張淑慧，鄭西來，2，劉玉紅

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266100;2.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

青島李哥莊地下咸水體恢復(fù)方案的數(shù)值優(yōu)化

張淑慧1，鄭西來1，2，劉玉紅1

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266100;2.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

海水入侵導(dǎo)致地下水變咸對(duì)青島李哥莊地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了不利影響，急需開展治理該地區(qū)咸水體的工作。根據(jù)研究區(qū)已有的降雨、蒸發(fā)及水文地質(zhì)等資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和監(jiān)測(cè)，利用地下水模擬軟件Visual－MODFLOW中的SEAWAT模塊建立了該地區(qū)的數(shù)值模型，并利用實(shí)測(cè)資料識(shí)別和驗(yàn)證了該模型參數(shù)，表明所建模型能反映李哥莊地區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)條件。為了模擬研究區(qū)地下咸水體的恢復(fù)治理情況，提出了連續(xù)抽水、間歇式抽水和抽注水結(jié)合三種咸水恢復(fù)方案，并利用該模型對(duì)三種恢復(fù)方案進(jìn)行了模擬優(yōu)化。結(jié)果表明，抽取地下咸水只是咸水恢復(fù)的一個(gè)因素，周邊淡水的驅(qū)替作用則是咸水恢復(fù)另一個(gè)的因素，抽注水結(jié)合恢復(fù)方案為三種方案中最優(yōu)的方案。

咸水恢復(fù);SEAWAT;數(shù)值模擬;恢復(fù)方案

大沽河下游地區(qū)隸屬膠州市，是青島、膠州的主要水源地。由于大規(guī)模的地下水開采和連年干旱，導(dǎo)致地下水位下降，從而引發(fā)了海水入侵［1］。海水入侵引起李哥莊地區(qū)的水質(zhì)咸化，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和人民的生活水平造成不利影響。1998年麻灣莊截滲墻的修建，切斷了地下水庫內(nèi)側(cè)和外側(cè)咸水體之間的聯(lián)系，有效阻止了海水入侵，同時(shí)也使治理該地區(qū)的地下咸水體成了可能［2］。

目前，對(duì)于地下咸水體治理與恢復(fù)方法的研究，國(guó)內(nèi)大多停留在數(shù)學(xué)模擬或通過小型工程控制咸水體擴(kuò)大和咸水入侵方面。李白玲(1992)等對(duì)截滲墻控制條件下均質(zhì)含水層中的咸水體進(jìn)行單井注水恢復(fù)的數(shù)學(xué)模擬，采用的注水量為1.4 m3/s，系統(tǒng)運(yùn)行4個(gè)月，結(jié)果使地下咸水退回到截滲墻附近［3］;劉青勇(1996)，高學(xué)平(2006)，劉麗波(2007)等對(duì)水帷幕防治海水入侵的數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究，得出該技術(shù)防治海水人侵是一個(gè)十分有效的方法，為治理海水入侵提供了科學(xué)依據(jù)［4－6］。韓志勇、鄭西來等(2003、2004)通過數(shù)值模擬進(jìn)行了井群抽注水恢復(fù)地下咸水的模擬研究［7－8］。韓志勇(2008)應(yīng)用地下水模擬軟件(Visual－MODFLOW)對(duì)地下咸水恢復(fù)方案進(jìn)行了數(shù)值分析［9］。在國(guó)外，對(duì)于咸水體的恢復(fù)和治理，主要有抽水法、注水法和抽注聯(lián)合法三種，如美國(guó)的Coe(1972)在奧克斯納德河谷建立的抽水系統(tǒng)，抽水系統(tǒng)運(yùn)行7個(gè)月后成功阻止了咸水入侵［10］。另外，美國(guó)加利福尼亞帕羅阿爾托地區(qū)建立的抽水－注水帷幕也是一個(gè)成功范例。它首先在咸水體下游建立注水帷幕截?cái)嘞趟畞碓?，通過抽水抽除咸水體，然后注入處理過的廢水［11］。

基于地下水模擬軟件Visual－MODFLOW中的SEAWAT模塊建立了能反映青島李哥莊地區(qū)實(shí)際情況的數(shù)值模型，提出了連續(xù)抽水，間歇式抽水，抽注水結(jié)合這三種恢復(fù)該地區(qū)咸水體的方案，利用所建立的模型對(duì)這三種方案模擬分析，為以后的實(shí)際工程提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

研究區(qū)位于大沽河下游的李哥莊鎮(zhèn)。大沽河流域具有較明顯的海洋性氣候特點(diǎn)，多年平均氣溫12℃左右，多年平均降雨量660.0 mm，6－9月份的降雨量占全年的70%。該區(qū)多年平均蒸發(fā)強(qiáng)度為964.69 mm，是平均降雨強(qiáng)度的1.46倍。蒸發(fā)主要集中于4－9月，占總蒸發(fā)強(qiáng)度的48%。該研究區(qū)位于大沽河流域下游，截滲墻以北的地區(qū)，地形標(biāo)高一般2～9 m。

1.2 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)地質(zhì)屬第四系沖積—沖洪積層，為雙層結(jié)構(gòu)，上部以砂質(zhì)粘土和粘土為主，一般為2～5m，土層之下為不同粒徑的砂及砂礫石，為非均質(zhì)各項(xiàng)同性儲(chǔ)水介質(zhì)，厚度一般5～10 m，透水性和富水性強(qiáng)。地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水，水力性質(zhì)基本上屬于潛水，但在豐水期高水位時(shí)具有微承壓性。根據(jù)上部土層和下部含水層不同顆粒成分的巖性組合，大致可分為八個(gè)分布區(qū)，如圖1所示。

圖1 巖性分區(qū)示意圖

測(cè)定各個(gè)分區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)已有監(jiān)測(cè)資料，研究區(qū)東南端受入侵海水影響地下水水化學(xué)類型變?yōu)镃l－Na型，礦化度為2～5g/L，研究區(qū)西北部仍為 HCO3－Cl型水，礦化度為 0.5～1.0 g/L。截滲墻修建后的幾年中，咸水體的分布范圍沒有發(fā)生大的改變，咸水體的一直維持李哥莊鎮(zhèn)東南這一區(qū)域，總面積約為15.2 km2。

在研究區(qū)內(nèi)大氣降水和河流入滲是研究區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給來源，降雨補(bǔ)給量由降雨量和降雨入滲系數(shù)計(jì)算得到，人工開采和蒸發(fā)是主要排泄途徑。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)值

2 地下咸水運(yùn)移模型的建立

2.1 模擬條件的概化

含水層以下主要為粘土巖，透水性很弱，可視為隔水邊界。受古地形的制約，含水層在庫區(qū)邊緣逐漸變薄趨于尖滅，過渡為弱透水的粘性土或直接與不透水的粘土巖接觸，因此東、西兩側(cè)為隔水邊界。南端基巖之上建有截滲墻，定義為隔水邊界。北部含水砂層變化甚微，與上游地下水連為一體，概化為給定水頭邊界，其水頭值由監(jiān)測(cè)井多年監(jiān)測(cè)資料確定。區(qū)內(nèi)大沽河切割含水層，兩者水力聯(lián)系密切，因此大沽河河床所在的部位概化為給定水頭邊界。東西兩側(cè)和底部確定為溶質(zhì)運(yùn)移的零通量邊界，南北兩側(cè)則根據(jù)氯離子濃度多年監(jiān)測(cè)值確定為已知濃度邊界。

以研究區(qū)2010年1月的地下水位監(jiān)測(cè)值為模擬的初始流場(chǎng);以這段時(shí)間地下水氯化物監(jiān)測(cè)值為模擬的初始濃度場(chǎng)，具體的初始水頭線和初始鹽度等值線見圖2。

圖2 初始水流、濃度場(chǎng)和井群布局圖

2.2 數(shù)學(xué)模型的建立

SEAWAT軟件是通過耦合運(yùn)行經(jīng)過密度項(xiàng)修正的水流模塊MODFLOW－2000和溶質(zhì)運(yùn)移模塊MT3DMS，計(jì)算研究區(qū)地下水的流場(chǎng)和氯化物的濃度場(chǎng)變化規(guī)律。地下水流控制方程［12］(Guo和 Langevin)、溶質(zhì)運(yùn)移控制方程［13］(SEAWAT代碼中采用)與邊界條件、初始條件結(jié)合得到研究區(qū)咸水運(yùn)移擴(kuò)散的水流和溶質(zhì)運(yùn)移的控制方程:

式中:x，y，z為坐標(biāo)系三個(gè)軸，其中z為垂直方向，向上為正方向;Z為任意點(diǎn)的位置坐標(biāo);D為研究區(qū)域;S1，S1′，分別為第一類水流邊界和第一類濃度邊界;S2為第二類水流邊界;Kfx，Kfy，Kfz為沿 x、y、z方向的滲透率，［LT－1］;Sf為以等價(jià)淡水水頭表示的儲(chǔ)水率，［L－1］;ρ為地下水的密度，［ML－3］;為有效孔隙度，［無量綱］;C為溶解物質(zhì)的濃度，［kg/L3］;qs為單位時(shí)間進(jìn)入單位體積含水層源、匯項(xiàng)的體積，［T－1］;ρs為源、匯項(xiàng)中溶解物質(zhì)的密度，［ML－3］;Ck為物質(zhì) k的溶解濃度，［ML－3］;為源或匯中物質(zhì) k的濃度，［ML－3］;Dij為水動(dòng)力彌散系數(shù)［LT－1］;為有效孔隙度，［無量綱］;∑Rn為化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)項(xiàng)，［ML－3T－1］。

2.3 模型的計(jì)算與校正

模型中，根據(jù)巖性的不同將研究區(qū)分為不同的計(jì)算區(qū)域(圖1)，模擬區(qū)總面積為53.6 km2，根據(jù)其地質(zhì)結(jié)構(gòu)將其概化為雙層結(jié)構(gòu)，采用矩形網(wǎng)格將研究區(qū)剖分80×80×2個(gè)網(wǎng)格，其中有效活動(dòng)單元17 156個(gè)，非活動(dòng)單元8 666個(gè)。模型參數(shù)率定主要考慮含水層滲透系數(shù)、給水度、彌散系數(shù)等?？紤]已有資料的完整性和可靠性，取2010年1月1日～2010年12月31日為模型參數(shù)識(shí)別期。參數(shù)識(shí)別采用“試參法”確定，使地下水位、氯化物濃度的計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值充分吻合。運(yùn)行模型后得到模擬結(jié)果，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)水位觀測(cè)井和濃度觀測(cè)井模型計(jì)算值和監(jiān)測(cè)值擬合較好。表明所建模型能正確反映研究區(qū)地下水位、氯化物濃度的實(shí)際變化情況。

為檢驗(yàn)校正后的模型參數(shù)是否合適，采用2010年1月1日至2010年12月31日共12個(gè)時(shí)段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)算發(fā)現(xiàn)擬和平均誤差為0.356 m，相比與同期水源地實(shí)測(cè)水位平均變幅1.32 m也比較小。表明所建數(shù)學(xué)模型與研究區(qū)實(shí)際水文地質(zhì)條件吻合較好，可用于實(shí)際研究。

3 咸水恢復(fù)方案的數(shù)值模擬優(yōu)化

針對(duì)研究區(qū)的情況，提出了三種恢復(fù)方案:連續(xù)抽水恢復(fù)方案、間歇式抽水恢復(fù)方案、抽注水結(jié)合恢復(fù)方案。這三種方案的模型運(yùn)行的總時(shí)間均為36個(gè)月，井群抽(注)水的總時(shí)間均為12個(gè)月，井群布局圖見圖1。

3.1 連續(xù)抽水恢復(fù)方案

連續(xù)抽水方案抽水時(shí)間1～12個(gè)月，隨著抽水時(shí)間進(jìn)行，含水層變薄，單井抽水量適當(dāng)降低，抽出水的氯離子濃度小于250 mg/L時(shí)立即將抽水井關(guān)閉，停止抽水。總抽水量為1.57×107m3。通過建立模型運(yùn)行模擬，得到咸水體的分布變化曲線見圖3。

圖3 連續(xù)抽水方案運(yùn)行3、6、12、24、36個(gè)月后咸水分布變化曲線

從圖3可以看出，抽水運(yùn)行3個(gè)月和6個(gè)月時(shí)，咸水面積消退速度比較慢，抽水井運(yùn)行的12個(gè)月后，咸水體面積消退了5.54 km2，占恢復(fù)之前咸水體總面積的35.85%。停止抽水后的6個(gè)月，咸水面積迅速減少了2.68 km2，占咸水總面積的17.63%。停止抽水24個(gè)月，咸水面積減少了1.84 km2，占咸水面積的12.10%。停止抽水的過程中，不需要人工干預(yù)，主要是依靠抽水形成降水漏斗恢復(fù)過程中驅(qū)替作用降低地下咸水濃度，為地下咸水恢復(fù)的后續(xù)過程。停止抽水36個(gè)月后，800 mg/L等濃度線完全消失，600 mg/L等濃度線內(nèi)面積還有殘留，250 mg/L咸水體殘留面積為3.56 km2，占初始咸水體面積的23%。從圖3可以看出連續(xù)抽水方案修復(fù)效果不是很好。

3.2 間歇式抽水恢復(fù)方案

通過連續(xù)抽水方案模擬可以發(fā)現(xiàn)，將咸水抽取只是咸水體恢復(fù)的一個(gè)原因，而周邊淡水的驅(qū)替作用對(duì)咸水體恢復(fù)也是一個(gè)不可忽略的因素［15］。因此，間歇抽水方案就是要充分發(fā)揮驅(qū)替作用在咸水恢復(fù)過程的作用來設(shè)計(jì)運(yùn)行方案。間歇式抽水分兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行，第一段抽水在雨季過后(9月份)進(jìn)行，運(yùn)行9個(gè)月(1～9個(gè)月)，各個(gè)巖區(qū)的抽水井均以連續(xù)抽水方案中的初始的最大抽水量抽水，到第二年雨季來臨前(5月)停止抽水6個(gè)月(10～15個(gè)月)，使地下水位得以平復(fù)，然后繼續(xù)以初始抽水量抽水。運(yùn)行抽水井3個(gè)月(16～18個(gè)月)。抽出水的氯離子濃度小于250 mg/L時(shí)立即將抽水井關(guān)閉，停止抽水?？偝樗繛?.61×107m3。模型運(yùn)行后咸水體分布變化曲線見圖4。

圖4 間歇抽水方案運(yùn)行3、6、12、24、36個(gè)月后咸水分布變化曲線

由圖4看出，抽水3個(gè)月和9個(gè)月時(shí)咸水體面積分別縮小了2.44 km2和5.00 km2;抽水3個(gè)月后魏家屯咸水體的1 200 mg/L等濃度線為1.11 km2。抽水9個(gè)月后，咸水體面積縮小了8.75 km2，占咸水總面積的57.56%;1 000 mg/L等濃度線內(nèi)的面積僅為0.21 km2。抽水12個(gè)月后，咸水體面積縮小到3.47 km2，只占咸水總面積的22.82%;800 mg/L等濃度線基本消失。36個(gè)月后，咸水體范圍由最初的15.20 km2縮小到2.14 km2，咸水體面積減少了 85.92%，350 mg/L 等濃度線以內(nèi)的面積只有0.975 km2，450 mg/L等濃度線內(nèi)的面積為0.17 km2。間歇式抽水方案要比連續(xù)抽水方案的修復(fù)效果要好，但是還有14%的咸水體殘留。

3.3 抽注水結(jié)合恢復(fù)方案模擬結(jié)果

抽注水結(jié)合方案是在連續(xù)抽水方案的基礎(chǔ)上，把周邊停止抽水的抽水井變?yōu)樽⑺?，注水的目的有兩個(gè):一個(gè)是進(jìn)一步加強(qiáng)淡水對(duì)咸水體的驅(qū)替，使邊緣的咸水向抽水井集中區(qū)匯集;二是進(jìn)一步淋洗砂層中殘留的氯化物，使咸水的治理更加徹底。抽水時(shí)間1～12個(gè)月，抽水井以最大抽水量抽水，當(dāng)抽出水的濃度接近250 mg/L時(shí)，把抽水井改為注水井。遠(yuǎn)離250 mg/L濃度線的注水井關(guān)閉。抽水量為1.76×107m3，注水量為2.3×106m3。通過間歇式抽水方案可以看出最后的修復(fù)效果還達(dá)不到理想效果。抽注水結(jié)合方案的咸水體分布變化曲線運(yùn)行結(jié)果見圖5。

圖5 抽注水結(jié)合恢復(fù)方案運(yùn)行3、6、12、24、36個(gè)月后咸水分布變化曲線

由圖5可以看出，抽注水6個(gè)月咸水體面積縮小了4.75 km2，1 200 mg/L等濃度線消失，1 000 mg/L等濃度線內(nèi)殘留面積僅為0.24 km2;抽注水12個(gè)月后，咸水體面積縮小了9.18 km2，占咸水總面積的60.39%，1 000 mg/L等濃度線完全消失，800 mg/L等濃度線內(nèi)的面積僅為0.02 km2。模擬運(yùn)行24個(gè)月后，250 mg/L等濃度線內(nèi)咸水體面積為2.64 km2，600 mg/L等濃度線內(nèi)僅有0.23 km2，比連續(xù)抽水方案36個(gè)月時(shí)的修復(fù)效果還要理想。36個(gè)月后，咸水體范圍由最初的15.20 km2縮小到1.43 km2，咸水體面積減少了 91.91%，350 mg/L 等濃度線以內(nèi)的面積只有0.20 km2，450 mg/L等濃度線完全消失。抽注水結(jié)合的方案在咸水體的修復(fù)效果上要優(yōu)于其它兩種方案，咸水體面積縮減的速度要最快，殘留咸水體的面積最小，能夠在較短時(shí)間到達(dá)良好的修復(fù)效果。

4 結(jié)論

本文根據(jù)李哥莊地區(qū)實(shí)際情況建立了能反映研究區(qū)地下咸水變化的變密度地下水流與溶質(zhì)運(yùn)移模型。利用該模型模擬比較了連續(xù)抽水、間歇式抽水和抽注水結(jié)合三種地下咸水恢復(fù)方案的恢復(fù)效果。

1)連續(xù)抽水方案咸水體的退縮速度慢，最后600 mg/L的等濃度線內(nèi)的咸水體面積還有殘留，250 mg/L的等濃度線殘留的咸水體面積還是很大的，占初始咸水體面積的23%，修復(fù)效果不理想。

2)間歇式抽水方案第36個(gè)月時(shí)500 mg/L的等濃度線已經(jīng)消失，450 mg/L的等濃度線內(nèi)咸水體殘留面積已經(jīng)很小，250 mg/L的等濃度線內(nèi)咸水體面積較比連續(xù)抽水方案小，間歇式抽水方案要比連續(xù)抽水方案的修復(fù)效果要好，但是還有14%的咸水體殘留。

3)采用抽注水組合方案模擬36個(gè)月后，咸水體范圍由最初的15.20 km2縮小到1.43 km2，咸水體面積減少了90.59%，350 mg/L等濃度線以內(nèi)的面積只有0.20 km2，450 mg/L等濃度線完全消失。相比于連續(xù)抽水、間歇抽水方案，抽注水組合達(dá)到了較為理想的修復(fù)效果，同時(shí)可以得知在地下咸水抽水恢復(fù)方案中抽取地下咸水只是咸水恢復(fù)的一個(gè)因素，而周邊淡水的驅(qū)替作用則是咸水恢復(fù)另一個(gè)的因素。

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Numerical Optimization of the Saline Groundwater Restoration Scheme in Ligezhuang Region of Qingdao

ZHANG Shu － hui2，ZHENG Xi－ lai1，2，LIU Yu － hong2
(1.Key Laboratory of Marine Environment and Ecology，Ministry of Education，Ocean University of China;2.College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，Shandong)

Seawater intrusion had a corrosive effect on economic growth in Ligezhuang region.We need to do the research of saline groundwater restoration scheme urgently.According to the existing information of rainfall，evaporation，groundwater mining and hydro－ geological in Ligezhuang region，combining the situation of site investigation and monitoring，numerical model of this area was established by the variable density groundwater simulation software Visual－MODFLOW software SEAWAT modules.This model fits the reality situation very well by using monitoring dates to test and verify.Three saline groundwater restoration schemes were designed including wells continuous pumping scheme，wells intermittent pumping scheme and wells pumping－ recharge scheme，and the model of this ares was used to simulate and optimize these schemes.Extraction of saline water is one factor of the saline groundwater restoration and the surrounding freshwater displacement is another one.Wells pumping－recharge scheme takes full advantage of these two factors to be the most optimized in three saline groundwater schemes.

Saline groundwater restoration;SEAWAT;Numerical optimization and Restoration Scheme

P641.8

A

1004－1184(2012)03－0043－04

2012－02－15

國(guó)家水利部公益性項(xiàng)目(201001075);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41172209)

張淑慧(1986－)，女，山東濟(jì)寧人，在讀碩士，主攻方向:地下水資源與水污染防治研究。

鄭西來(1959－)，男，河南洛陽人，教授，博士生導(dǎo)師。