基于不同抽水模式下咸淡水动态模拟试验探析

□梁 爽

山东省龙口市自从1975年发生海水入侵，便投入大量人力物力开展研究，主要集中在黄水河流域。对于海水入侵采用的最为直接的措施为黄水河流域1989年修建的地下截渗墙，成功滞缓黄水河流域的海水入侵速率，其次则是修建水库进行储存地表水供给生活所需，最后对于用水大户南山集团进行用水制约。但是，对于西部沿海村庄的农业灌溉用水，并未进行合理控制，天气干旱情况下，大量抽取地下水灌溉，甚至抽取深层地下水进行使用。因此，目前西部沿海地区并未找到行之有效的海水防治措施，故对龙口市进行咸淡水动态模拟试验，以便进一步掌握和探索该地区海水入侵的变化规律，使得海水入侵得到更好的解决。

1.基本情况

研究区位于山东省龙口市，沿渤海的 海 岸 地 带，东 经120°13′14″～120°50′48″，北纬37°21′15″～37°47′24″，西部与北部濒临渤海，整体呈枫叶状。龙口市是暖温带半湿润季风型大陆性气候，季风进退明显，四季分明，雨热同期，降雨季节性强。据1960年到2014年的降水资料分析，龙口市多年平均降水量617mm，多年平均水面蒸发量1250mm，水面蒸发量大于降水量。同时蒸发降水基本同期，在炎热的夏季降雨量大，同时蒸发量也大；在蒸发量较小的冬季降雨量也少，大气降水很难被储存。受地形地貌影响，东南山区蒸发量相对较少，径流量相对较大。因此，西北平原干旱程度大于东南山区，推测海水入侵可能主要集中在西海岸地带。

研究区内主要分布有自东南流向北西的河流为黄水河、泳汶河、北马河、八里沙河、界河共5条河流。其中，界河地跨龙口招远两地，其余河流的源头也非龙口境内，其共同特点是均在龙口境内汇合入海。现因连年干旱，降雨量小于蒸发量，以上河流在龙口境内均已干涸。因此，研究区内目前用水的天然储备仅有地下水。

2.地质条件

研究区坐落于胶东半岛的低山丘陵的北部，大体上是东南丘陵区地势高、西北平原区地势低，中部北部为平原。总体面积上，平原与山丘丘陵相持平。研究区内地形地貌受地质构造和岩相以及古地理的控制，按其成因类型可以分为4个区：一是构造剥蚀的低山丘陵区，二是剥蚀堆积的山前台地，三是侵蚀堆积的倾斜平原区，四是堆积海滨的条带阶地。

龙口市处于鲁东断块之胶北块隆的西北部，研究区内断裂构造发育，正断层、逆掩断层以及平移断层均有发育，大多为中生代燕山运动的产物。主要断裂构造有近东西向的柳海断层、草泊断层、九里店断层、黄县大断裂以及北东向的玲珑-北沟断层；研究区内褶皱构造较多，主要的褶皱构造有北马向斜、北沟背斜、王家背斜等。北部柳海断层和草泊断层在较少资料中被提及，大部分学者认为黄县与北沟断层将研究区分为3块，一盆地两山地。

龙口市地层资料较少，且表面大都被第四纪覆盖。在平原区广泛分布第四纪砂层和黏土层；新生代以前的安山凝灰角砾岩、千枚岩、片岩、泥质灰岩、白云质灰岩等大都分布在黄县大断裂南部山区；更有太古代与元古代的变质岩在南部断块山区零星分布。由这些资料可以得知该市内的地层岩岩性并不全是沉积岩，变质岩和岩浆岩也有分布。

另外，研究区内的东南断块山区还分布有元古界玲珑期的花岗岩、中生代燕山期的花岗岩和新生代的玄武岩。

3.水文地质条件

龙口市内的地下水埋深一般约为6.2m，含水层多为孔隙潜水，偶有微承压水，富水性不均一，黄水河流域地下水较丰富。地下水的补给来源主要为大气降水和河水渗漏补给。地下水按其成因类型可分以下3部分，一为松散岩类孔隙水，为研究区内主要的地下水类型；二为碳酸盐类岩溶水，主要埋藏于灰岩、白云质灰岩等可溶岩的裂隙岩溶中；三为基岩裂隙水，分布在研究区的南部，埋藏于片岩、砂砾岩以及花岗岩的基岩裂隙中。

研究区含水层岩性以砂层、黏土层为主，其地下水类型主要为孔隙潜水，属于中等-强富水层，补给源为大气降水、地表水渗漏以及山丘基岩裂隙水补给；东南部山地广泛分布的大多是中生代早期和晚元古代的花岗岩，少部分地区分布有新生代的玄武岩，其补给源仅有大气降水。花岗片麻岩与花岗岩中潜水位以下的构造裂隙水含水层呈线状分布，其透水性能与富水性能都较弱，无较大供水意义。玄武岩中一般为透水或不含水，局部含水的蓬莱群中，结晶灰岩和泥灰岩含水有较大量的岩溶裂隙水，可作为一般供水水源为工农业供水。山区排泄主要以潜水径流形式侧向补给平原区地下水，或者以季节性泉溢出转化为地表径流。

图1 不同水头差下海水入侵程度动态变化图

表1 承压含水层海水入侵实验方案

龙口市自从1975年发生海水入侵，便投入大量研究，主要集中在黄水河流域。对于海水入侵采用的最为直接的措施为黄水河流域1989年修建的地下截渗墙，成功滞缓黄水河流域的海水入侵速率；其次则是修建水库进行储存地表水供给生活所需；最后对于用水大户南山集团进行用水制约。但是对于西部沿海村庄的农业灌溉用水并未进行合理控制，天气干旱情况下，大量抽取地下水灌溉，甚至抽取深层地下水进行使用。因此，目前西部沿海地区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动态模拟

海水入侵实验通过自主研发的模拟装置开展，由渗流槽、测压管、模拟井等。通过石英砂和黏土，构建潜水、承压水含水层。地下淡水采用自来水进行模拟，着色海水由加入0.25～1.0g/L胭脂红的氯化钠溶液配制而成。内设有完整抽水井，抽水井布设在距离咸水区30cm处，设置完整井并使用PU管与恒流泵的硅胶管连接。

在潜水含层海水入侵实验中，通过调节海水区和淡水区溢流管高度，开展不同水头差（2cm、3cm、4cm、5cm）条件下海水入侵实验，实验结果如图1所示。实验结果表明，咸淡水水头差越大，入侵程度越小，稳定时间越快。海水入侵长度随时间呈平稳上升趋势至稳定，而入侵高度上升过程中有波折现象，分析原因可能是随入侵范围的变大导致咸水带淡水排泄口排泄量变化，改变了靠近排泄口水体密度。

在1.5cm与4cm水头差条件下，开展不同抽水情形下（抽水量为20ml/min、50ml/min、75ml/min、100ml/min）的海水入侵实验，当水头差设置为1.5cm时，抽水井位于入侵界面之内，抽水强度对入侵距离回退有一个阈值。当超过阈值时，咸水入侵长度发生后退但入侵高度会上升，并且随抽水强度增加入侵高度不断上升，直至达到海平面高度。当水头差设置为4cm时，抽水井位于界面之外，海水入侵程度随着抽水强度的增加而加剧。

承压含水层海水入侵实验方案见表1，通过同时改变实验水头差和海水密度，探讨水力梯度和海水密度变化耦合作用对海水入侵的影响，然后通过多相多组分非等温流动过程模拟软件TOUGH2的EOS7模块模拟上述实验过程，模拟结果与实验结果拟合较好。

5.结语

该区发生海水入侵的主要原因有两方面，一方面是潮汐作用下的海水沿河道上溯，并向四周补给低水位地下水所产生的入侵，另一方面是由于地下水的大量开采形成降落漏斗，降落漏斗中心水位远低于海平面产生指向内陆的水力坡降，海水沿水力坡降方向入侵，通过多相多组分非等温流动过程模拟软件TOUGH2的EOS7模块模拟不同抽水模式下咸淡水动态试验过程，其模拟结果与实验结果拟合较好。□