青島李哥莊地下咸水體恢復方案的數(shù)值優(yōu)化

張淑慧，鄭西來，2，劉玉紅

(1.中國海洋大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島266100;2.中國海洋大學 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室)

青島李哥莊地下咸水體恢復方案的數(shù)值優(yōu)化

張淑慧1，鄭西來1，2，劉玉紅1

(1.中國海洋大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島266100;2.中國海洋大學 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室)

海水入侵導致地下水變咸對青島李哥莊地區(qū)經(jīng)濟發(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)及水文地質等資料，結合現(xiàn)場調(diào)查和監(jiān)測，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，并利用實測資料識別和驗證了該模型參數(shù)，表明所建模型能反映李哥莊地區(qū)的實際水文地質條件。為了模擬研究區(qū)地下咸水體的恢復治理情況，提出了連續(xù)抽水、間歇式抽水和抽注水結合三種咸水恢復方案，并利用該模型對三種恢復方案進行了模擬優(yōu)化。結果表明，抽取地下咸水只是咸水恢復的一個因素，周邊淡水的驅替作用則是咸水恢復另一個的因素，抽注水結合恢復方案為三種方案中最優(yōu)的方案。

咸水恢復;SEAWAT;數(shù)值模擬;恢復方案

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)的水質咸化，對當?shù)亟?jīng)濟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)側和外側咸水體之間的聯(lián)系，有效阻止了海水入侵，同時也使治理該地區(qū)的地下咸水體成了可能［2］。

目前，對于地下咸水體治理與恢復方法的研究，國內(nèi)大多停留在數(shù)學模擬或通過小型工程控制咸水體擴大和咸水入侵方面。李白玲(1992)等對截滲墻控制條件下均質含水層中的咸水體進行單井注水恢復的數(shù)學模擬，采用的注水量為1.4 m3/s，系統(tǒng)運行4個月，結果使地下咸水退回到截滲墻附近［3］;劉青勇(1996)，高學平(2006)，劉麗波(2007)等對水帷幕防治海水入侵的數(shù)值模擬方法進行研究，得出該技術防治海水人侵是一個十分有效的方法，為治理海水入侵提供了科學依據(jù)［4－6］。韓志勇、鄭西來等(2003、2004)通過數(shù)值模擬進行了井群抽注水恢復地下咸水的模擬研究［7－8］。韓志勇(2008)應用地下水模擬軟件(Visual－MODFLOW)對地下咸水恢復方案進行了數(shù)值分析［9］。在國外，對于咸水體的恢復和治理，主要有抽水法、注水法和抽注聯(lián)合法三種，如美國的Coe(1972)在奧克斯納德河谷建立的抽水系統(tǒng)，抽水系統(tǒng)運行7個月后成功阻止了咸水入侵［10］。另外，美國加利福尼亞帕羅阿爾托地區(qū)建立的抽水－注水帷幕也是一個成功范例。它首先在咸水體下游建立注水帷幕截斷咸水來源，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，抽注水結合這三種恢復該地區(qū)咸水體的方案，利用所建立的模型對這三種方案模擬分析，為以后的實際工程提供科學依據(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，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)強度為964.69 mm，是平均降雨強度的1.46倍。蒸發(fā)主要集中于4－9月，占總蒸發(fā)強度的48%。該研究區(qū)位于大沽河流域下游，截滲墻以北的地區(qū)，地形標高一般2～9 m。

1.2 水文地質概況

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

圖1 巖性分區(qū)示意圖

測定各個分區(qū)的水文地質參數(shù)如表1所示。

根據(jù)已有監(jiān)測資料，研究區(qū)東南端受入侵海水影響地下水水化學類型變?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)地下水的主要補給來源，降雨補給量由降雨量和降雨入滲系數(shù)計算得到，人工開采和蒸發(fā)是主要排泄途徑。

表1 水文地質參數(shù)值

2 地下咸水運移模型的建立

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)測井多年監(jiān)測資料確定。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。東西兩側和底部確定為溶質運移的零通量邊界，南北兩側則根據(jù)氯離子濃度多年監(jiān)測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)測值為模擬的初始流場;以這段時間地下水氯化物監(jiān)測值為模擬的初始濃度場，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、濃度場和井群布局圖

2.2 數(shù)學模型的建立

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

式中:x，y，z為坐標系三個軸，其中z為垂直方向，向上為正方向;Z為任意點的位置坐標;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為以等價淡水水頭表示的儲水率，［L－1］;ρ為地下水的密度，［ML－3］;為有效孔隙度，［無量綱］;C為溶解物質的濃度，［kg/L3］;qs為單位時間進入單位體積含水層源、匯項的體積，［T－1］;ρs為源、匯項中溶解物質的密度，［ML－3］;Ck為物質 k的溶解濃度，［ML－3］;為源或匯中物質 k的濃度，［ML－3］;Dij為水動力彌散系數(shù)［LT－1］;為有效孔隙度，［無量綱］;∑Rn為化學物質反應項，［ML－3T－1］。

2.3 模型的計算與校正

模型中，根據(jù)巖性的不同將研究區(qū)分為不同的計算區(qū)域(圖1)，模擬區(qū)總面積為53.6 km2，根據(jù)其地質結構將其概化為雙層結構，采用矩形網(wǎng)格將研究區(qū)剖分80×80×2個網(wǎng)格，其中有效活動單元17 156個，非活動單元8 666個。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。考慮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)識別期。參數(shù)識別采用“試參法”確定，使地下水位、氯化物濃度的計算值與監(jiān)測值充分吻合。運行模型后得到模擬結果，通過對比發(fā)現(xiàn)水位觀測井和濃度觀測井模型計算值和監(jiān)測值擬合較好。表明所建模型能正確反映研究區(qū)地下水位、氯化物濃度的實際變化情況。

為檢驗校正后的模型參數(shù)是否合適，采用2010年1月1日至2010年12月31日共12個時段實測數(shù)據(jù)對參數(shù)進行驗證。計算發(fā)現(xiàn)擬和平均誤差為0.356 m，相比與同期水源地實測水位平均變幅1.32 m也比較小。表明所建數(shù)學模型與研究區(qū)實際水文地質條件吻合較好，可用于實際研究。

3 咸水恢復方案的數(shù)值模擬優(yōu)化

針對研究區(qū)的情況，提出了三種恢復方案:連續(xù)抽水恢復方案、間歇式抽水恢復方案、抽注水結合恢復方案。這三種方案的模型運行的總時間均為36個月，井群抽(注)水的總時間均為12個月，井群布局圖見圖1。

3.1 連續(xù)抽水恢復方案

連續(xù)抽水方案抽水時間1～12個月，隨著抽水時間進行，含水層變薄，單井抽水量適當降低，抽出水的氯離子濃度小于250 mg/L時立即將抽水井關閉，停止抽水?？偝樗繛?.57×107m3。通過建立模型運行模擬，得到咸水體的分布變化曲線見圖3。

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

從圖3可以看出，抽水運行3個月和6個月時，咸水面積消退速度比較慢，抽水井運行的12個月后，咸水體面積消退了5.54 km2，占恢復之前咸水體總面積的35.85%。停止抽水后的6個月，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，主要是依靠抽水形成降水漏斗恢復過程中驅替作用降低地下咸水濃度，為地下咸水恢復的后續(xù)過程。停止抽水36個月后，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)抽水方案修復效果不是很好。

3.2 間歇式抽水恢復方案

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的一個原因，而周邊淡水的驅替作用對咸水體恢復也是一個不可忽略的因素［15］。因此，間歇抽水方案就是要充分發(fā)揮驅替作用在咸水恢復過程的作用來設計運行方案。間歇式抽水分兩個時段進行，第一段抽水在雨季過后(9月份)進行，運行9個月(1～9個月)，各個巖區(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個月(10～15個月)，使地下水位得以平復，然后繼續(xù)以初始抽水量抽水。運行抽水井3個月(16～18個月)。抽出水的氯離子濃度小于250 mg/L時立即將抽水井關閉，停止抽水?？偝樗繛?.61×107m3。模型運行后咸水體分布變化曲線見圖4。

圖4 間歇抽水方案運行3、6、12、24、36個月后咸水分布變化曲線

由圖4看出，抽水3個月和9個月時咸水體面積分別縮小了2.44 km2和5.00 km2;抽水3個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)抽水方案的修復效果要好，但是還有14%的咸水體殘留。

3.3 抽注水結合恢復方案模擬結果

抽注水結合方案是在連續(xù)抽水方案的基礎上，把周邊停止抽水的抽水井變?yōu)樽⑺⑺哪康挠袃蓚€:一個是進一步加強淡水對咸水體的驅替，使邊緣的咸水向抽水井集中區(qū)匯集;二是進一步淋洗砂層中殘留的氯化物，使咸水的治理更加徹底。抽水時間1～12個月，抽水井以最大抽水量抽水，當抽出水的濃度接近250 mg/L時，把抽水井改為注水井。遠離250 mg/L濃度線的注水井關閉。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效果還達不到理想效果。抽注水結合方案的咸水體分布變化曲線運行結果見圖5。

圖5 抽注水結合恢復方案運行3、6、12、24、36個月后咸水分布變化曲線

由圖5可以看出，抽注水6個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。模擬運行24個月后，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個月時的修復效果還要理想。36個月后，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。抽注水結合的方案在咸水體的修復效果上要優(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，能夠在較短時間到達良好的修復效果。

4 結論

本文根據(jù)李哥莊地區(qū)實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運移模型。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合三種地下咸水恢復方案的恢復效果。

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%，修復效果不理想。

2)間歇式抽水方案第36個月時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，抽注水組合達到了較為理想的修復效果，同時可以得知在地下咸水抽水恢復方案中抽取地下咸水只是咸水恢復的一個因素，而周邊淡水的驅替作用則是咸水恢復另一個的因素。

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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

國家水利部公益性項目(201001075);國家自然科學基金項目(41172209)

張淑慧(1986－)，女，山東濟寧人，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，博士生導師。