基于不同開采條件下 海水入侵預(yù)測及地下水開采方案探析

許海東

(遼寧省營口水文局，遼寧 營口 115003)

1 概況

研究區(qū)內(nèi)的主要地表水體為大清河地表水系，河床寬度約20～300m。大清河發(fā)源于營口市東部山區(qū)，流域面積1468km2。為監(jiān)測大清河的水位、流量、流速等，1959年在大清河中下游修建望寶山水文監(jiān)測站。根據(jù)望寶山水文監(jiān)測站多年觀測，平均最大徑流量57m3/s，最小徑流量0.316m3/s，徑流隨季節(jié)變化明顯。為調(diào)節(jié)大清河徑流量隨季節(jié)的變化，在其上游修建石門水庫。此外，在大清河下游修建了一座集蓄水、灌溉、擋潮為一體的攔河閘。

研究區(qū)內(nèi)潛水含水層的主要補(bǔ)給來源主要有大氣降水入滲、河流側(cè)向補(bǔ)給和山前地下水徑流補(bǔ)給以及下伏碳酸鹽巖巖溶水的頂托補(bǔ)給、山前沖洪積扇的側(cè)向徑流補(bǔ)給和開采條件下的越流補(bǔ)給[1]。含水層接受河流側(cè)向補(bǔ)給、大氣降水入滲補(bǔ)給等多項(xiàng)補(bǔ)給后，沿地勢(shì)自東向西徑流，徑流速度隨著含水層厚度、透水性和地形的變化而變化，在濱海地帶含水介質(zhì)的顆粒逐漸變小，透水性相應(yīng)減小，地下水徑流也隨之減緩。天然狀態(tài)下，大清河流域在上游河段地下水向河流排泄，在下游河段枯水期受地下水補(bǔ)給，豐水期河水補(bǔ)給地下水。隨著工農(nóng)業(yè)發(fā)展，用水需求增加，大清河流域先后修建了四個(gè)水源地，井深較大，均分布在第四含水層中，自上游至下游依次是：①團(tuán)甸水源地，共有19口井，其中研究區(qū)涵蓋4口；②化纖水源地，有8口井；③蓋州二三水源地，有13口井；④永安水源地，有18口井。此外，還有大量農(nóng)業(yè)機(jī)電井，井深較小，主要分布在第二含水層中。自修建水源地開采井和農(nóng)業(yè)機(jī)電井以來，人工開采已經(jīng)成為地下水最主要的排泄方式。由于農(nóng)業(yè)灌溉用井和水源地開采井對(duì)地下水大量開采，地下水位低于河水水位，研究區(qū)地下水不再向河流排泄，而是長時(shí)間受河流補(bǔ)給。由于河流補(bǔ)給速度和補(bǔ)給量有限，在水源地開采井和農(nóng)業(yè)灌溉井廣泛分布的永安水源地附近形成降落漏斗。

2 攔河閘對(duì)海水入侵的調(diào)控作用分析

變密度地下水流動(dòng)數(shù)學(xué)模型可以近似反映該區(qū)真實(shí)的水文地質(zhì)條件，因此本文利用該模型對(duì)研究區(qū)進(jìn)行模擬預(yù)測[2]。假設(shè)大清河河道上沒有修建攔河閘，其他條件不變，對(duì)研究區(qū)1991—2015年數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析。模擬結(jié)果表明，沒有修建攔河閘時(shí)降落漏斗中心地下水埋深比修建有攔河閘時(shí)低2m。為分析攔河閘的調(diào)控作用，在距離攔河閘附近，分別選取南岸距離大清河1km的P1點(diǎn)和2km的P2點(diǎn)對(duì)其水位變化進(jìn)行對(duì)比分析，如圖1—2所示。

圖1 地下水觀測點(diǎn)分布圖

圖2(a)和圖2(b)分別是P1和P2點(diǎn)水位變化圖，從圖中可以看出，距離攔河閘較近的P1點(diǎn)水位變化受攔河閘的控制影響較大，距離較遠(yuǎn)P2點(diǎn)相對(duì)較弱，有、無攔河閘水位變化趨勢(shì)相同。圖2(c)和圖2(d)是第一層P1和P2點(diǎn)的Cl-濃度變化對(duì)比曲線，圖2(e)和圖2(f)是第四層P1和P2點(diǎn)的Cl-濃度變化對(duì)比曲線，比較P1和P2兩點(diǎn)Cl-濃度的變化，距離攔河閘較近的P1點(diǎn)受攔河閘影響較大，距離較遠(yuǎn)的P2點(diǎn)受攔河閘作用減弱。對(duì)比第一層和第四層的同一點(diǎn)Cl-濃度變化，可以看出攔河閘對(duì)第一層的控制具有即時(shí)性，對(duì)于第四層的影響則具有滯后性。

由上述分析可以看出，攔河閘不但可以調(diào)控地表水流，還可以通過水位控制間接影響下層水位變化從而影響海水入侵面積。不同含水層海水入侵面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 2015年有、無攔河閘分層入侵面積對(duì)比

由表1可以看出，攔河閘對(duì)每一層的調(diào)控作用不同。通過對(duì)地表水進(jìn)行控制，較大地影響攔河閘周邊地下水，由于研究區(qū)河道附近整體滲透系數(shù)較大，層間補(bǔ)給明顯，因此攔河閘能夠間接影響下層入侵面積[3]。

圖2 有無攔河閘選點(diǎn)水位濃度對(duì)比圖

3 不同攔河閘長度海水入侵預(yù)測

根據(jù)上述分析結(jié)果，可以看出攔河閘對(duì)研究區(qū)的海水入侵有明顯的調(diào)控作用，因此拓寬攔河閘可以作為研究區(qū)回退海水入侵的一項(xiàng)措施。假設(shè)模型各項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù)不變，降水入滲量取多年降水量的平均值進(jìn)行賦值，蒸發(fā)量忽略不計(jì)；選取2015年11月地下水流動(dòng)和Cl-濃度場作為初始條件；水源地開采量采用2015年壓采方案完成后的開采量，農(nóng)田灌溉井開采量不再增加。設(shè)置地下水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移預(yù)測模擬期為20年，即2015年11月—2035年11月，分別對(duì)攔河閘長度300(不拓寬)、600、1000、2000m等情況進(jìn)行模擬預(yù)測。

選取有無攔河閘對(duì)比時(shí)的距攔河閘較近的點(diǎn)P1，以及2015年11月降落漏斗中心P3，分析不同攔河閘長度條件下P1和P3的水位變化，如圖3所示?？梢钥闯鼍嚯x攔河閘較遠(yuǎn)的點(diǎn)P3受攔河閘拓寬的影響較小，水位抬升之間的差距在0.1m左右，在現(xiàn)有開采條件下，降落漏斗中心水位迅速抬升至-7m左右，后在-2～-3m之間緩慢增長，逐漸趨于穩(wěn)定。距離攔河閘較近的P1點(diǎn)受攔河閘的影響相對(duì)較大，水位抬升與攔河閘的長度呈明顯的正相關(guān)。

為分析不同攔河閘長度對(duì)海水入侵面積的調(diào)控作用，選取1、5、10、20年預(yù)測結(jié)果分層統(tǒng)計(jì)海水入侵面積的變化，見表2—5。關(guān)于單層最大回退比例的計(jì)算，設(shè)定最大入侵面積為ΔAmax，任意時(shí)間點(diǎn)的入侵面積為ΔAt，則海水入侵回退比例δ=(ΔAmax-ΔAt)/ΔAmax×100%。從表中可以看出攔河閘拓寬在短時(shí)間內(nèi)對(duì)研究區(qū)整體海侵面積的回退作用并不明顯，其原因可能是入侵面積距離攔河閘較遠(yuǎn)。

為進(jìn)一步分析攔河閘的作用，在已入侵區(qū)對(duì)O1、O2、O5、O6四個(gè)點(diǎn)的單點(diǎn)濃度變化進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。其中O1點(diǎn)是最接近250mg/L入侵線的點(diǎn)，且距離攔河閘較遠(yuǎn)，在內(nèi)陸降落漏斗恢復(fù)的過程中，以入侵的高水位咸水向內(nèi)陸補(bǔ)給，單點(diǎn)濃度增大，上游水位等于或高于該點(diǎn)水位時(shí)，該點(diǎn)濃度平穩(wěn)或降低。O2距離250mg/l等值線稍遠(yuǎn)，在內(nèi)陸地下水位抬升的過程中先向內(nèi)陸補(bǔ)給，水位抬升后被高水位淡水驅(qū)替，濃度逐漸減小[4]，該點(diǎn)濃度變化受攔河閘拓寬長度影響較大，單點(diǎn)濃度二十年降低5%～17.74%不等。位于大清河北岸的O5和O6點(diǎn)在大清河北岸，距離攔河閘較遠(yuǎn)，受其影響不大，接受高水位淡水的自然驅(qū)替。

表2 不同攔河閘長度1年后分層入侵面積統(tǒng)計(jì)

表3 不同攔河閘長度5年后分層入侵面積統(tǒng)計(jì)

表4 不同攔河閘長度10年后分層入侵面積統(tǒng)計(jì)

表5 不同攔河閘長度20年后分層入侵面積統(tǒng)計(jì)

圖3 不同攔河閘長度選點(diǎn)水位比較

圖4 不同攔河閘長度單點(diǎn)Cl-濃度變化

研究區(qū)水源地開采量進(jìn)行壓釆后總開采量不超過900萬m3/a，農(nóng)業(yè)用井開采量沒有進(jìn)行控制，開采量約2500萬m3/a；降雨補(bǔ)給量約1700萬m3/a，側(cè)向補(bǔ)給約400萬m3/a，河流流量約2500萬m3/a。其中河流流量并不能完全補(bǔ)給地下水，當(dāng)兩岸水位低于河水位時(shí)，河水向兩岸補(bǔ)給地下水，當(dāng)河流兩岸地下水高于河水位時(shí)，地下水不再接受河水的補(bǔ)給，甚至向河流排泄，河水越閘向海洋排泄。壓釆之后，地下水水位恢復(fù)過程中，河水大量補(bǔ)給地下水，隨著地下水位的抬升，適量河水補(bǔ)給周邊開采井開采，多余河水排泄入海[5]。此時(shí)，適當(dāng)拓寬攔河閘可以增大淡水資源的儲(chǔ)存量，抬升攔河閘周邊地下水水位，增大淡水驅(qū)替咸水的水力梯度。因此，當(dāng)研究區(qū)開采總量小于水資源總量時(shí)，可以通過拓寬攔河閘等措施增大淡水儲(chǔ)存量[6- 8]，讓淡水排泄入海的方式由地表徑流變?yōu)榈叵聺B流，既保證內(nèi)陸淡水開采的需要又可以驅(qū)替已入侵咸水。

4 不同開采條件下海水入侵預(yù)測

模型各項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù)不變，降水入滲量取多年降水量的平均值進(jìn)行賦值[9]，蒸發(fā)量忽略不計(jì)，選取2015年11月地下水流場和Cl-濃度場作為初始條件，地下水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移預(yù)測模擬期為20年，即2015年11月—2035年11月。在此設(shè)定了5種地下水開采量方案：①關(guān)停所有水源地開采井(開采量減少900萬m3/a)；②封閉所有農(nóng)業(yè)開采井(開采量減少2500萬m3/d)；③兩種開采井各封閉關(guān)停一半(開采量減少1700萬m3/a)；④兩種開采井的開采量各壓釆一半(開采量減少1700萬m3/a)；⑤禁采(即關(guān)停所有開采井，開采量為0)?；谝陨?種地下水開采方案進(jìn)行模擬預(yù)測。

不同開采方案條件下，研究區(qū)內(nèi)未來1、5、10、20年的分層未入侵面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到表6—9。由于潮汐作用影響，第一層的入侵面積不做對(duì)比分析。對(duì)比上述攔河閘長度為300m的模擬結(jié)果，可以直觀地看出由于總開采量減少，研究區(qū)入侵面積減少。研究區(qū)總開采方案，①>③=④>②>⑤，由表6—9可以看出，回退比例與開采量直接相關(guān)，進(jìn)行壓釆后地下水位抬升，原來指向內(nèi)陸的水力梯度重新指向海洋，海水入侵回退，回退速率由水力梯度大小決定，回退比例與回退時(shí)間呈線性相關(guān)。

為進(jìn)一步分析單點(diǎn)濃度變化受開采量不同的影響，在入侵區(qū)選取4個(gè)點(diǎn)O1、O2、O5、O6進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，這4個(gè)點(diǎn)整體上單點(diǎn)濃度下降速度和開采量呈負(fù)相關(guān)，禁采時(shí)各點(diǎn)20年濃度下降在20%左右。方案③和方案④開采量相同，但O1點(diǎn)與其他3點(diǎn)的濃度變化不同，原因是O1點(diǎn)附近存在一個(gè)開采井，方案③和方案④開采量分別是0m3/d和350m3/d，方案③開采量小于方案④，因此在O1點(diǎn)方案③濃度下降速度大于方案④。

表6 不同開采方案1年后分層入侵面積統(tǒng)計(jì)

表7 不同開采方案5年后分層入侵面積統(tǒng)計(jì)

表8 不同開采方案10年后分層入侵面積統(tǒng)計(jì)

表9 不同開采方案20年后分層入侵面積統(tǒng)計(jì)

圖5 不同方案單點(diǎn)Cl-濃度變化

5 結(jié)語

總體上，由于研究區(qū)發(fā)生入侵時(shí)降落漏斗中心水位較低，和天然咸水水位之間的水力梯度較大[10](水頭差約18m)，回退時(shí)，水位抬升最大值(禁采)也略低于地表高程(水頭差4m)，指向海洋的水力梯度遠(yuǎn)小于入侵時(shí)指向內(nèi)陸的水力梯度，海水入侵回退緩慢。