基于砂質(zhì)海岸帶的咸淡水界面形成及運(yùn)移過程探析

關(guān)艷慶

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

1 概 述

黃海和渤海沿岸砂質(zhì)海岸主要分布在河北和山東省的北部海岸，為防止因地下水過度開采而引起的海水入侵，在山東省龍口市進(jìn)行了實(shí)地勘察，主要是從東側(cè)的黃河河口海岸到西南側(cè)的邊界河，并通過多部分比較分析確定典型的砂樣剖面，用于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究的采樣。

2 砂槽物理模型

砂槽物理模型是由1.5cm厚的透明強(qiáng)化有機(jī)玻璃制作而成，從正面便可以發(fā)現(xiàn)鹽水和淡水界面的形成和運(yùn)移過程[1]。砂槽是由槽頭，槽體和槽尾三部分組成，即為了使模型與現(xiàn)場的實(shí)際情況相似，砂槽為矩形槽，其尺寸為長600cm，寬為60 cm，高為150 cm，為了研究沿海非均質(zhì)含水層系統(tǒng)中的海水入侵現(xiàn)狀，在沙槽中從上到下填充了3種含水介質(zhì)，分別為細(xì)砂，黏土和粗砂，厚度依次為40 cm、25 cm和50 cm，并設(shè)置坡度為6°的岸坡。

砂槽的左側(cè)是一個(gè)海水室，用于模擬向海邊界，海水室和砂槽的主體由一個(gè)布滿孔的PVC板隔開，海水室的長為30cm，寬為60cm，高為150cm，位于砂槽主體內(nèi)側(cè)面鋪有工作布(300g / m2)，起到透氣和防砂的作用。砂槽右側(cè)的淡水室是用于模擬陸地邊界，淡水室和砂槽的主體也由一個(gè)布滿孔的PVC板隔開，淡水室長為30 cm，寬為60 cm，高為150 cm，并將工作布(300g / m2)中放置在砂槽的主側(cè)，以起到透水和隔離砂的作用。海水室和淡水室分別通過水泵連接到水池，水池由長為280 cm，寬為120 cm，高為60 cm的PVC板制成，并放置在地面上，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的潮汐波周期為T = 40min，波幅A = 20cm，即平均海平面為85cm，高潮海平面為105cm，低潮海平面為65cm。有兩組潛水井和壓力井設(shè)在砂槽主體上，潛水井的深度為55 cm，井底位于細(xì)砂底與黏土頂面之間的接觸面，承壓力井的深度為156cm，壓力井的底部位于粗砂的底部，潛水井和承壓力井均使用直徑為d = 80mm的PVC圓柱管，而沙層內(nèi)的PVC管則使用花管。潛水井和承壓力井在沿長度方向位于沙槽的中心軸上，距海水室400cm和500cm，為了防止細(xì)砂粒進(jìn)入抽水井，井的底部和側(cè)壁孔均被0.18mm的濾網(wǎng)包裹[2]。

為了詳細(xì)跟蹤海水楔形長度的變化以及鹽和淡水界面的遷移，在距海水室60cm，180cm，300cm，420cm和540cm處布置了采樣管，采樣管由PVC白板的長方體制成，根據(jù)不同的深度，延伸由精細(xì)過濾器包裹的PU管，以取出不同地層深度的水樣。

3 實(shí)驗(yàn)分析

砂槽海平面的潮汐周期為T = 40min，波幅A = 20cm，平均海平面為85cm，監(jiān)測時(shí)間從t=0-200min，而當(dāng)t=200min時(shí)，砂槽的地下水位基本趨于穩(wěn)定，采用6個(gè)壓力管的數(shù)據(jù)分析了地下水位波動(dòng)的特征以及地下水位波動(dòng)與潮汐波動(dòng)之間的關(guān)系。分析結(jié)果表明，砂槽的地下水位波動(dòng)與潮汐具有相同的規(guī)律，并表現(xiàn)出周期性的波動(dòng)特征，砂槽的地下水位離砂槽的左側(cè)變化得越遠(yuǎn)，地下水位的波動(dòng)就越趨緩，砂槽地下水位波動(dòng)的高潮和低潮大致對應(yīng)于海洋潮汐波動(dòng)的高潮和低潮時(shí)間，但是地下水位的高潮和低潮卻滯后于海潮的高潮和低潮[3]。

淡水位固定為95cm時(shí)，海平面處于低潮(65cm)時(shí)地下水位降深，見圖1；淡水位固定為95cm時(shí)，海平面處于低潮(85cm)時(shí)地下水位降深，見圖2；淡水位固定為95cm時(shí)，海平面處于高潮(105cm)時(shí)地下水位降深，見圖3；淡水位固定為85cm時(shí)，海平面處于低潮(65cm)時(shí)地下水位降深，見圖4；淡水位固定為85cm時(shí)，海平面處于平均海水位(85cm)時(shí)地下水位降深，見圖5；淡水位固定為85cm時(shí)，海平面處于高潮(105cm)時(shí)地下水位降深，見圖6。

圖1 淡水位固定為95cm時(shí)，海平面處于低潮(65cm)時(shí)地下水位降深

圖2 淡水位固定為95cm時(shí)，海平面處于低潮(85cm)時(shí)地下水位降深

圖3 淡水位固定為95cm時(shí)，海平面處于高潮(105cm)時(shí)地下水位降深

圖4 淡水位固定為85cm時(shí)，海平面處于低潮(65cm)時(shí)地下水位降深

圖5 淡水位固定為85cm時(shí)，海平面處于平均海水位(85cm)時(shí)地下水位降深

圖6 淡水位固定為85cm時(shí)，海平面處于高潮(105cm)時(shí)地下水位降深

由圖1-6可以看出，由于抽水井的抽水引起的地下水位的波動(dòng)，當(dāng)以Q1=1L/min和Q2=2L/min抽水時(shí)，將形成以抽水井1的軸線為中心的降落漏斗，地下水位的深度隨海平面的高度和距井軸的距離而變化很大，并且距井軸一定距離后，地下水位不會(huì)受到抽水的明顯影響，是由于抽水井的抽水造成的。降落的影響半徑也隨著海平面的高度而變化很大。

根據(jù)單井恒流量承壓井的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)抽水量Q1=1L/min和Q2=2L/min時(shí)，可以計(jì)算出抽水井1軸線處的地下水位分別是10cm和15cm。在砂槽實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)?shù)还潭ㄔ?5cm時(shí)，海平面此時(shí)處于低潮(65cm)時(shí)，以Q1=1L/min抽水，而以Q2=2L/min抽水時(shí)，地下水水位降深分別為8.5cm和15cm，當(dāng)?shù)还潭ㄔ?5cm且海平面處于低潮(65cm)時(shí)，以Q1=1L/min抽水和以Q2=2L/min抽水時(shí)，地下水水位下降分別為12cm和18cm；其原因是因?yàn)楣潭ㄋ^朝向陸地的邊界更靠近抽水井，這對砂槽含水層中的地下水位具有更大的影響[4]。

在不同的固定淡水水位和不同的海平面高度下，2種不同大小的抽水引起的地下水位下降的影響半徑也不盡相同。當(dāng)海平面高度為65cm時(shí)，以Q1=1L/min和Q2=2L/min抽水時(shí)，抽水井1軸處的地下水下降最大，為8.5cm和15cm，從而導(dǎo)致地下水位下降，其深度影響半徑為1.5m；

當(dāng)海平面高度為105cm時(shí)，以Q1=1L/min和Q2=2L/min抽水時(shí)，在抽水井1井軸處的地下水降深變得最小，為3.3cm和6.8cm，其深度影響半徑為1m。

當(dāng)海平面高度處于65cm時(shí)，以Q1=1L/min、Q2=2L/min抽水時(shí)，在抽水井1井軸處的地下水降深最大，分別為12cm、18cm,此時(shí)抽水引起地下水位降深影響半徑最大，為1.6m；當(dāng)海平面高度處于105cm時(shí)，以Q1=1L/min、Q2=2L/min抽水時(shí)，在抽水井1井軸處的地下水降深最小，分別為5.6cm、8cm，此時(shí)影響半徑僅為0.7m。

3.1 陸邊界淡水位為95cm

當(dāng)在砂槽中形成從右到左的穩(wěn)定水流時(shí)，打開電源柜以使海平面模擬潮汐波動(dòng)，并且朝向陸地邊界的淡水水位固定在95cm，使得海水入侵過程開始，當(dāng)t=480min時(shí)，Q1=1L/min用于抽水井1中進(jìn)行水，當(dāng)t=760min時(shí)，Q2=2L/min用于抽水井1抽水水。

3.2 陸邊界淡水位為80cm

實(shí)驗(yàn)中的淡水水位固定為85cm，其中在t=500min處使用Q1=1L/min在抽水井1處抽水，在t=840min處將Q2=2L/min在抽水井處抽水。

3.3 陸邊界為隔水邊界

試驗(yàn)研究了陸地邊界為隔水邊界時(shí)沙槽含水層海水入侵運(yùn)移的變化規(guī)律[5]，其中t=420min時(shí)，用Q1=1L/min在1號抽水井抽水，t=680min時(shí)，用Q2=2L/min在1號抽水井抽水。

在海水侵入的早期，咸淡水界面是相對模糊，海水楔形是線性的。海水入侵以來的楔形向內(nèi)陸遷移,界面由此變得更加清晰[6-8]。當(dāng)Q1=1L/min時(shí)，Q2=2L/min進(jìn)行抽水時(shí)，海水二次入侵達(dá)到平衡狀態(tài)，海水楔仍然為下凹拋物線型。海水入侵的過程中,無論是不是在抽水階段或在Q1和Q2抽水井1抽水階段,細(xì)砂海水楔前端和黏土頂面夾角及粗砂海水楔前端與砂槽底部的夾角均逐漸減小。由于非均質(zhì)含水層結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M,黏土滲透系數(shù)很小,可以認(rèn)為是隔水層,海水入侵的過程中,海水沒有入侵到黏土。

在實(shí)驗(yàn)期間，當(dāng)小流量Q1=1L/min時(shí)，大流量Q2=2L/min抽水井1開采地下水,海水楔將基于先前的階段平衡基礎(chǔ)上，向內(nèi)陸運(yùn)輸，直至達(dá)到新的均衡狀態(tài)，意味著在咸淡水界面淡水完全開采地下水,它會(huì)加劇海水入侵。

在沒有抽水階段,或在Q1和Q2抽水階段,海水楔長度增加隨著時(shí)間的推移而增加,在早期的每一階段，海水楔子快速增加，當(dāng)即將達(dá)到平衡時(shí)，向內(nèi)陸水楔傳送速度慢，甚至降至零。實(shí)驗(yàn)還表明，當(dāng)在未抽水階段海水入侵達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，在承壓完整井1以小流量Q1抽水時(shí)，海水會(huì)二次發(fā)生入侵，直至達(dá)到新的平衡狀態(tài)；當(dāng)海水入侵處于平衡狀態(tài)時(shí)，繼續(xù)在抽水井1以大流量Q2抽水時(shí)，海水繼續(xù)向內(nèi)陸運(yùn)移，直至形成新的平衡，此現(xiàn)象表明，在濱海地區(qū)開采地下水，會(huì)加劇海水入侵發(fā)生，并且地下水超采量越大，海水入侵越嚴(yán)重。當(dāng)向陸邊界淡水位固定在95cm時(shí)，海水楔長度最小，在未抽水階段細(xì)砂為195cm，粗砂為242cm；而當(dāng)向陸邊界淡水位固定在85cm時(shí)，在未抽水階段，海水楔長度在細(xì)砂中為242cm，在粗砂中為252cm，表明濱海地區(qū)地下水水位越低，海水入侵越嚴(yán)重。

無論是在未抽水階段，還是在以Q1或Q2抽水階段，在每個(gè)入侵階段開始時(shí)，楔形前端的平均變化率最大。每個(gè)海水入侵在實(shí)驗(yàn)階段,初始海楔長度變化率的降低率均高于即將達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的下降速度，并且在平衡狀態(tài)時(shí)，各組實(shí)驗(yàn)的海水楔長度變化率均接近于零，表明可以根據(jù)海水楔長度變化率隨時(shí)間的變化來判斷海水入侵是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。各組實(shí)驗(yàn)海水入侵在平衡狀態(tài)時(shí)的特征值，見表1。

4 結(jié) 語

從以上3組實(shí)驗(yàn)海水楔長度和面積隨時(shí)間的變化也能明顯看出，在未抽水階段中，在海水入侵過程中，海水楔面積比海水楔長度的變化要平穩(wěn)；而在快要接近平衡狀態(tài)時(shí)，海水楔長度比海水楔面積的穩(wěn)定要來的早[9]。但是從三組實(shí)驗(yàn)隨后在以Q1=1L/min或Q2=2L/min抽水階段，海水楔的長度變化比海楔的面積穩(wěn)定，當(dāng)即將達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，海水楔的面積比海楔的長度更早變得穩(wěn)定[10]。

在海水入侵未抽水與抽水階段，海水楔長度和面積形成及穩(wěn)定出現(xiàn)快慢變化的原因在于：當(dāng)在未抽水條件下海水入侵開始時(shí)，在細(xì)砂和粗砂中海水楔均呈直線型，表明咸淡水界面的變化幅度較劇烈，因此海水楔長度比海水楔面積的形成和穩(wěn)定要平穩(wěn)；而在以Q1=1L/min或Q2=2L/min抽水階段海水二次入侵過程中，在細(xì)砂和粗砂中海水楔均呈下凹的拋物線，此時(shí)海水楔前端的形成及穩(wěn)定成為了海水入侵是否最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的決定性因素[10]。