值模拟，结果很好。DasGupta（1982）等在用解析方法求解泰国曼谷附近的海水入侵时忽略了流体密度变化对水头、浓度的影响，结果仍能达到较为理想的程度。Galeati和Gambolrti在研究意大利南部剖面上的海水入侵问题时，采用了欧拉-拉格朗日隐式方法对咸淡水耦合的过渡带模型进行求解。Anwar(1983)通过对“cutoffwall”型截渗墙的调查研究提出了截渗墙在海水动力学的响应，之后又进一步提出了一个关系式来确定在截渗坝作用下的海水-淡水界面。日本的JapanGreenResourcesAgency(2004，pp.196-220)杂志曾详细的介绍了“subsurfacedam”型截渗坝成熟的施工技术。薛禹群通过对龙口滨海含水层的海水入侵进行研究，建立了海水入侵咸淡水界面运移规律的三维数值模型，效果很好；李国敏等利用三维有限元数值模型研究了广西涠洲岛的海水入侵。成建梅，陈崇希为了研究咸淡水界面的移动规律，建立了变密度水质模型，推导出数值求解方法，得出了海水入侵的诱因，并预测了水质的变化趋势。贺国平、邵景力等利用FEFLOW软件建立模型模拟了截渗墙建成后黄河侧渗量和地下水流场的变化并对截渗墙建立后对地下水的影响进行了评价。韩志勇等利用V-MODFLOW软件模拟了存在截渗规情况下大沽河地区残存咸水恢复的最优方案。刘衍美通过取样检测分析了截渗墙建设前后地下水水质的变化情况及防治对策。Luyun等(2009)通过实验研究了地下截渗墙安装前后咸水入侵的运移规律，并用SEAWAT模拟软件对实验结果进行了模拟验证，同时讨论了不同的截渗墙高度对咸水入侵的影响。但是他们的研究并未涉及截渗墙距咸水侧的位置及咸、淡水的水力梯度等因素对咸水入侵的影响和防治效果，因此，本文在OpenGeoSys科学模拟软件的基础上，开展了地下截渗墙对海水入侵规律的影响研究。2试验2.1试验装置图1为试验装置示意图，其中的主水箱长90cm，高60cm，宽8cm，主水箱两侧为咸水箱和淡水箱，主水箱与两侧水箱由细网筛隔开。主水箱中装满直径为1.2mm的玻璃珠，以模拟非承压含水层多孔介质。两侧水箱内的水头由可调节的排水管控制。咸水的密度为1.025g/ml，为了区分咸水与淡水，咸水用染料染成红色，淡水来源为自来水。如图1所示，试验装置中有两个狭槽，封闭墙槽和截渗墙槽，由细筛网构成。两个狭槽分别用于插入模拟封闭墙和截渗墙所用的板，板由4mm厚的丙烯酸板制作而成。主水箱上刻有正交网格，水箱的底部和两边粘有标尺，用以对咸水楔的外形进行直接测量，记录的数据与用高分辨率数码相机拍摄的照片进行交叉检查。图1试验装置2.2实验步骤①实验最初，封闭墙槽及截渗墙槽中均未插入板，两侧水箱都充满淡水，并分别调整排水管使两侧水箱内水头维持在一个恒定的高度，其中淡水侧为41.5cm，咸水侧为40.0cm，淡、咸水两侧的水力梯度将产生由淡水侧水箱向咸水侧水箱的流动，直至流动稳定，此时主水箱中水面线多孔介质区域充满淡水；②插入封闭墙，将咸水箱和主水箱分开，并把咸水箱中的淡水换为等水位的红色咸水；③撤除封闭墙，海水入侵过程开始，咸水楔的底端逐渐向淡水侧移动，测量不同时刻咸水楔的底部位置，并用数码摄影技术记录，直至咸水楔底部位置不再发生改变并且咸水边界附近不再有淡水排出，此时咸水入侵达到稳定状态；④将20cm截渗墙快速准确地插入截渗墙槽中，同时尽量避免对已有流动条件的干扰。截渗墙安装后，记录不同时刻残留咸水楔底部的位置，当咸水楔底部位置不再发生改变或截渗墙右侧残留咸水被完全冲走时，该实验结束。3模型构建本文利用OpenGeoSys软件进行模拟上述试验。OpenGeoSys是一款能够对单独或耦合的热-水-机械-化学过程进行数值模拟的多平台科学建模软件包。本文将物理试验装置概化为90cm×41.6cm的二维计算域，如图2所示，咸、淡水侧的水头及压强边界条件恒定，底部位不透水层，顶部无补给。数值模拟中用到的参数值列在表1中，咸水侧水位为40cm，为了使模拟结果更匹配试验结果，将淡水侧水位值设为41.3cm。图2数值模拟的初始条件及边界条件表1数值模拟参数输入参数值孔隙率0.4淡水侧水位，hf（cm）41.3咸水侧水位，hs（cm）40.0淡水密度，ρf（gcm-3）1.001咸水密度，ρs（gcm-3）1.025咸水浓度，Cs（mgL-1）33,600渗透率，k（cm2）6×10-12纵向弥散度，αL（cm）5×10-5横向弥散度，αT（cm）5×10-64模型验证对应于试验步骤的（3）和（4），数值模拟分为两个时段。第一时段为安装截渗墙前，初始条件和边界条件已由图2给出，这一时段内，咸水箱中的咸水向淡水一侧入侵，形成咸水楔，咸水楔向前推进，直到达到稳定状态，将稳态时计算域内每个单元的压强水头及浓度值作为下一时段的初值条件。第二时段开始于安装截渗墙，结束于残留咸水完全消散或不再变化，残留咸水指截渗墙向陆一侧（右侧）的咸水楔部分。截渗墙的安装被假设为是瞬间完成，也就是说，第二时段一开始，截渗墙就存在于系统中。截渗墙高度hc=20cm时模拟结果如下图，该组图体现了不同时刻咸水楔形状变化，图中带箭头的线代表迹线。某处的cl-相对浓度指该处的cl-浓度与咸水箱中咸水cl-浓度的比值，图中楔形咸水楔取相对浓度0.1作为其靠近淡水一侧的边界。这几张图可以作为一组：第一时段末第二时段开始后2h第二时段开始后12h第二时段开始后24h模拟结果与实验数据的对比见图3、图4。第一时段，咸水楔向右（淡水一侧）推进，2小时内达到稳态，模拟结果落后于试验数据，可能是由于试验中截渗墙槽处没有玻璃珠，咸水以更快的速率提前侵入多孔介质，而模拟中该处是多孔介质。第二时段，插入截渗墙后一段时间内，咸水楔继续向右侧推进，然后逐渐向左移动，24小时内，右侧淡水将咸水楔冲淡至消散。从图中可以看出，模型能够较准确地预测在这两种情况下的试验结果。图3试验数据与模拟结果的对比（第一时段）图4试验数据与模拟结果的对比（第二时段）5数值模拟结果分析模型参数确定之后，依靠该模型，本文分析咸淡水位差、截渗墙高度、截渗墙位置三种因素对咸水入侵及截渗墙右侧残留咸水消散的影响，得出相应结论。5.1咸、淡水位差模拟并分析：咸水侧水位hs=40.0cm，淡水侧水位（hf）分别为41.6cm、41.45cm、41.3cm、41.15cm、41.0cm时，比较（1）达到稳态时咸水楔最前端的位置x，（2）横向距离30cm处咸水楔厚度z（3）横向距离20cm处，安装20cm高截渗墙后残留咸水消散所用时间td。下图为不同水位差情况下达到稳态（组图）：hf=41.6cmhf=41.45cmhf=41.3cmhf=41.15cmhf=41.0cm表2咸、淡水侧不同水位差下的数值模拟结果hf(cm)x(cm)z(cm)td(h)41.631.321241.4537.1617.541.344.4102441.1555.0143441.071.31849本文所模拟的情况均为淡水侧水位大于咸水侧水位，表2为数值模拟结果。由图1中可以看出，咸水侧水头压力ps=ρsghs，淡水侧水头压力pf=ρfghf，经计算，ps>pf，水头压力、重力和密度差异所引起的静压力，导致高密的咸水向低密度的淡水下方侵入，形成咸水楔。当淡水侧水位越小时，水头压力差越大，咸水楔向前入侵的距离越大。表2中，淡水侧水位（hf）每减少0.15cm，横向距离30cm处咸水楔厚度（z）就增加4cm，z随之hf减少成倍减小，咸水楔形体增厚，上覆淡水层变薄，若在实际工况中横向距离30cm处为抽水井，则该抽水井中就可能因为咸水入侵抽出咸水，影响附近居民的农业灌溉甚至生活用水。淡水侧水位越小，咸水楔向前入侵的距离越大，安装截渗墙后，截渗墙右侧残留咸水体积越大，故消散所用时间越长。5.2截渗墙高度我们对截渗墙墙高度（hc）分别为5cm、9cm、10cm、15cm、20cm、25cm的情况进行模拟，其他参数和模型验证时所用的一样，比较墙右侧残留咸水能否消散；如果能，比较消耗所消耗的时间th。从下图中可以看出，墙高分别为25-、20-、10-、9-、5cm的情况下的最终稳态有着显著差异，25-、20-、10cm截渗墙下残留咸水能够消散，且10cm截渗墙下消散最快，只有18.3小时，这表明相对较短的截渗墙更有利于残留咸水被冲散。而9-、5cm截渗墙下残留咸水不能完全消散。结果表明要冲散残留咸水，截渗墙有最小高度要求，否则，残留咸水不能完全消散。从图中的流动模式上看，咸水淡水交界处是混合区，混合区靠近淡水的部分不断地被淡水冲走，而新的咸水会不断地补充进来，对于较低的截渗墙，咸水能够越过墙顶，进入墙右侧。10-、9-、5cm截渗墙墙顶均位于该混合区以下，但是10cm截渗墙墙顶恰好位于混合区下，淡水补给恰好可以阻止新的咸水进入截渗墙右边区域，而9-、5cm截渗墙，墙顶与混合区之间有足够的间隙使得咸水能够进入渗墙右边区域。25-、20-、15-、10cm截渗墙下残留咸水能够消散，所用的时间分别为30-、24-、19-、18.3h，表3不同墙高情况下的数值模拟结果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达到稳态hc