深圳西部地區(qū)海水入侵趨勢預(yù)測研究

余海忠 馮書才 曾 奇

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074； 2.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518029)

深圳西部地區(qū)海水入侵趨勢預(yù)測研究

余海忠1，2馮書才2曾 奇2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074； 2.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518029)

通過采用FEFLOW軟件，對深圳西部地區(qū)的海水入侵趨勢進(jìn)行了預(yù)測研究，預(yù)測結(jié)果表明，在保持地下水現(xiàn)狀開采量和常年平均降雨量的條件下，深圳西部地區(qū)海水入侵程度呈逐年遞減趨勢。

海水入侵，地下水，趨勢，預(yù)測

0 引言

自改革開放以來，深圳經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，隨之而來的大量地下水開采、高位海水養(yǎng)殖、填海工程以及入海河流水位變化加快了海水入侵的速度，對經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和人民生活產(chǎn)生了很大的影響[1-4]。深圳西部地區(qū)海水入侵的程度尤為嚴(yán)重，最新研究成果[5]表明，深圳西部地區(qū)主要有三塊海水入侵區(qū)，第一塊是寶安西海岸及南山西海岸，入侵面積約109.053 km2，第二塊是南山東海岸，入侵面積約69.255 km2，第三塊是福田羅湖的深圳河沿岸，入侵面積約11.421 km2。進(jìn)入21世紀(jì)以來，深圳市政府部門認(rèn)識到了入侵的嚴(yán)重性，陸續(xù)采取了一系列措施來減緩海水入侵的速度，如減少地下水開采量、防風(fēng)暴潮及海平面上升、防止海水沿河上溯、對現(xiàn)存養(yǎng)殖區(qū)的引水渠及養(yǎng)殖水池進(jìn)行改造等措施。這些措施的采取，在一定程度上減緩了海水入侵的速度，取得了一定的成效。為了評估這些措施帶來的影響以及更好地采取措施來應(yīng)對將來的海水入侵，需要對未來的海水入侵趨勢進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測的結(jié)果可以進(jìn)一步地指導(dǎo)如何采取更加經(jīng)濟(jì)有效的防治海水入侵措施。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)范圍

本次研究的深圳西部地區(qū)，北邊以濱海平原與山區(qū)邊界為界，西邊以珠江河水為界，南邊以深圳灣海水為界，東邊以布吉河為界，研究區(qū)總面積330.92 km2。

1.2 概化的含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本次研究所涉及的地層包含第四系地層和基巖強(qiáng)風(fēng)化層(基巖主要為花崗巖和砂巖)?；鶐r全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化層屬于裂隙含水層，基巖強(qiáng)風(fēng)化層以下為隔水層。根據(jù)所收集到的鉆孔資料，依據(jù)地下水的水文地質(zhì)特性和含水介質(zhì)的物質(zhì)組成特點(diǎn)，可將本研究的含水層內(nèi)部結(jié)構(gòu)概化為4層。根據(jù)鉆孔資料和剖面地層的分布區(qū)域，確定各層的厚度變化情況如下：

1)人工填土層和弱透水層。上全新統(tǒng)和中全新統(tǒng)，包括人工填土層和粉砂淤泥、砂質(zhì)淤泥、淤泥質(zhì)細(xì)砂、淤泥質(zhì)粘土以及砂質(zhì)粘土層，隔水或弱透水性，厚度范圍在1 m～10 m，最大厚度可達(dá)23 m。

2)第四系含水層(第一含水層)。下全新統(tǒng)和中全新統(tǒng)，包含砂礫層夾砂、中砂、中粗砂、粗砂和粘性土中粗砂。該層地層呈空間分布，含水層分布不穩(wěn)定。

3)弱透水層。對于本區(qū)未分的殘破積的粉質(zhì)粘土，基本沒有缺失，屬于隔水層、弱透水層，比較穩(wěn)定。該層厚度較大，一般都在5 m～12 m，最大可達(dá)29 m。

4)風(fēng)化裂隙含水層(第二含水層)?；鶐r包含片麻巖、黑云母花崗巖及混合花崗巖，由于裂隙發(fā)育，抽水試驗(yàn)證明有一定的透水性。

因此本研究區(qū)可概化成非均質(zhì)各向異性、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)的三維空間結(jié)構(gòu)概念模型。同時(shí)根據(jù)溶質(zhì)傳輸?shù)奶匦裕瑢⑷苜|(zhì)的傳輸過程概化成瞬變?nèi)苜|(zhì)運(yùn)移模型。

2 模擬方法及過程

2.1 模擬軟件的選擇

數(shù)值模擬是目前揭示海水入侵動態(tài)變化的最為有效的一種技術(shù)手段。本次研究采用FEFLOW(Finite Element Subsurface Flow System)系統(tǒng)作為海水入侵?jǐn)?shù)值模擬的軟件。FEFLOW系統(tǒng)由德國柏林水資源規(guī)劃與系統(tǒng)研究所(WASY)開發(fā)，可以對地下水水量及水質(zhì)進(jìn)行模擬。該系統(tǒng)可成功解決追溯污染物的來源、判斷污染物遷移途徑、海水入侵預(yù)測等等一系列與地下水有關(guān)的問題。該系統(tǒng)功能齊全，經(jīng)過了大量的測試和檢驗(yàn)。

2.2 模擬方法

在海水入侵的含水層中，淡水與海水的濃度和密度均存在差異，密度差和濃度差就會引起分子擴(kuò)散過程和水流的彌散過程。淡水與海水的密度差比一般為0.025，淡水與海水之間存在過渡帶。因此，在描述溶質(zhì)運(yùn)移時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮密度和濃度差異對水流的影響，建立三維變密度過渡帶模型，以正確反映海水入侵的過程。

對此三維變密度過渡帶模型，密度不斷改變的咸淡水混合液體的流動可以用地下水流連續(xù)性方程及其定解條件式來描述，混合液體中鹽分的運(yùn)移可以用瞬變?nèi)苜|(zhì)運(yùn)移方程及其定解條件式來描述。建立研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型，選擇地下水模型軟件FEFLOW，用Galerkin有限單元法求解該定解問題。綜合考慮因時(shí)間和空間的離散化而產(chǎn)生數(shù)值彌散與數(shù)值震蕩的關(guān)系，采用Shock Capturing(SC)+Forward Euler(FE/BE) predictor-corrector的數(shù)值方法進(jìn)行運(yùn)算。

2.3 模型的建立

模型采用不規(guī)則三角剖分法建立，除了遵循常規(guī)的剖分原則外，還考慮了以下三種情況：

1)充分考慮工作區(qū)的邊界、行政分區(qū)的邊界以及巖性分區(qū)邊界；

2)將水系河流放在剖分單元的結(jié)點(diǎn)上；

3)海水入侵范圍線放在結(jié)點(diǎn)上。

由于海水淡水濃度梯度大，濃度變化趨勢較大，在海水入侵界線和河流地段剖分時(shí)自動進(jìn)行了加密，如圖1所示，研究區(qū)剖分后共有94 775個(gè)結(jié)點(diǎn)，148 256個(gè)單元格。

2.4 定解條件

1)邊界條件。

工作區(qū)的北部邊界可以作為定流量和定溶質(zhì)的通量邊界(第二類邊界)；東部為布吉河和深圳河，作為定水頭邊界和定濃度邊界；南部和西部主要是臨海，作為已知水頭、定濃度的一類邊界；根據(jù)收集的潮汐資料，可以推算出每天平均海平面，將其作為水流的第一類邊界值，由此可知一類邊界隨時(shí)間的變化而變化；海水只是切割孔隙含水層，未達(dá)到裂隙含水層。

含水系統(tǒng)頂部接受降雨入滲補(bǔ)給、潛水蒸發(fā)，概化為第二類邊界；下部以花崗巖中風(fēng)化層底板為底部邊界，處理為零通量邊界。

2)初始條件。

根據(jù)2012年6月統(tǒng)測的地下水水位，然后采用內(nèi)插法和外推法進(jìn)行計(jì)算，獲得含水層的初始水位。地下水Cl-濃度采用2012年6月取樣監(jiān)測成果，按照內(nèi)插法和外推法獲得第四系孔隙水和基巖裂隙水的初始濃度。

2.5 水文地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)已有的研究成果以及研究區(qū)水文地質(zhì)條件，可以將第一含水層(第四系含水層)和第二含水層(基巖裂隙含水層)的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行分區(qū)，第四系含水層水文地質(zhì)參數(shù)通過對白石洲抽水試驗(yàn)成果(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)完成的《深圳沿海典型地段水文地質(zhì)試驗(yàn)報(bào)告》)，結(jié)合本次研究的抽水試驗(yàn)結(jié)果，再根據(jù)含水層巖性初步進(jìn)行滲透系數(shù)和彈性釋水系數(shù)分區(qū)，通過數(shù)值模擬對參數(shù)進(jìn)行校核，最終確定合理的參數(shù)?；鶐r裂隙含水層水文地質(zhì)參數(shù)通過對沙咀村抽水試驗(yàn)成果(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)完成的《深圳沿海典型地段水文地質(zhì)試驗(yàn)報(bào)告》)，再根據(jù)含水層巖性初步進(jìn)行滲透系數(shù)和彈性釋水系數(shù)分區(qū)，通過數(shù)值模擬對參數(shù)進(jìn)行校核，最終確定合理的參數(shù)。

白石洲試驗(yàn)點(diǎn)位于南山區(qū)沙河?xùn)|路，井深31 m，含水層厚度為8.5 m，抽水層為8 m～15 m。白石洲抽水試驗(yàn)求取的滲透系數(shù)為50.63 m/d，彈性釋水系數(shù)為0.007 55。

中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)完成的《深圳沿海典型地段水文地質(zhì)試驗(yàn)報(bào)告》彌散試驗(yàn)成果，白石洲試驗(yàn)孔孔隙含水層的縱向、橫向彌散度分別為αL=1.53 m，αT=0.12 m，具有較明顯的各向異性。

沙咀村試驗(yàn)點(diǎn)位于福田區(qū)沙咀路的金地花園前面。該井為一承壓裂隙水，井深40 m，32.5 m以上部分下φ140 mm的鋼板管，其余部分下φ127 mm的鋼花管，從所揭露巖性看，已基本揭穿基巖裂隙含水層，所以可作為完整井。觀測孔深度為35.0 m～42.0 m，其中在殘積土以上部分用PVC塑膠管封閉，其余部分下有網(wǎng)眼塑膠管。進(jìn)行了4 h的單井抽水試驗(yàn)，求取沙咀村試驗(yàn)點(diǎn)滲透系數(shù)。通過已有的求參成果，沙咀村試驗(yàn)點(diǎn)滲透系數(shù)為2.3 m/d。

中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)完成的《深圳沿海典型地段水文地質(zhì)試驗(yàn)報(bào)告》成果，沙咀村試驗(yàn)孔裂隙含水層的縱向、橫向彌散度分別為αL=0.21 m，αT=0.09 m。

3 模擬預(yù)測結(jié)果

根據(jù)國家建材局地質(zhì)工程勘查研究院提供的《深圳市地下水資源調(diào)查與評價(jià)報(bào)告》成果，該研究區(qū)目前每年的地下水開采量為2 000×104m3，多年平均年降雨入滲量為2 312×104m3，可以看出地下水資源處于正均衡狀態(tài)，在此條件下預(yù)測2020年和2030年海水入侵趨勢。

在預(yù)測時(shí)降雨量采用多年平均降雨量，其月份分配如表1所示，開采量本次模擬采用人為給定開采井的位置和開采量。周邊基巖側(cè)向補(bǔ)給量的給定是通過水均衡計(jì)算得到，河水位和海水位采用多年觀測資料平均值，模擬預(yù)測的時(shí)段為2012年—2030年，預(yù)測現(xiàn)狀開采條件下的海水入侵趨勢。

表1 深圳市年平均降雨量年內(nèi)分布成果表

3.1 第四系含水層海水入侵預(yù)測

通過模擬結(jié)果表明：在現(xiàn)狀開采量條件下(2 000×104m3/年)，第四系海水入侵程度將逐步緩解。如表2所示，到2020年，第四系含水層海水入侵面積為106.83 km2，到2030年，第四系含水層海水入侵面積為101.04 km2。

表2 第四系含水層海水入侵面積預(yù)測表

表3 基巖裂隙含水層海水入侵面積預(yù)測表

3.2 基巖裂隙含水層海水入侵預(yù)測

通過模擬結(jié)果表明：在現(xiàn)狀開采量條件下(2 000×104m3/年)，基巖海水入侵程度將逐步緩解。如表3所示，到2020年，基巖裂隙含水層海水入侵面積為82.76 km2，到2030年，基巖裂隙含水層海水入侵面積為79.27 km2。

4 結(jié)論與認(rèn)識

通過以上研究，得出結(jié)論如下：

1)在保持地下水現(xiàn)狀開采量和常年平均降雨量的條件下，深圳西部地區(qū)海水入侵程度呈逐年遞減趨勢。

2)預(yù)測到2030年，第四系含水層海水入侵面積將減少至101.04 km2。

3)預(yù)測到2030年，基巖裂隙含水層海水入侵面積將減少至79.27 km2。

[1] 趙銳銳，成建梅，劉 軍，等.基于GIS的海水入侵危險(xiǎn)性評價(jià)方法——以深圳市寶安區(qū)為例[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2009，28(5):96-100，108.

[2] 殷建平，謝 強(qiáng)，孫宗勛，等.深圳沿岸海水入侵災(zāi)害現(xiàn)狀研究[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2011，30(40):541-545.

[3] 耿雪峰，肖林超，汪 磊.深圳市海水入侵成因分析[J].山西建筑，2014，40(13)：68-70.

[4] 余海忠，馮書才.深圳填海工程對海水入侵的影響研究[J].山西建筑，2015，41(4)：56-58.

[5] 余海忠，馮書才，曾 奇.采用物探方法研究深圳西部地區(qū)海水入侵現(xiàn)狀[J].山西建筑，2015，41(14)：56-58.

Prediction of seawater intrusion trends in west Shenzhen

Yu Haizhong1，2Feng Shucai2Zeng Qi2

(1.ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074,China；2.ShenzhenMunicipalDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Shenzhen518029,China)

By using FEFLOW software, the trends of seawater intrusion in western Shenzhen were predicted. The prediction results show that in maintaining the present situation of groundwater exploitation and the average annual rainfall conditions, seawater intrusion degree in western Shenzhen is decreasing.

seawater intrusion, groundwater, trend, prediction

2015-06-29

余海忠(1971- )，男，在讀博士后，高級工程師； 馮書才(1954- )，男，高級工程師； 曾 奇(1987- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)25-0069-03

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