基于不同抽水模式下咸淡水動態(tài)模擬試驗探析

□梁 爽

山東省龍口市自從1975年發(fā)生海水入侵，便投入大量人力物力開展研究，主要集中在黃水河流域。對于海水入侵采用的最為直接的措施為黃水河流域1989年修建的地下截滲墻，成功滯緩黃水河流域的海水入侵速率，其次則是修建水庫進(jìn)行儲存地表水供給生活所需，最后對于用水大戶南山集團進(jìn)行用水制約。但是，對于西部沿海村莊的農(nóng)業(yè)灌溉用水，并未進(jìn)行合理控制，天氣干旱情況下，大量抽取地下水灌溉，甚至抽取深層地下水進(jìn)行使用。因此，目前西部沿海地區(qū)并未找到行之有效的海水防治措施，故對龍口市進(jìn)行咸淡水動態(tài)模擬試驗，以便進(jìn)一步掌握和探索該地區(qū)海水入侵的變化規(guī)律，使得海水入侵得到更好的解決。

1.基本情況

研究區(qū)位于山東省龍口市，沿渤海的 海 岸 地 帶，東 經(jīng)120°13′14″～120°50′48″，北緯37°21′15″～37°47′24″，西部與北部瀕臨渤海，整體呈楓葉狀。龍口市是暖溫帶半濕潤季風(fēng)型大陸性氣候，季風(fēng)進(jìn)退明顯，四季分明，雨熱同期，降雨季節(jié)性強。據(jù)1960年到2014年的降水資料分析，龍口市多年平均降水量617mm，多年平均水面蒸發(fā)量1250mm，水面蒸發(fā)量大于降水量。同時蒸發(fā)降水基本同期，在炎熱的夏季降雨量大，同時蒸發(fā)量也大；在蒸發(fā)量較小的冬季降雨量也少，大氣降水很難被儲存。受地形地貌影響，東南山區(qū)蒸發(fā)量相對較少，徑流量相對較大。因此，西北平原干旱程度大于東南山區(qū)，推測海水入侵可能主要集中在西海岸地帶。

研究區(qū)內(nèi)主要分布有自東南流向北西的河流為黃水河、泳汶河、北馬河、八里沙河、界河共5條河流。其中，界河地跨龍口招遠(yuǎn)兩地，其余河流的源頭也非龍口境內(nèi)，其共同特點是均在龍口境內(nèi)匯合入海?，F(xiàn)因連年干旱，降雨量小于蒸發(fā)量，以上河流在龍口境內(nèi)均已干涸。因此，研究區(qū)內(nèi)目前用水的天然儲備僅有地下水。

2.地質(zhì)條件

研究區(qū)坐落于膠東半島的低山丘陵的北部，大體上是東南丘陵區(qū)地勢高、西北平原區(qū)地勢低，中部北部為平原?？傮w面積上，平原與山丘丘陵相持平。研究區(qū)內(nèi)地形地貌受地質(zhì)構(gòu)造和巖相以及古地理的控制，按其成因類型可以分為4個區(qū)：一是構(gòu)造剝蝕的低山丘陵區(qū)，二是剝蝕堆積的山前臺地，三是侵蝕堆積的傾斜平原區(qū)，四是堆積海濱的條帶階地。

龍口市處于魯東斷塊之膠北塊隆的西北部，研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，正斷層、逆掩斷層以及平移斷層均有發(fā)育，大多為中生代燕山運動的產(chǎn)物。主要斷裂構(gòu)造有近東西向的柳海斷層、草泊斷層、九里店斷層、黃縣大斷裂以及北東向的玲瓏-北溝斷層；研究區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造較多，主要的褶皺構(gòu)造有北馬向斜、北溝背斜、王家背斜等。北部柳海斷層和草泊斷層在較少資料中被提及，大部分學(xué)者認(rèn)為黃縣與北溝斷層將研究區(qū)分為3塊，一盆地兩山地。

龍口市地層資料較少，且表面大都被第四紀(jì)覆蓋。在平原區(qū)廣泛分布第四紀(jì)砂層和黏土層；新生代以前的安山凝灰角礫巖、千枚巖、片巖、泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等大都分布在黃縣大斷裂南部山區(qū)；更有太古代與元古代的變質(zhì)巖在南部斷塊山區(qū)零星分布。由這些資料可以得知該市內(nèi)的地層巖巖性并不全是沉積巖，變質(zhì)巖和巖漿巖也有分布。

另外，研究區(qū)內(nèi)的東南斷塊山區(qū)還分布有元古界玲瓏期的花崗巖、中生代燕山期的花崗巖和新生代的玄武巖。

3.水文地質(zhì)條件

龍口市內(nèi)的地下水埋深一般約為6.2m，含水層多為孔隙潛水，偶有微承壓水，富水性不均一，黃水河流域地下水較豐富。地下水的補給來源主要為大氣降水和河水滲漏補給。地下水按其成因類型可分以下3部分，一為松散巖類孔隙水，為研究區(qū)內(nèi)主要的地下水類型；二為碳酸鹽類巖溶水，主要埋藏于灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等可溶巖的裂隙巖溶中；三為基巖裂隙水，分布在研究區(qū)的南部，埋藏于片巖、砂礫巖以及花崗巖的基巖裂隙中。

研究區(qū)含水層巖性以砂層、黏土層為主，其地下水類型主要為孔隙潛水，屬于中等-強富水層，補給源為大氣降水、地表水滲漏以及山丘基巖裂隙水補給；東南部山地廣泛分布的大多是中生代早期和晚元古代的花崗巖，少部分地區(qū)分布有新生代的玄武巖，其補給源僅有大氣降水。花崗片麻巖與花崗巖中潛水位以下的構(gòu)造裂隙水含水層呈線狀分布，其透水性能與富水性能都較弱，無較大供水意義。玄武巖中一般為透水或不含水，局部含水的蓬萊群中，結(jié)晶灰?guī)r和泥灰?guī)r含水有較大量的巖溶裂隙水，可作為一般供水水源為工農(nóng)業(yè)供水。山區(qū)排泄主要以潛水徑流形式側(cè)向補給平原區(qū)地下水，或者以季節(jié)性泉溢出轉(zhuǎn)化為地表徑流。

圖1 不同水頭差下海水入侵程度動態(tài)變化圖

表1 承壓含水層海水入侵實驗方案

龍口市自從1975年發(fā)生海水入侵，便投入大量研究，主要集中在黃水河流域。對于海水入侵采用的最為直接的措施為黃水河流域1989年修建的地下截滲墻，成功滯緩黃水河流域的海水入侵速率；其次則是修建水庫進(jìn)行儲存地表水供給生活所需；最后對于用水大戶南山集團進(jìn)行用水制約。但是對于西部沿海村莊的農(nóng)業(yè)灌溉用水并未進(jìn)行合理控制，天氣干旱情況下，大量抽取地下水灌溉，甚至抽取深層地下水進(jìn)行使用。因此，目前西部沿海地區(qū)并未找到行之有效的海水防治措施。

4.不同抽水模式下咸淡水動態(tài)模擬

海水入侵實驗通過自主研發(fā)的模擬裝置開展，由滲流槽、測壓管、模擬井等。通過石英砂和黏土，構(gòu)建潛水、承壓水含水層。地下淡水采用自來水進(jìn)行模擬，著色海水由加入0.25～1.0g/L胭脂紅的氯化鈉溶液配制而成。內(nèi)設(shè)有完整抽水井，抽水井布設(shè)在距離咸水區(qū)30cm處，設(shè)置完整井并使用PU管與恒流泵的硅膠管連接。

在潛水含層海水入侵實驗中，通過調(diào)節(jié)海水區(qū)和淡水區(qū)溢流管高度，開展不同水頭差（2cm、3cm、4cm、5cm）條件下海水入侵實驗，實驗結(jié)果如圖1所示。實驗結(jié)果表明，咸淡水水頭差越大，入侵程度越小，穩(wěn)定時間越快。海水入侵長度隨時間呈平穩(wěn)上升趨勢至穩(wěn)定，而入侵高度上升過程中有波折現(xiàn)象，分析原因可能是隨入侵范圍的變大導(dǎo)致咸水帶淡水排泄口排泄量變化，改變了靠近排泄口水體密度。

在1.5cm與4cm水頭差條件下，開展不同抽水情形下（抽水量為20ml/min、50ml/min、75ml/min、100ml/min）的海水入侵實驗，當(dāng)水頭差設(shè)置為1.5cm時，抽水井位于入侵界面之內(nèi)，抽水強度對入侵距離回退有一個閾值。當(dāng)超過閾值時，咸水入侵長度發(fā)生后退但入侵高度會上升，并且隨抽水強度增加入侵高度不斷上升，直至達(dá)到海平面高度。當(dāng)水頭差設(shè)置為4cm時，抽水井位于界面之外，海水入侵程度隨著抽水強度的增加而加劇。

承壓含水層海水入侵實驗方案見表1，通過同時改變實驗水頭差和海水密度，探討水力梯度和海水密度變化耦合作用對海水入侵的影響，然后通過多相多組分非等溫流動過程模擬軟件TOUGH2的EOS7模塊模擬上述實驗過程，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果擬合較好。

5.結(jié)語

該區(qū)發(fā)生海水入侵的主要原因有兩方面，一方面是潮汐作用下的海水沿河道上溯，并向四周補給低水位地下水所產(chǎn)生的入侵，另一方面是由于地下水的大量開采形成降落漏斗，降落漏斗中心水位遠(yuǎn)低于海平面產(chǎn)生指向內(nèi)陸的水力坡降，海水沿水力坡降方向入侵，通過多相多組分非等溫流動過程模擬軟件TOUGH2的EOS7模塊模擬不同抽水模式下咸淡水動態(tài)試驗過程，其模擬結(jié)果與實驗結(jié)果擬合較好?！?/p>