截滲墻作用下濱海地下水滲流與排泄特征?

高明鵬，鄭西來(lái)??，鄭天元，常欽鵬，方運(yùn)海，張 博

(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.山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；3.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100)

世界上約有70%的人口居住在沿海地區(qū)，在這些地區(qū)，地下水是主要的供水水源，因此地下水的水質(zhì)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳钪陵P(guān)重要[1-2]。在濱海含水層中，地下水在水力梯度的驅(qū)動(dòng)下向海洋排泄，這是陸地向海洋進(jìn)行物質(zhì)輸送的一個(gè)重要過(guò)程[3]。在許多沿海地區(qū)，地下水排泄量等同甚至數(shù)倍于地表徑流量[4]。地下水的排泄是全球水循環(huán)的一個(gè)重要組成部分，同時(shí)也與濱海含水層中地下水的水質(zhì)有著密切的聯(lián)系[5]。在排泄過(guò)程中，地下水中的溶解物質(zhì)(營(yíng)養(yǎng)鹽、金屬元素等)會(huì)被攜帶入海，從而避免了這些物質(zhì)的積累對(duì)含水層和地下水的污染[6]。Zhou等[7]評(píng)估了全球不同沿海地區(qū)的地下淡水排泄量，發(fā)現(xiàn)相比于干旱的中緯度地區(qū)，熱帶地區(qū)地下淡水排泄量更大。據(jù)此，他們認(rèn)為干旱的中緯度地區(qū)的含水層更容易受到鹽堿化的影響。

為滿(mǎn)足沿海地區(qū)居民用水和工農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，大量的地下水被抽取。同時(shí)，氣候變化導(dǎo)致的海平面上升現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重。這使得地下水位相對(duì)海平面下降，海水-地下水界面向陸地方向移動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為海水入侵(見(jiàn)圖1(a))[8-9]。海水入侵會(huì)造成地下水質(zhì)惡化、地下設(shè)備腐蝕、農(nóng)作物減產(chǎn)等危害。為防治海水入侵，國(guó)內(nèi)外研究者提出了許多方法，如抽提咸水、人工回灌、優(yōu)化抽水井布設(shè)模式和修筑地下物理帷幕等[10]。其中地下物理帷幕以其防治效率高、運(yùn)行及維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)而在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用[11]。常見(jiàn)的地下物理帷幕按照使用材料和修建位置可分為三種主要類(lèi)型[12]：(1)由半透水材料組成，垂直貫穿整個(gè)含水層的半滲透物理帷幕，這種帷幕在實(shí)際工程中已經(jīng)很少使用(見(jiàn)圖1(b))[13]；(2)由不透水材料組成，修建在含水層隔水底板上并具有一定高度，上段開(kāi)口以允許地下水向海洋排泄的地下壩(見(jiàn)圖1(c))；(3)由不透水材料組成，從地表開(kāi)始修建并穿透含水層到一定深度，下端開(kāi)口以允許地下水流通過(guò)的截滲墻(見(jiàn)圖1(d))。

圖1 海水入侵和地下物理帷幕示意圖

各類(lèi)型的地下物理帷幕中，截滲墻防治海水入侵的有效性已經(jīng)得到了充分的證明[14-16]。目前，截滲墻的修建對(duì)地下水環(huán)境的影響正引發(fā)研究者的關(guān)注。Ishida等[17]綜述了墻體建設(shè)的基本問(wèn)題、設(shè)計(jì)指標(biāo)，并提出了與地下水循環(huán)利用有關(guān)的一系列問(wèn)題，如鹽漬化、硝酸鹽污染和區(qū)域地下水流場(chǎng)改變等。在國(guó)內(nèi)，大沽河流域截滲墻的修建使上游地下水中氯離子含量明顯減少，但也在極大程度上限制了地下水向海排泄，建成后10年左右的排泄量?jī)H相當(dāng)于建成前一天的排泄量[18-19]。劉金玉[20]研究表明，三澗堡地下截滲墻的建成使上游地下水位抬升超過(guò)6 m，基本解決了當(dāng)?shù)鼐用裼盟枨螅坏捎谇捌谠O(shè)計(jì)時(shí)未考慮排泄的問(wèn)題，導(dǎo)致當(dāng)?shù)馗販p產(chǎn)面積達(dá)1/10。Senthilkumar等[21]對(duì)印度南部某流域進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明，當(dāng)?shù)亟貪B墻建成后，上游地下水位將升高10～30 cm，而下游地下水位將降低10～20 cm。Chang等[22]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬探究了地下截滲墻對(duì)淡水排泄的影響，發(fā)現(xiàn)具有最小有效高度的墻體可以有效防治海水入侵，同時(shí)保持最大的地下水排泄量。

總的來(lái)說(shuō)，以往的研究已經(jīng)證明，截滲墻的建設(shè)對(duì)地下水的排泄存在一定的影響，然而目前仍然難以確定兩者的定量關(guān)系。存在的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)單一，未考慮排泄過(guò)程中地下水滲流速度的變化；(2)通常只研究穩(wěn)態(tài)的地下水排泄量，而實(shí)際上排泄量會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。因此，本研究以截滲墻為研究對(duì)象，定量刻畫(huà)了截滲墻條件下地下水滲流和排泄的變化特征。

1 地下水?dāng)?shù)值模型建立與求解

1.1 定解條件

本研究考慮截滲墻建設(shè)前后的海水入侵過(guò)程，為簡(jiǎn)化這一問(wèn)題，我們假設(shè)：(1)含水層為潛水含水層，均質(zhì)、各向同性；(2)含水層完全飽水；(3)流體和固體都不可壓縮；(4)流體密度僅取決于鹽的濃度。在上述假設(shè)基礎(chǔ)上，本文按圖2所示建立概念模型。模擬區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)(300×30)m2的二維縱向垂直截面。模型的頂部和底部設(shè)置為Neumann無(wú)流動(dòng)邊界，沒(méi)有任何流體的流動(dòng)和物質(zhì)的運(yùn)輸；左側(cè)為內(nèi)陸地下水的定水頭邊界和Dirichlet質(zhì)量邊界，水頭值為28.5 m(hf)，濃度值為0 g/L(C0)；右側(cè)為海水的定水頭邊界和Dirichlet質(zhì)量邊界，水頭值為29.4 m(hs)，濃度值為36 g/L(Cs)。截滲墻厚度設(shè)置為1 m，墻體內(nèi)沒(méi)有流體和物質(zhì)的運(yùn)移。

圖2 場(chǎng)地尺度數(shù)值模擬的模型設(shè)置

1.2 數(shù)值解法

在上述定解條件的基礎(chǔ)上建立數(shù)值模型。有限差分模型SEAWAT-2000[23]被用于求解數(shù)值模型中的變密度地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移方程，從而進(jìn)行海水入侵過(guò)程的模擬。

使用預(yù)處理共軛梯度(PCG)方法對(duì)流量方程進(jìn)行處理。廣義共軛梯度(GCG)作為溶質(zhì)運(yùn)移方程的色散項(xiàng)和源項(xiàng)，改進(jìn)特征方法被用于求解方程的平流項(xiàng)。使用Matlab軟件(Mathworks, I., 2018a)進(jìn)行模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、計(jì)算和可視化等后處理工作?；谝酝鶊?chǎng)地尺度研究中所常用的含水層參數(shù)，我們?cè)O(shè)置并保持含水層水力梯度(J)為3‰，孔隙度(n)為0.4，水力傳導(dǎo)率(K)設(shè)置為0.000 6 m/s，縱向彌散度(αL)設(shè)置為1 m，橫向彌散度(αT)為縱向彌散度的1/10[24-27]。模型區(qū)域被Δx×Δz=1 m×1 m尺寸的矩形單元離散化為9 000個(gè)網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分方案滿(mǎn)足Péclet指標(biāo)，因此可以認(rèn)為所建立的模型具有足夠的數(shù)值穩(wěn)定性[28]。Péclet指標(biāo)Pem定義如下：

(1)

式中：Δx為沿x軸方向的網(wǎng)格尺寸；αL為含水層中縱向彌散度。

時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為1 d。模擬的應(yīng)力期設(shè)為3 000 d，這一時(shí)間長(zhǎng)度足夠模擬的所有案例達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。地下水排泄量通過(guò)模型中的Zone Budget模塊計(jì)算，設(shè)置模擬區(qū)域左側(cè)第二列網(wǎng)格為流量計(jì)算區(qū)。根據(jù)水量平衡原理，應(yīng)力期內(nèi)從流量計(jì)算區(qū)流入含水層的水量即為地下水的排泄量。使用模型中的Velocity模塊計(jì)算地下水的流速。模型中截滲墻的模擬通過(guò)設(shè)置特定區(qū)域?yàn)榉腔顒?dòng)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。截滲墻深度的參考值為24 m，與海洋邊界距離的參考值為60 m，在此基礎(chǔ)上采用控制變量的方法研究截滲墻結(jié)構(gòu)對(duì)地下水滲流和排泄的影響，共進(jìn)行17組模擬。主要的模擬方案和模型參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

使用地下水相對(duì)流速(V)和相對(duì)排泄量(Q)來(lái)評(píng)價(jià)截滲墻對(duì)含水層中地下水滲流和排泄的影響。其中，地下水相對(duì)流速包括相對(duì)最大流速(Vmax)和相對(duì)平均流速(Vmean)。為便于描述和對(duì)比，上述指標(biāo)均設(shè)置為無(wú)量綱變量，定義如下：

(2)

(3)

(4)

式中：Q0、V0和V0′分別代表無(wú)墻條件下的地下淡水排泄量、含水層內(nèi)局部最大流速和地下水平均流速；Qt、Vt和Vt′分別代表截滲墻建設(shè)后的地下淡水排泄量、含水層內(nèi)局部最大流速和地下水平均流速。

2 結(jié)果與討論

2.1 無(wú)墻和有墻條件下地下水滲流和排泄特征

模擬了無(wú)墻和有墻條件下的海水入侵過(guò)程以探究截滲墻的建設(shè)對(duì)地下水滲流和排泄的影響，結(jié)果如圖3所示。圖中白色箭頭的方向代表流速方向，箭頭長(zhǎng)度代表流速大小(下文中相同)。如圖3(a)所示，無(wú)墻條件下含水層中穩(wěn)態(tài)咸水楔的長(zhǎng)度為170 m(以海水濃度的50%濃度等值線為準(zhǔn)[29-30])，由于楔內(nèi)咸水的高濃度、高密度，整個(gè)咸水楔成為一個(gè)地下淡水無(wú)法通過(guò)的低流速區(qū)(流速值小于1×10-6m/s)。因此，含水層中的地下淡水流動(dòng)至咸水楔時(shí)會(huì)沿著咸淡水界面向右上方的排泄口運(yùn)動(dòng)。這一過(guò)程中，隨著與海洋邊界距離的減小，咸水楔厚度越來(lái)越大，淡水的排泄空間逐漸被壓縮，所以淡水的流速逐漸增大，并在含水層的排水口(咸水楔上方)處達(dá)到最大值。此外，由于低流速區(qū)域內(nèi)咸水的流速方向與含水層內(nèi)淡水流速方向相反，二者達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)。因此在含水層垂直方向上，越靠近咸水楔，淡水流速越小，速度最小的區(qū)域位于咸淡水過(guò)渡帶處。

截滲墻建設(shè)后，地下水的流動(dòng)受阻。因此，含水層內(nèi)的地下水流速顯著降低，截滲墻頂部陸側(cè)區(qū)域降低得尤為明顯(見(jiàn)圖3(b))。然而，截滲墻底部及其右側(cè)的狹窄空間出現(xiàn)了新的高流速區(qū)(流速值大于1×10-5m/s)。這是由于被截滲墻阻擋的地下水流動(dòng)方向發(fā)生改變，并集中在截滲墻底部進(jìn)行排泄。與此同時(shí)，通過(guò)截滲墻底部的地下水還需通過(guò)墻體與咸水楔之間的區(qū)域才能向海洋排泄，狹窄的排泄空間導(dǎo)致了高流速區(qū)的產(chǎn)生。與截滲墻建設(shè)前相比，此時(shí)含水層排泄口處原本的高流速區(qū)面積減小了16%。此外，截滲墻下方的咸水楔內(nèi)部出現(xiàn)了流速較大的區(qū)域，這導(dǎo)致咸水楔趾部形狀出現(xiàn)波動(dòng)。截滲墻條件下地下水滲流特征和排泄路徑的改變使咸水楔長(zhǎng)度從170 m縮短至60 m，但墻體下游咸淡水過(guò)渡帶的面積明顯增加。

圖3 無(wú)墻(a)和有墻(b)條件下地下水滲流特征

墻體建設(shè)前后地下水相對(duì)排泄量隨時(shí)間的變化如圖4所示。在無(wú)墻條件下，相對(duì)排泄量在極短時(shí)間內(nèi)(15 d)迅速上升并達(dá)到穩(wěn)定。在15～3 000 d期間，咸水楔持續(xù)向內(nèi)陸延伸，長(zhǎng)度及厚度不斷增加，地下水排泄空間逐漸被壓縮。但由于含水層厚度較大，地下水排泄空間的縮小會(huì)帶來(lái)流速的增加，因此地下水排泄量并沒(méi)有發(fā)生變化。也就是說(shuō)，在無(wú)墻條件下，咸水楔的形態(tài)對(duì)地下水排泄量不會(huì)產(chǎn)生影響。截滲墻建設(shè)后，地下水相對(duì)排泄量增速變慢，在32 d時(shí)增加至84.5%，之后開(kāi)始緩慢下降，在404 d時(shí)降至59.4%并達(dá)到穩(wěn)定。此時(shí)截滲墻深度為含水層厚度的80%，這意味著地下水排泄空間被極大地壓縮。因此，盡管截滲墻底部地下水流速顯著增大，但含水層整體的地下水流速降低，相對(duì)排泄量減小。截滲墻安裝32 d后相對(duì)排泄量開(kāi)始降低的原因在于，此時(shí)咸水楔已經(jīng)逼近截滲墻，高濃度咸水開(kāi)始逐漸占據(jù)截滲墻下方的地下水排泄通道。不同于截滲墻安裝前，此時(shí)地下水的排泄空間已經(jīng)很狹窄(僅為含水層厚度的20%)，隨著咸水的入侵，流速的增加已經(jīng)不能抵消排泄空間進(jìn)一步縮小帶來(lái)的影響，因此相對(duì)排泄量開(kāi)始降低。

圖4 無(wú)墻和有墻條件下地下水相對(duì)排泄量隨時(shí)間的變化

2.2 截滲墻深度對(duì)地下水滲流和排泄的影響

墻體距海洋邊界60 m，深度為18～27 m時(shí)，地下水的滲流特征如圖5所示。隨著墻深的增加，咸水楔長(zhǎng)度逐漸縮短，意味著截滲墻防治海水入侵的效果增強(qiáng)；與此同時(shí)，墻體右側(cè)咸淡水過(guò)渡帶的面積逐漸增大。此外，截滲墻上游含水層內(nèi)的地下水流速明顯降低。墻深Dc=18 m時(shí)，上游含水層中地下水流速值約是咸水楔內(nèi)高濃度咸水的3～4倍；而在墻深Dc=27 m時(shí)，上游含水層內(nèi)的地下水流速值與咸水楔內(nèi)的高濃度咸水大致相當(dāng)。隨著墻深的增加，含水層排水口處的高流速區(qū)域的面積減小，這意味著截滲墻深度的增加不僅會(huì)降低墻體上游地下水的流速，還會(huì)影響墻體下游的排泄過(guò)程。

圖5 墻深為18 m(a)、21 m(b)、24 m(c)和27 m(d)時(shí)的地下水滲流特征

上述4組墻深條件下地下水相對(duì)排泄量隨時(shí)間的變化如圖6所示。與圖4中描述的趨勢(shì)相同，4組案例中地下水相對(duì)排泄量均在短時(shí)間內(nèi)迅速上升至最大值，然后緩慢下降直至達(dá)到穩(wěn)定。相比之下，截滲墻越深，地下水相對(duì)排泄量能夠達(dá)到的最大值越小，且之后的下降幅度越大。在墻深Dc為18、21、24和27 m時(shí)，地下水相對(duì)排泄量達(dá)到的最大值分別為92.3%、88.9%、84.5%和76.4%，之后分別降低了11.5%、17.7%、25.1%和29.9%，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)?？偟膩?lái)說(shuō)，截滲墻深度的增加會(huì)顯著降低含水層中地下水的流速和排泄量。

圖6 不同墻深條件下地下水相對(duì)排泄量隨時(shí)間的變化

為定量研究墻體深度的變化對(duì)地下水滲流和排泄的影響，本文在上述4組案例的基礎(chǔ)上共進(jìn)行了10組不同截滲墻深度的模擬。如圖7(a)所示，隨著墻深的增加，含水層中地下水相對(duì)平均流速顯著降低，且降低速率逐漸增大。這是由于入侵的咸水楔會(huì)占據(jù)截滲墻底部空間，與截滲墻同時(shí)壓縮地下水的排泄通道，從而導(dǎo)致上游含水層中的地下水無(wú)法及時(shí)排泄。墻深從0 m增加到18 m，相對(duì)平均流速僅降低了約19%；而當(dāng)墻深Dc>18 m時(shí)，深度每增加3 m，相對(duì)平均流速就降低約11%，在Dc=27 m時(shí)，相對(duì)平均流速已降至49%。截滲墻越深，地下水的排泄通道越窄，因此地下水相對(duì)平均流速的降低越顯著。

截滲墻條件下含水層中存在兩個(gè)地下水的高流速區(qū)(截滲墻底部和含水層排水口處)，而隨著截滲墻深度的變化，這兩個(gè)區(qū)域的流速值也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變。在墻深Dc<18 m時(shí)，同無(wú)墻條件下一樣，含水層中的最大流速值仍出現(xiàn)在含水層排水口處，但相對(duì)流速值從100%降低至76%。由于截滲墻會(huì)阻礙并改變地下水的排泄路徑，即使在墻深很小(Dc=3 m)時(shí)，相對(duì)最大流速值仍迅速降低了17%。相比之下，此時(shí)的相對(duì)平均流速值僅降低了0.3%，也就是說(shuō)，深度較小的截滲墻對(duì)含水層中地下水平均流速的影響很小，但會(huì)顯著改變局部的最大流速值。在墻深Dc≥18 m時(shí)，最大流速值出現(xiàn)的位置不再是含水層排水口處，而是轉(zhuǎn)移到截滲墻底部，且隨著墻深的增加，其數(shù)值逐漸增大并趨于穩(wěn)定。這是由于在截滲墻深度增加的過(guò)程中，由于墻體對(duì)地下水排泄的阻擋程度越來(lái)越高，含水層排水口處的流速值逐漸減?。欢捎谂判箍臻g的壓縮，通過(guò)截滲墻底部的地下水逐漸被加速，此區(qū)域也成為含水層中新的最大流速區(qū)。

地下水相對(duì)排泄量隨墻深的變化(見(jiàn)圖7(b))與相對(duì)平均流速的變化趨勢(shì)相似。墻深從0 m增加至15 m時(shí)，相對(duì)排泄量降低了11%；之后深度每增加3 m，相對(duì)排泄量依次降低8%、10%、12%和13%，在墻深Dc=27 m時(shí)，相對(duì)排泄量?jī)H為46%。這意味著只有深度較大(含水層厚度的50%以上)的截滲墻才會(huì)明顯降低地下水排泄量?？偟膩?lái)說(shuō)，在截滲墻深度較大時(shí)，地下水排泄量和平均流速對(duì)深度的變化更加敏感。

圖7 穩(wěn)態(tài)地下水相對(duì)流速(a)及相對(duì)排泄量(b)隨墻深的變化

上述研究結(jié)果可以為實(shí)際生活中海水入侵的防治和地下水資源的保護(hù)提供一定的參考。以青島大沽河水源地的截滲工程為例，該截滲墻底部位于含水層隔水底板之上，頂部直達(dá)地表[18]。在這種深度條件下，截滲墻雖然可以有效防止海水入侵含水層，但同時(shí)也會(huì)阻礙地下淡水的滲流和排泄，造成污染物積累、土壤鹽漬化等危害[17]。因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意保留墻體下方地下水的排泄空間。如圖7(b)所示，在墻體深度為21、24和27 m時(shí)，地下水相對(duì)排泄量分別為71.2%、59.4%和46.5%。也就是說(shuō)，若將截滲墻深度設(shè)計(jì)為含水層厚度的70%～90%，這樣不僅可以保持良好的海水入侵防治效果，同時(shí)減小了墻體對(duì)地下水滲流和排泄的阻擋作用，從而有利于地下水環(huán)境的保護(hù)。此外，截滲墻深度的減小還可以有效降低建設(shè)成本。

2.3 截滲墻位置對(duì)地下水滲流和排泄的影響

截滲墻建設(shè)位置的不同會(huì)導(dǎo)致墻體與海洋邊界的距離發(fā)生變化，從而改變咸水楔的形態(tài)。墻深為24 m，墻體距離海洋邊界20～80 m時(shí)的模擬結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看到，截滲墻位置越靠近海洋邊界，即二者之間距離越小，咸水楔長(zhǎng)度越短，墻體防治海水入侵的效果越好；與此同時(shí)，截滲墻右側(cè)咸水楔高度越來(lái)越大。截滲墻位置的變化同樣會(huì)影響地下水的滲流和排泄過(guò)程。隨著截滲墻與海洋邊界距離減小，墻體下游地下水的排泄空間逐漸減??；而咸水楔的高度的增加進(jìn)一步壓縮了地下水的排泄通道，因此截滲墻右側(cè)的高流速帶逐漸延長(zhǎng)。此外，截滲墻向海洋邊界移動(dòng)過(guò)程中，上游含水層中的地下水流速略微降低；同時(shí)，咸水楔內(nèi)高濃度咸水的流速也有所增大。

圖8 截滲墻距離海洋邊界80 m(a)、60 m(b)、40 m(c)和20 m(d)時(shí)的地下水滲流特征

在上述4組墻體位置條件下，地下水相對(duì)排泄量隨時(shí)間的變化如圖9所示。在截滲墻與海洋邊界距離Lc為80、60和40和20 m時(shí)，地下水相對(duì)排泄量達(dá)到的最大值分別為84.9%、84.5%、82.7%和68.3%，之后分別降低了20.3%、25.1%、28.8%和19.6%,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，所需時(shí)間分別為697.7、403.8、233.7和78.3 d。截滲墻與海洋邊界距離近時(shí)，咸水楔會(huì)更快地入侵到截滲墻下方，因此地下水相對(duì)排泄量開(kāi)始下降的時(shí)間更早，也更快地達(dá)到穩(wěn)定。

圖9 不同墻體位置條件下地下水相對(duì)排泄量隨時(shí)間的變化

圖10(a)展示了地下水平均和最大流速值隨截滲墻位置的變化。隨著墻體逐漸遠(yuǎn)離海洋邊界，地下水相對(duì)平均流速?gòu)木嚯xLc=20 m時(shí)的47.2%，幾乎線性增加到Lc=90 m時(shí)的69.8%。這是因?yàn)榻貪B墻離海洋邊界越遠(yuǎn)，墻體下游的咸水楔高度越小，這意味著地下水的排泄路徑更短，因此更有利于地下水的排泄。此外，從圖8中可以看出，墻體與海洋邊界之間是地下水流速較大的區(qū)域，因此二者之間距離遠(yuǎn)意味著這一區(qū)域的面積大，這也在一定程度上提高了地下水的平均流速。與平均流速相比，地下水最大流速值隨截滲墻位置的變化并沒(méi)有呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。但由于截滲墻深度保持在24 m，最大流速值出現(xiàn)的位置始終在截滲墻底部。

隨著截滲墻與海洋邊界距離的增加，地下水相對(duì)排泄量從Lc=20 m時(shí)的48.7%持續(xù)增大至Lc=90 m的66.8%，且增幅較為穩(wěn)定(見(jiàn)圖10(b))。截滲墻與海洋邊界的距離從20 m增加至50 m和從50 m增加至80 m的過(guò)程中，含水層中地下水相對(duì)平均流速分別增加了12%和8.3%，地下水相對(duì)排泄量增加了8.1%和7.7%。這說(shuō)明截滲墻與海洋邊界距離近時(shí)，地下水排泄量與平均流速對(duì)截滲墻位置的變化更敏感。但相比于深度變化，這種敏感性的差別并不明顯。

由以上分析可以推知，在實(shí)際截滲工程當(dāng)中，若條件允許，可以使截滲墻的建設(shè)位置盡可能靠近海岸帶。這樣雖然會(huì)導(dǎo)致截滲墻對(duì)地下水滲流和排泄的阻礙程度有所提高，但可以顯著減小墻體下游的咸水面積，同時(shí)增加墻體上游含水層的儲(chǔ)水空間(見(jiàn)圖8)，有利于地下淡水資源的儲(chǔ)存和開(kāi)發(fā)。

3 結(jié)論

本研究建立了場(chǎng)地尺度的數(shù)值模型，模擬了截滲墻建設(shè)前后及墻體結(jié)構(gòu)變化時(shí)的海水入侵過(guò)程，得到了含水層內(nèi)地下水流場(chǎng)的特征，并以地下水流速和相對(duì)排泄量為指標(biāo)探討了截滲墻對(duì)地下水滲流和排泄的影響。本研究得出的主要結(jié)論有：

(1)無(wú)墻條件下含水層內(nèi)只有一個(gè)高流速區(qū)，位于含水層的排水口處；截滲墻建設(shè)后，墻體底部出現(xiàn)了一個(gè)新的高流速區(qū)，且含水層排水口處流速值降低。

(2)由于咸水入侵含水層并停滯在截滲墻下方，地下水排泄空間被逐漸壓縮，因此地下水相對(duì)排泄量在時(shí)間上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；截滲墻越深，相對(duì)排泄量上升幅度越小、下降幅度越大；與海洋邊界距離越近，相對(duì)排泄量越早達(dá)到穩(wěn)定。

(3)地下水相對(duì)排泄量和相對(duì)平均流速隨墻體深度增加、與海洋邊界距離減小而降低；截滲墻越深，墻體底部的流速值越大，并逐漸成為含水層內(nèi)的最大流速區(qū)。

(4)截滲墻深度較大時(shí)，地下水相對(duì)排泄量和相對(duì)平均流速對(duì)深度的變化更敏感；而墻體位置變化所導(dǎo)致的影響并不顯著。

本研究是在均質(zhì)各向同性含水層的條件下進(jìn)行的，且沒(méi)有考慮潮汐和海岸帶坡度帶來(lái)的影響，未來(lái)的研究應(yīng)更注重結(jié)合實(shí)際的含水層條件。