截渗墙设计对水库海岸带预防海水入侵的影响

马轩 季智灵 孔俊

摘 要：為探究海岸水库处于低水位时，不同深度与位置工况的截渗墙对滨海潜水层海水入侵的防治效果，在物模实验验证的基础上采用SUTRA模型建立了具有代表性的二维海岸模型，对有、无截渗墙、截渗墙底部到潜水层底部距离分别为14，12，10 m和截渗墙到海洋边界分别为70，65，60 m工况下的潜水层中水盐分布、水流运动特征、物质输移规律和地下水入侵动力情况进行模拟。结果表明：1）截渗墙能够显著减少海水入侵距离，且对于有海岸水库的滨海潜水层的海水入侵防治效果更加明显，减少幅度为19.5%；2）截渗墙越深入潜水层或越靠近海洋边界，对海水入侵的防治效果和潜水层淡水储量的增加效果越明显，内陆物质输移越慢，海侧物质输移越快；3）截渗墙能有效阻止潮汐的波动向内陆的传播，且截渗墙越靠近海洋、越深入潜水层，效果越明显。研究进一步明确了海岸水库地区截渗墙作用下海水入侵的特征与规律，其成果可为优化截渗墙空间设计提供模型参考和理论指导，并为海岸水库建设和科学管理提供科学依据。

关键词：河口、海岸学；海岸水库；截渗墙；海水入侵；盐水楔；物质输运

中图分类号：P731.2

文献标识码：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2023yx02001

Influence of cutoff wall design on prevention of seawater intrusion of reservoir coastal zone

MA Xuan， JI Zhiling， KONG Jun

（College of Harbour， Coastal and Offshore Engineering， Hohai University， Nanjing， Jiangsu 210098， China）

Abstract： In order to explore the prevention and control effect of cutoff walls with different depths and location conditions on seawater intrusion in the coastal diving layer when coastal reservoir is at low water level， a representative two-dimensional coastal model was established by SUTRA model on the basis of model experiment verification. The water and salt distribution， water flow movement characteristics， material transport rules and groundwater intrusion dynamics in the diving layer were simulated under the following conditions： whether there was the cutoff wall， the distance from the bottom of the cutoff wall to the bottom of the diving layer was 14， 12 and 10 m， and the distance from the bottom of the cutoff wall to the ocean boundary was 70， 65 and 60 m.The results show that： 1） The cutoff wall can significantly reduce the seawater intrusion distance， and the prevention effect of coastal diving layer with coastal reservoirs is more obvious， with a reduction of 19.5%; 2） The deeper the cutoff wall is in the diving layer or the closer it is to the marine boundary， the more obvious the prevention effect of seawater intrusion and the increase effect of fresh water reserves in the diving layer are; The slower the inland material transport is， the faster the marine material transport is; 3） The cutoff wall can effectively prevent the tidal wave from spreading inland， and the closer the cutoff wall is to the ocean， the deeper to the diving layer， the more obvious the effect is. This study further clarifies the characteristics and laws of seawater intrusion under the action of the cutoff wall in the coastal reservoir area， and the results can provide model reference and theoretical guidance for optimizing the spatial design of the cutoff wall， and provide a scientific basis for the construction and scientific management of coastal reservoir.

Keywords：estuarine and coastal science；coastal reservoir；cutoff wall；seawater intrusion；salt wedge；material transport

近年来，在滨海地区，经济的快速发展加剧了水资源的短缺，而滨海地区的海水入侵问题常年广泛存在。海水入侵会导致土壤盐渍化、地下水水质恶化等问题，加剧了滨海地区的环境压力，成为制约滨海地区生产生活和经济发展的重要因素^［1-2］，也对水资源的开发利用提出了更高的要求，防治海水入侵日趋成为研究热点。常见的防治工程有淡水帷幕和地下坝^［3］，此外，在滨海地区大量兴建海岸水库，利用堤坝抵挡咸水入侵，并在恰当的时间段蓄积淡水，提供大量优质淡水资源^［4］，改变滨海潜水层的水文环境，对滨海地区潜水层的海水入侵有着重大影响^［5］。因此，研究海岸水库工程和截渗墙对滨海潜水层海水入侵的影响规律，对掌握滨海地区的海水入侵状况及制定防治对策具有重大意义。

对海水入侵的大量研究主要聚焦于咸淡水界面形状、运移机理和规律，研究所用数学模型主要为突变界面模型^［6-8］和过渡带模型等概化模型^［9-11］。GLOVER^［12］基于突变界面理论在咸淡水界面位置方程的基础上提出了Glover解，该方程内陆边界设置为恒定流量，很好地描述了淡水通过排泄通道排入到海水的过程。文献［13］提到，Herry以承压潜水层为稳态条件，求解了潜水层的水流运动特征以及对应位置的浓度分布特征。PINDER等^［14］在Herry研究的基础上，提出了基于数值模型的过渡带模型，进行了数值求解。HUYAKORN等^［15］建立了三维有限元数值模型，研究了水流运动特征和溶质运移。VOSS等^［16］基于饱和、非饱和潜水层的地下水流运动特征和溶质运移特征，利用过渡带模型建立了SUTRA

（saturated-unsaturated transport）

模型来进行对海水入侵的数值模拟研究。ROBINSON等^［17］在过渡带模型中详细阐述了潮汐波动效应下潜水层的水盐变化。在海岸水库和截渗墙对潜水层海水入侵方面，MO等^［18］分析了海岸水库底部深水池对潜水层的盐分分布和海水入侵距离的影响，得出海岸水库深水池加剧了海水入侵程度。MEHDIZADEH等

^［19］研究了坝后蓄积的淡水对盐水楔的形状和推移距离的影响。ANWAR^［20］考虑了截渗墙对潜水层盐水楔的作用，提出了盐水楔位置方程。LUYUN等^［21］在其研究中对该解析解进行了科学验证，指出截渗墙越靠近海岸和潜水层底部，其对海水入侵程度的减弱作用越小。

潮汐是滨海潜水层水流运动波动和溶质运移的主要动力，会加快海水与淡水的循环混合作用^［22］。目前有关海岸水库和截渗墙对潜水层海水入侵综合作用的研究很少，并且很多学者在研究中往往忽略潮汐动力边界。突变界面模型是基于潜水层水动力静态平衡提出的，而咸淡水的混合程度随时间不断发生变化，处于动态平衡过程，当过渡带较宽时，过渡带模型更能有效地解决动态平衡问题，保证模拟结果的精度。因此，本文采用过渡带模型SUTRA进行模拟，建立具有代表性的二维海岸剖面模型，结合潮汐动力边界，设计不同的截渗墙深度和位置，对建有海岸水库的滨海地区潜水层发生海水入侵后的水盐运移进行数值模拟研究，以期为海岸水库和截渗墙作用下潜水层的海水入侵防治和地下截渗墙的合理设置方式提供理论依据。

1 地下水数值模型

1.1 控制方程

由美国地质调查局（USGS）开发出来的饱和带/非饱和带运移（SUTRA）模型采用有限元和有限差分混合算法，在加权剩余方法体系中模拟地下水饱和及非饱和流动、能量或溶质在含水层多孔介质中的运移2个过程，来解决地下环境中水流溶质和盐度的饱和及不饱和运输问题。当对研究区域进行适当的时空离散化后，这种方法的结果非常准确。标准有限元逼近只适用于描述流体质量、溶质质量和能量的平衡方程条件，而其他所有非通量条件都使用积分有限差分方法的有限元网格形式近似表示。SUTRA模型既保留了有限元方法的数学精确性和几何灵活性，还具有有限差分方法的有效性。它既可以解决自由表面水体的运动问题，也可以对特定浓度海水的入侵进行模拟，还可以对复杂边界下的溶质传输问题进行模拟，例如在海水边界加入潮汐信号。对于海水入侵问题，一般采用地下水流动方程和地下水溶质传输方程^［16］。SUTRA模型的二维有限元地下水流动控制方程如式（1）所示，溶质运移方程如式（2）所示。

式中：ρ为流体密度；φ为孔隙度；Sw为饱和度；t为时间；q→为达西流量；ρs为源流体密度；K（ψ）为渗透系数；ψ为土壤负水头；P为孔隙水压力；g為重力加速度；z为水位高度。

溶质运移方程又表示为式（3）：

式中：C为流体盐度；D为水动力弥散常量；C^*为源流体盐度；Q为源流量。

根据van GENUCHTEN^［23］提出的经验公式，非饱和土壤的水力参数由式（4）—式（6）确定。

式中：α和n为形状系数；Ks为饱和系数；Swres为孔隙水残余饱和度。

1.2 物理模型构建及验证

1.2.1 实验室小尺度物理模型

为验证SUTRA模型的准确性，建立了小尺度基本物理模型，如图1所示。参考KUAN等^［24］制作的实验装置如图2所示，其中砂槽由3个部分组成，中间填有2 cm厚、0.70 m高的石英砂，左边是模拟坡度为1∶3的滩面，长度为1.35 m的滨海潜水层，右边模拟的是长度为2.65 m的内陆潜水层。砂槽的右侧为水位控制箱，控制内陆水位为0.59 m。砂槽左侧是潮波生成器，下面连接盐水蓄水箱，无潮汐情况下，盐水从下面的蓄水箱中通过泵输送到潮波生成器中，并通过溢流平台排出；有潮汐情况下通过自动调节水位的溢流平台来生成预设的波动水位。本次实验模拟采用正弦信号波动水位，如式（7）所示。盐水浓度设定为3.5%（质量分数，下同），密度为1 025 kg/m³。为了将海水入侵过程直观化、可视化，将34 g的NaCl和1 g红色食用色素溶于1 L淡水中来制备盐水蓄水箱的盐水，淡水密度为1 000 kg/m³，淡水盐度为0。本次实验主要模拟有潮汐情况，右侧为波动水位，振幅为0.038 m，周期为62 s。

式中：h（t）为t时刻的压力水头，即潮汐水位；A为振幅； MSL为平均水面；T为波动周期；t为经过时间。

1.2.2 边界条件及模型参数

为了进一步分析滨海潜水层的盐度分布特征和水流运动规律，进行了基于实验小尺度的数值模拟，运用SUTRA数值模型来模拟有潮汐情况下潜水层的盐水入侵。

模型的边界条件如图3所示，本模型底部边界为不透水边界，没有水流和溶质交换；泥沙区水平顶部设为无水流和溶质交换边界；右侧为地下水流边界，地下水位为0.59 m，设其流动为均匀流动，溶质浓度为0；AB，AC和CD段为海岸边界，其溶液浓度设为3.5%，其压力水头随时间的变化规律由式（7）表示。

在前处理软件Argus One中选取二维常规网格格式进行网格划分，并在运行之前进行多次调试，设置合适的时长与步数，使其在正式的模拟中可以很快地实现收敛，并获得足够的数据用于后处理。模型网格划分遵循式（8）^［16］。

式中：Pem为佩克莱数；ΔLL为沿着流线方向的网格单元长度；αL为纵向弥散度。

潜水层被划分为800×80的64 000个网格，对应节点数64 881个。此模型为二维模型，并忽略了海岸带横向盐分交换过程，假定多孔介质呈现各向同性，依照van GENUCHTEN方程［23］对相关参数进行设定。同时，在前处理软件Argus One中对各相关参数进行校正，最后选取的参数如表1所示。另外，为了进行网格无关性验证，将网格进行加密处理，除了采用800×80的网格，还分别划分出1 600×160和1 200×120的网格进行计算验证。

1.2.3 验证

小尺度数学模型模拟结果如图4所示，物理模型实验结果如图5所示。可以看出，数值模拟的结果和实验结果基本吻合，盐水入侵距离的数值模拟结果为2.07 m，实验结果为2.05 m，仅相差了2 cm，盐水楔的形态和上部混合区的形态也基本一致。另外采取的2种加密网格计算出来的海水入侵距离分别为2.065 m和2.068 m，误差在1%以内，验证了网格的敏感性，符合网格无关性要求。数值模拟和物理模型对比结果表明SUTRA数值模拟的结果是可靠的，可对海岸水库作用下滨海潜水层的海水入侵进行研究，包括对其盐度分布和水流特征进行定量和定性的分析。

1.3 大尺度概念模型

为研究截渗墙对海水入侵造成的影响，本文构建了一个概化的海滩剖面进行研究。如图6所示，在低潮位处设立坝体，坝后蓄淡水，形成海岸水库。建立模型时将平均海平面与海岸的交点设为O（150，20），在F（155，19）处设置坝体，坝高4 m，坝厚1 m，AB=30 m，BE=200 m，AC=100 m，DE=10 m。潮汐振幅A=1 m，周期T=12 h。GH为设置的截渗墙，截渗墙的宽度为1 m，其与海边界的距离为XL，与潜水层底部边界的距离为ZL，截渗墙整体设置为低渗透区，渗透系数为0.5 m/d，是潜水层土壤渗透率的1/20，库区水位取海水入侵严重时的低水位情况，为0.5 m。

1.3.1 网格及参数设置

在SUTRA模型中将计算模型剖分为了24 000个单元，24 461个节点，生成四边形网格，网格最小尺度为0.5 m，在模型中假定为各向同性介质，计算所采用的具体参数参照了XIN等^［25］在模拟中使用的参数，见表2。

1.3.2 边界条件设置

如图6所示，潜水层水平顶部AC段设为无水流和溶质交换边界，溶质浓度为0。模型左侧边界为内陆边界，设为定流量边界，无潮汐状态下，给定内陆水头为21 m时，达到稳态对应的单宽内陆边界流量为557 kg/d，将该值设为流量边界流量值。右侧边界为海洋边界，底部边界BE设为不透水边界，无水流和溶质交换，模型滩面位置的表面边界考虑3种工况：

1）无水库、有截渗墙和无截渗墙。CDE段设为潮汐动力边界，压力水头随时间变化规律如式（9）所示，鹽水浓度为3.5%。

式中：YMSL为平均海水位20 m；AT为潮汐振幅1 m；T为潮汐周期12 h；t为当前时刻值。

2）有水库、有截渗墙和无截渗墙。坝体为不透水边界，无水流和溶质交换，FDE为潮汐动力边界，潮汐水位如式（9）设置，盐水浓度为3.5%；水库水位以下FG段为水库水位边界，设置为静水压强，其变化规律如式（10）所示，水库水位以上CG段边界条件在模型中进行动态调整。当上一时步对应的节点为饱和节点，则此节点设置为渗透面，压强为0；当上一时步对应的节点为不饱和节点，则此节点设置为无水流边界。CF段考虑库区水位为0.5 m，库区溶质浓度边界设置为入流浓度为0，出流浓度梯度为0。

Pr=ρg（hr+19-y） ，（10）

式中：Pr为库区边界静水压强；hr为库区水深。

3）有水库、有截渗墙。设置3种截渗墙深度（ZL=14，12，10 m）和3种截渗墙位置（XL=70，65，60 m），其他同工况2）。

通过SUTRA运行计算模型，得出每个节点的盐度值、流速，绘制盐度流场图，计算整个模型区域的盐量，结合滨海潜水层的水流流场、海水入侵距离、单宽盐量、单宽淡水储量、盐分质心位置、粒子运移时间与粒子运移轨迹等参数，分析计算结果，总结规律。以此分析截渗墙及其不同深度、位置的设计对有海岸水库的滨海潜水层防治海水入侵的效果进一步探究截渗墙对地下水入侵的动力影响机制。

2 结果与分析

2.1 截渗墙对潜水层水盐运移的影响

2.1.1 无海岸水库工况下的影响

首先对比有、无截渗墙时滨海地区潜水层的咸淡水分布情况，以无潮稳定状态作为初始状态，模拟出有潮汐作用下地下含水层的时均稳态盐度分布。模型中内陆水位边界为21 m，以周期平均的方法绘制一个周期内含水层的盐度分布，并采用拉格朗日质点法研究含水层物质输移特征，在滩面和内陆边界分别释放一定数量的粒子，绘制其运动轨迹，结果如图7所示，白线上的数字表示粒子从释放点到排出点的历时。图中红色代表海水，黑线代表50%海水盐度等值线（17.5）。将咸淡水界面（50%海水盐度等值线，即17.5）与底部边界的交点称为海水入侵点，其与海向边界的水平距离称为海水入侵距离。

对比图7中的a）和b）可以看出，修建截渗墙后盐水楔产生了部分后退，其中海水入侵距离从52.5 m减少到50.5 m，减少了2 m，减少幅度为3.8%，单宽盐量从5.025×104 kg/m减少到4.980×104 kg/m，减小了450 kg/m，减少幅度为9.0‰。这是因为截渗墙挡住了潜水层上部水流，淡水排泄通道在截渗墙的作用下变窄，增加了向海侧的水力梯度，逼退盐水楔，从而减少了海水入侵。观察水流特征，可以看出内陆释放的粒子先沿水平方向运动，经过截渗墙时在截渗墙的挡流作用下，粒子向下运动，再沿着咸淡水界面上升至滩面排出潜水层。因为形成了较窄的淡水排泄通道，此处流速加快，使得内陆粒子的运移时间变少。如从模型内坐标为（75，10）释放的粒子在修建截渗墙后，运移时间从635.4 d减少到604.9 d，减少了30.5 d，减少幅度为4.8%。而海侧粒子在盐水楔中先沿着潜水层向下运动，到达咸淡水界面后沿着过渡带上升至滩面排出，由于截渗墙对盐水楔的逼退作用，减少了海侧粒子的运移路径，因此海侧粒子的运移时间也相应减少了。如从（190，12）释放的粒子在截渗墙的作用下运移时间减少了314.6 d，减少幅度为8.7%。

2.1.2 有海岸水库工况下的影响

为了研究截渗墙对海岸水库作用下滨海潜水层水盐运移的影响，在有潮建库稳定工况的基础上修建截渗墙。其中，截渗墙的宽度为1 m，其与海边界的距离XL为60 m，与潜水层底部边界的距离ZL为10 m，库区水位为0.5 m，内陆边界為定流量557 kg/d。将有潮建库稳定状态作为初始状态，模型模拟出的盐度分布和粒子路径如图8所示，其中a）和b）分别为无截渗墙和有截渗墙的工况。

对比图8中的a）和b）可以看出，在截渗墙的作用下，盐水楔的形态发生了很大改变。盐水楔上边缘不变，下边缘（即楔脚处）后退，反映了海水入侵距离、单宽盐量的减少。模型中增设截渗墙后，海水入侵距离减少了16 m，减少幅度为19.5%，单宽盐量减少了5.181×10³kg/m，减少幅度为8.0%；可以看出，截渗墙对海水入侵的距离影响较大，对潜水层整体盐量的影响相对较小。其原因是截渗墙的截渗作用使得潜水层下部的水流向下运动，逼退盐水楔下部，而靠近过渡带的上方内陆淡水水平流由于截渗墙的存在而减弱，上部淡水对盐水楔上部的逼退作用减弱，所以在海水密度流的推动下，盐水楔上部向内陆移动。下方退咸，上方进咸，双重作用下，模型的整体盐量虽然在减少，但幅度较海水入侵距离的变化幅度更小。通过计算模型得出，在截渗墙的作用下，单宽淡水储量从4 038 m³/m增加到4 246 m³/m，增加幅度为5.1%；可以看出，截渗墙可增加海岸水库滨海潜水层的淡水储量，可用来缓解甚至解决该区域淡水资源短缺的问题，为滨海地区的工农业用水及人类生活用水提供了解决方案。

进一步观察图8所示的水流特征可以看出，截渗墙阻碍了内陆水流运动。较无截渗墙情况，内陆粒子的运移路径延长，导致运移时间增加。例如：添加截渗墙前后，从模型内坐标为（75，10）处释放的粒子的运移时间从495.1 d增加到560.8 d，增加了65.7 d，增加幅度为13.3%；海侧粒子在盐水楔中先沿着潜水层向下运动，到达咸淡水界面后沿着过渡带上升至滩面排出，由于截渗墙对盐水楔的逼退作用，海侧粒子的运移路径减少，粒子的运移时间也相应减少。例如：添加截渗墙前后，从模型内坐标为（190，12）处释放的粒子的运移时间从675.7 d减少到575.1 d，减少了100.6 d，减少幅度为14.9%。说明截渗墙减慢了海岸水库作用下的滨海潜水层的内陆物质输移，加快了海侧物质输移，且这一效果比没有海岸水库存在时更加明显。

2.2 截渗墙不同设计参数对海岸水库作用下潜水层水盐运移的影响

2.2.1 截渗墙深度的影响

保持截渗墙距海边界距离XL为60 m不变，改变截渗墙底部到潜水层底部的距离ZL，分别设定为14，12，10 m，海岸水库的库区水位为0.5 m。将有潮建库稳定状态作为初始状态，模拟出3种不同深度截渗墙作用下潜水层内的盐度分布和粒子路径，如图9所示。计算出3种不同截渗墙深度下的海水入侵距离、单宽盐量、单宽淡水储量以及质心位置，如表3所示。

从表3中海水入侵距离和单宽盐量这2个衡量海水入侵程度的指标可以看出，随着截渗墙不断深入潜水层，其在海岸水库作用下的滨海潜水层中对海水入侵的防治效果愈加明显。分析盐分在x，z方向上质心的变化容易得出，随着截渗墙不断深入潜水层，盐水楔质心在水平方向上向海侧移动，在垂直方向向上移动。从截渗墙深度对海岸水库作用下滨海潜水层单宽淡水储量的影响方面可以看出，随着截渗墙的不断深入，潜水层的淡水储量逐渐增加，且越深入，淡水储量的增加幅度越明显。进一步观察图9中的水流特征可以看出，随着截渗墙不断深入潜水层，内陆释放的粒子向下的运动路径增加，使得运移时间增加。如从（75，10）释放粒子由ZL=14 m到ZL=10 m的运移时间增加了46.7 d，增加幅度为9.0%；在海侧，截渗墙的设置对盐水楔存在逼退作用，且截渗墙越靠近潜水层底部，逼退效果越明显；截渗墙的存在减少了海侧粒子的运移路径，使得运移时间减少。如从（190，12）释放的粒子由ZL=14 m到ZL=10 m，运移时间从1 574.7 d减少到1 360.1 d，减少幅度为15.3%。即截渗墙设置越深，阻碍水流运动作用越强，内陆物质输移越慢，海侧物质输移越快。

2.2.2 截渗墙位置的影响

保持截渗墙距潜水层底部的距离ZL为10 m不变，改变截渗墙底部到海洋边界的距离XL，分别设定为70，65，60 m，库区水位取0.5 m。将有潮建库稳定状态作为初始状态，计算出修建截渗墙后潜水层的盐度分布和粒子路径，如图10所示。同时计算出3种工况下的海水入侵距离、单宽盐量、单宽淡水储量以及质心位置，如表4所示。

由表4可知，随着截渗墙不断向海侧移动，其在海岸水库作用下的滨海潜水层中防治海水入侵的效果愈加明显。综合图10和表4可以看出，随着截渗墙不断向海侧移动，盐水楔形状发生改变，盐水楔质心的位置在水平方向上向海侧移动，在垂直方向上向上移动，截渗墙的位置对盐水楔的质心在x轴上移动距离影响更大。分析截渗墙的位置对海岸水库作用下滨海潜水层的单宽淡水储量的影响容易得出，随着截渗墙不断向海侧移动，相应的潜水层淡水储量增加，且截渗墙越靠近海侧，其对淡水储量的增加效果越明显。

观察图10所示水流特征，截渗墙位置的不断向海侧移动，让内陆释放的粒子向下运动路径增加，粒子运移时间增加，如从（75，10）释放粒子的运移时间由XL=70 m时的506.0 d，增加到XL=60 m时的563.4 d，增加幅度为11.3%。而在海侧，截渗墙的设置对盐水楔起逼退作用，且截渗墙越靠近海洋边界，逼退效果越明显，减少了海侧粒子的运移路径和运移时间。即截渗墙越靠近海洋边界，内陆物质输移越慢，海侧物质输移越快。

2.3 截渗墙设计对潜水层地下水入侵的动力影响

2.3.1 截渗墙深度的动力影响

前面主要讨论了有潮汐条件下设立截渗墙并达到稳态时，周期平均情况下滨海潜水层的水盐特性。为了更好地研究截渗墙作用下潜水层的水流运动机理，在有潮汐作用、海水入侵达到稳态的基础上继续分析周期过程中地下水位的变化过程，以明确不同截渗墙设计参数对潜水层中地下水波动特性的影响。

保持截渗墙距海边界的距离XL为60 m不变，改变截渗墙底部到潜水层底部的距离ZL，分别设定为14，12，10 m，水库水位取0.5 m。选取2处位置，分别是截渗墙靠海一侧距离海岸边界55 m，截渗墙靠内陆一侧距离海岸边界75 m。计算稳定后一个周期（12 h）内2个位置的水位变化，来研究不同截渗墙深度下2处位置对应的地下水动力特性。不同截渗墙深度下2处位置的地下水位随时间变化情况如图11所示。

图11 a）给出了截渗墙靠海一侧距海岸边界55 m处的水位變化特征，可以看出截渗墙靠海一侧的地下水位随着截渗墙深度的减小而有所抬高，水位波动有所减小。当截渗墙底部到潜水层底部的距离ZL从10 m增加到14 m，地下平均水位从19.87 m增加到19.88 m，增加了0.01 m，增加幅度为0.5‰，同时水位的波动振幅从0.091 m降低到0.084 m，减少了0.007 m，减小幅度为7.7％。图11 b）给出了在截渗墙靠内陆一侧距海岸边界75 m处的水位变化特征，可以看出随着截渗墙深度的减小，地下水位在降低，水位波动振幅在增加。截渗墙的深度降低了4 m，地下平均水位从20.32 m降低到20.25 m，降低了0.07 m，减小幅度为3.4‰，振幅从0.011 m变为0.013 m，增加了0.002 m，增加幅度为18.2％。这反映了截渗墙能够阻碍潮汐向内陆传播，随着截渗墙深度的减小，潮汐在地下水中引发的波动效应变得明显。

2.3.2 截渗墙位置的动力影响

保持截渗墙底部到潜水层底部的距离ZL为10 m不变，改变截渗墙距海边界的距离XL，分别设定为60，65，70 m，水库水位取0.5 m，选取2处位置，分别是截渗墙靠海一侧距离海岸边界55 m，截渗墙靠内陆一侧距离海岸边界75 m。计算稳定后一个周期（12 h）内2处位置的水位变化。不同截渗墙位置下2处位置的地下水位随时间变化情况如图12所示。

截渗墙靠海一侧距海岸边界55 m处的地下水位，随着截渗墙远离海洋逐渐抬高，水位波动振幅有所降低。如截渗墙向内陆移动了10 m，地下平均水位从19.87 m增加到19.89 m，增加了0.02 m，增加幅度为1‰，同时水位波动振幅从0.091 m降低到0.075 m，降低了0.016 m，减少幅度为17.6％。截渗墙靠内陆一侧距海岸边界75 m处的地下水位随着截渗墙远离海洋逐渐降低，水位波动振幅有所降低。截渗墙位置向内陆移动了10 m，地下平均水位从20.32 m降低到20.30 m，降低了0.02 m，减少幅度为1.0‰，振幅从0.011 m到0.009 m，降低了0.002 m，减少幅度为18.2％，这反映了截渗墙能够阻碍潮汐向内陆传播，随着截渗墙距海岸边界距离的减小，潮汐在地下水中引发的波动效应变得明显。另外从图7可以看出，在截渗墙距离海岸边界为65 m和70 m时，2个计算点水位较接近，这是因为截渗墙设立在65 m和70 m处时，其对潮汐波动效应的阻碍作用较低，此时潜水层的地下水位主要受潮汐控制。

3 结 语

本文采用SUTRA模型针对滨海水库区域，构建了带有截渗墙滨海潜水层的数值模型，研究了截渗墙的深度及其位置对海岸水库作用下的滨海潜水层的水盐分布和水流运动特征的影响，结论如下。

1）截渗墙能挡住潜水层上部水流，使得淡水排泄通道变窄，并增加向海侧的水力梯度，逼退盐水楔，从而减小海水入侵的距离；在具有海岸水库的滨海潜水层中修建截渗墙，能够显著减少潜水层中的海水入侵程度，增加淡水储量，减慢内陆物质向海侧输移速度，加快海侧物质向内陆输移速度。

2）截渗墙的深度和位置设计参数显著影响建有海岸水库的滨海潜水层中的海水入侵程度，截渗墙越深入潜水层或越靠近海洋边界，内陆物质输移越慢，海侧物质输移越快，对海水入侵的防治效果和增加潜水层中淡水储量的效果越明显。

3）截渗墙阻止潮汐波动向内陆传播的效果明显，且截渗墙位置越靠近海洋、深度越深入潜水层，效果越明显。为更好地防治海水入侵，工程应用中可根据实际综合水文地质情况将截渗墙设置得尽量靠近海洋边界和深入潜水层。截渗墙建设也将随着新材料和新结构（例如基于废渣粉末的再生水泥基材料［26］和钢-混凝土波形钢腹板组合梁［27］ 等）的不断发展而降低成本成为防治海水入侵经济有效的方式。

本文使用的研究模型未考虑降雨、蒸发、河流补给等源汇项的作用，且潮汐边界为单一组分潮汐，在实际滨海地区，潮汐多为复合潮汐与多组分潮汐；此外，本文采用的大尺度模型缺少实测数据的验证，在后续研究中需要进一步对模型进行调整与完善，结合实际工程进行深化研究。

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