青岛李哥庄地下咸水体恢复方案的数值优化

张淑慧，郑西来，2，刘玉红

(1.中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛266100;2.中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室)

青岛李哥庄地下咸水体恢复方案的数值优化

张淑慧1，郑西来1，2，刘玉红1

(1.中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛266100;2.中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室)

海水入侵导致地下水变咸对青岛李哥庄地区经济发展产生了不利影响，急需开展治理该地区咸水体的工作。根据研究区已有的降雨、蒸发及水文地质等资料，结合现场调查和监测，利用地下水模拟软件Visual－MODFLOW中的SEAWAT模块建立了该地区的数值模型，并利用实测资料识别和验证了该模型参数，表明所建模型能反映李哥庄地区的实际水文地质条件。为了模拟研究区地下咸水体的恢复治理情况，提出了连续抽水、间歇式抽水和抽注水结合三种咸水恢复方案，并利用该模型对三种恢复方案进行了模拟优化。结果表明，抽取地下咸水只是咸水恢复的一个因素，周边淡水的驱替作用则是咸水恢复另一个的因素，抽注水结合恢复方案为三种方案中最优的方案。

咸水恢复;SEAWAT;数值模拟;恢复方案

大沽河下游地区隶属胶州市，是青岛、胶州的主要水源地。由于大规模的地下水开采和连年干旱，导致地下水位下降，从而引发了海水入侵［1］。海水入侵引起李哥庄地区的水质咸化，对当地经济和人民的生活水平造成不利影响。1998年麻湾庄截渗墙的修建，切断了地下水库内侧和外侧咸水体之间的联系，有效阻止了海水入侵，同时也使治理该地区的地下咸水体成了可能［2］。

目前，对于地下咸水体治理与恢复方法的研究，国内大多停留在数学模拟或通过小型工程控制咸水体扩大和咸水入侵方面。李白玲(1992)等对截渗墙控制条件下均质含水层中的咸水体进行单井注水恢复的数学模拟，采用的注水量为1.4 m3/s，系统运行4个月，结果使地下咸水退回到截渗墙附近［3］;刘青勇(1996)，高学平(2006)，刘丽波(2007)等对水帷幕防治海水入侵的数值模拟方法进行研究，得出该技术防治海水人侵是一个十分有效的方法，为治理海水入侵提供了科学依据［4－6］。韩志勇、郑西来等(2003、2004)通过数值模拟进行了井群抽注水恢复地下咸水的模拟研究［7－8］。韩志勇(2008)应用地下水模拟软件(Visual－MODFLOW)对地下咸水恢复方案进行了数值分析［9］。在国外，对于咸水体的恢复和治理，主要有抽水法、注水法和抽注联合法三种，如美国的Coe(1972)在奥克斯纳德河谷建立的抽水系统，抽水系统运行7个月后成功阻止了咸水入侵［10］。另外，美国加利福尼亚帕罗阿尔托地区建立的抽水－注水帷幕也是一个成功范例。它首先在咸水体下游建立注水帷幕截断咸水来源，通过抽水抽除咸水体，然后注入处理过的废水［11］。

基于地下水模拟软件Visual－MODFLOW中的SEAWAT模块建立了能反映青岛李哥庄地区实际情况的数值模型，提出了连续抽水，间歇式抽水，抽注水结合这三种恢复该地区咸水体的方案，利用所建立的模型对这三种方案模拟分析，为以后的实际工程提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理

研究区位于大沽河下游的李哥庄镇。大沽河流域具有较明显的海洋性气候特点，多年平均气温12℃左右，多年平均降雨量660.0 mm，6－9月份的降雨量占全年的70%。该区多年平均蒸发强度为964.69 mm，是平均降雨强度的1.46倍。蒸发主要集中于4－9月，占总蒸发强度的48%。该研究区位于大沽河流域下游，截渗墙以北的地区，地形标高一般2～9 m。

1.2 水文地质概况

研究区地质属第四系冲积—冲洪积层，为双层结构，上部以砂质粘土和粘土为主，一般为2～5m，土层之下为不同粒径的砂及砂砾石，为非均质各项同性储水介质，厚度一般5～10 m，透水性和富水性强。地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水，水力性质基本上属于潜水，但在丰水期高水位时具有微承压性。根据上部土层和下部含水层不同颗粒成分的岩性组合，大致可分为八个分布区，如图1所示。

图1 岩性分区示意图

测定各个分区的水文地质参数如表1所示。

根据已有监测资料，研究区东南端受入侵海水影响地下水水化学类型变为Cl－Na型，矿化度为2～5g/L，研究区西北部仍为 HCO3－Cl型水，矿化度为 0.5～1.0 g/L。截渗墙修建后的几年中，咸水体的分布范围没有发生大的改变，咸水体的一直维持李哥庄镇东南这一区域，总面积约为15.2 km2。

在研究区内大气降水和河流入渗是研究区内地下水的主要补给来源，降雨补给量由降雨量和降雨入渗系数计算得到，人工开采和蒸发是主要排泄途径。

表1 水文地质参数值

2 地下咸水运移模型的建立

2.1 模拟条件的概化

含水层以下主要为粘土岩，透水性很弱，可视为隔水边界。受古地形的制约，含水层在库区边缘逐渐变薄趋于尖灭，过渡为弱透水的粘性土或直接与不透水的粘土岩接触，因此东、西两侧为隔水边界。南端基岩之上建有截渗墙，定义为隔水边界。北部含水砂层变化甚微，与上游地下水连为一体，概化为给定水头边界，其水头值由监测井多年监测资料确定。区内大沽河切割含水层，两者水力联系密切，因此大沽河河床所在的部位概化为给定水头边界。东西两侧和底部确定为溶质运移的零通量边界，南北两侧则根据氯离子浓度多年监测值确定为已知浓度边界。

以研究区2010年1月的地下水位监测值为模拟的初始流场;以这段时间地下水氯化物监测值为模拟的初始浓度场，具体的初始水头线和初始盐度等值线见图2。

图2 初始水流、浓度场和井群布局图

2.2 数学模型的建立

SEAWAT软件是通过耦合运行经过密度项修正的水流模块MODFLOW－2000和溶质运移模块MT3DMS，计算研究区地下水的流场和氯化物的浓度场变化规律。地下水流控制方程［12］(Guo和 Langevin)、溶质运移控制方程［13］(SEAWAT代码中采用)与边界条件、初始条件结合得到研究区咸水运移扩散的水流和溶质运移的控制方程:

式中:x，y，z为坐标系三个轴，其中z为垂直方向，向上为正方向;Z为任意点的位置坐标;D为研究区域;S1，S1′，分别为第一类水流边界和第一类浓度边界;S2为第二类水流边界;Kfx，Kfy，Kfz为沿 x、y、z方向的渗透率，［LT－1］;Sf为以等价淡水水头表示的储水率，［L－1］;ρ为地下水的密度，［ML－3］;为有效孔隙度，［无量纲］;C为溶解物质的浓度，［kg/L3］;qs为单位时间进入单位体积含水层源、汇项的体积，［T－1］;ρs为源、汇项中溶解物质的密度，［ML－3］;Ck为物质 k的溶解浓度，［ML－3］;为源或汇中物质 k的浓度，［ML－3］;Dij为水动力弥散系数［LT－1］;为有效孔隙度，［无量纲］;∑Rn为化学物质反应项，［ML－3T－1］。

2.3 模型的计算与校正

模型中，根据岩性的不同将研究区分为不同的计算区域(图1)，模拟区总面积为53.6 km2，根据其地质结构将其概化为双层结构，采用矩形网格将研究区剖分80×80×2个网格，其中有效活动单元17 156个，非活动单元8 666个。模型参数率定主要考虑含水层渗透系数、给水度、弥散系数等。考虑已有资料的完整性和可靠性，取2010年1月1日～2010年12月31日为模型参数识别期。参数识别采用“试参法”确定，使地下水位、氯化物浓度的计算值与监测值充分吻合。运行模型后得到模拟结果，通过对比发现水位观测井和浓度观测井模型计算值和监测值拟合较好。表明所建模型能正确反映研究区地下水位、氯化物浓度的实际变化情况。

为检验校正后的模型参数是否合适，采用2010年1月1日至2010年12月31日共12个时段实测数据对参数进行验证。计算发现拟和平均误差为0.356 m，相比与同期水源地实测水位平均变幅1.32 m也比较小。表明所建数学模型与研究区实际水文地质条件吻合较好，可用于实际研究。

3 咸水恢复方案的数值模拟优化

针对研究区的情况，提出了三种恢复方案:连续抽水恢复方案、间歇式抽水恢复方案、抽注水结合恢复方案。这三种方案的模型运行的总时间均为36个月，井群抽(注)水的总时间均为12个月，井群布局图见图1。

3.1 连续抽水恢复方案

连续抽水方案抽水时间1～12个月，随着抽水时间进行，含水层变薄，单井抽水量适当降低，抽出水的氯离子浓度小于250 mg/L时立即将抽水井关闭，停止抽水。总抽水量为1.57×107m3。通过建立模型运行模拟，得到咸水体的分布变化曲线见图3。

图3 连续抽水方案运行3、6、12、24、36个月后咸水分布变化曲线

从图3可以看出，抽水运行3个月和6个月时，咸水面积消退速度比较慢，抽水井运行的12个月后，咸水体面积消退了5.54 km2，占恢复之前咸水体总面积的35.85%。停止抽水后的6个月，咸水面积迅速减少了2.68 km2，占咸水总面积的17.63%。停止抽水24个月，咸水面积减少了1.84 km2，占咸水面积的12.10%。停止抽水的过程中，不需要人工干预，主要是依靠抽水形成降水漏斗恢复过程中驱替作用降低地下咸水浓度，为地下咸水恢复的后续过程。停止抽水36个月后，800 mg/L等浓度线完全消失，600 mg/L等浓度线内面积还有残留，250 mg/L咸水体残留面积为3.56 km2，占初始咸水体面积的23%。从图3可以看出连续抽水方案修复效果不是很好。

3.2 间歇式抽水恢复方案

通过连续抽水方案模拟可以发现，将咸水抽取只是咸水体恢复的一个原因，而周边淡水的驱替作用对咸水体恢复也是一个不可忽略的因素［15］。因此，间歇抽水方案就是要充分发挥驱替作用在咸水恢复过程的作用来设计运行方案。间歇式抽水分两个时段进行，第一段抽水在雨季过后(9月份)进行，运行9个月(1～9个月)，各个岩区的抽水井均以连续抽水方案中的初始的最大抽水量抽水，到第二年雨季来临前(5月)停止抽水6个月(10～15个月)，使地下水位得以平复，然后继续以初始抽水量抽水。运行抽水井3个月(16～18个月)。抽出水的氯离子浓度小于250 mg/L时立即将抽水井关闭，停止抽水。总抽水量为1.61×107m3。模型运行后咸水体分布变化曲线见图4。

图4 间歇抽水方案运行3、6、12、24、36个月后咸水分布变化曲线

由图4看出，抽水3个月和9个月时咸水体面积分别缩小了2.44 km2和5.00 km2;抽水3个月后魏家屯咸水体的1 200 mg/L等浓度线为1.11 km2。抽水9个月后，咸水体面积缩小了8.75 km2，占咸水总面积的57.56%;1 000 mg/L等浓度线内的面积仅为0.21 km2。抽水12个月后，咸水体面积缩小到3.47 km2，只占咸水总面积的22.82%;800 mg/L等浓度线基本消失。36个月后，咸水体范围由最初的15.20 km2缩小到2.14 km2，咸水体面积减少了 85.92%，350 mg/L 等浓度线以内的面积只有0.975 km2，450 mg/L等浓度线内的面积为0.17 km2。间歇式抽水方案要比连续抽水方案的修复效果要好，但是还有14%的咸水体残留。

3.3 抽注水结合恢复方案模拟结果

抽注水结合方案是在连续抽水方案的基础上，把周边停止抽水的抽水井变为注水井，注水的目的有两个:一个是进一步加强淡水对咸水体的驱替，使边缘的咸水向抽水井集中区汇集;二是进一步淋洗砂层中残留的氯化物，使咸水的治理更加彻底。抽水时间1～12个月，抽水井以最大抽水量抽水，当抽出水的浓度接近250 mg/L时，把抽水井改为注水井。远离250 mg/L浓度线的注水井关闭。抽水量为1.76×107m3，注水量为2.3×106m3。通过间歇式抽水方案可以看出最后的修复效果还达不到理想效果。抽注水结合方案的咸水体分布变化曲线运行结果见图5。

图5 抽注水结合恢复方案运行3、6、12、24、36个月后咸水分布变化曲线

由图5可以看出，抽注水6个月咸水体面积缩小了4.75 km2，1 200 mg/L等浓度线消失，1 000 mg/L等浓度线内残留面积仅为0.24 km2;抽注水12个月后，咸水体面积缩小了9.18 km2，占咸水总面积的60.39%，1 000 mg/L等浓度线完全消失，800 mg/L等浓度线内的面积仅为0.02 km2。模拟运行24个月后，250 mg/L等浓度线内咸水体面积为2.64 km2，600 mg/L等浓度线内仅有0.23 km2，比连续抽水方案36个月时的修复效果还要理想。36个月后，咸水体范围由最初的15.20 km2缩小到1.43 km2，咸水体面积减少了 91.91%，350 mg/L 等浓度线以内的面积只有0.20 km2，450 mg/L等浓度线完全消失。抽注水结合的方案在咸水体的修复效果上要优于其它两种方案，咸水体面积缩减的速度要最快，残留咸水体的面积最小，能够在较短时间到达良好的修复效果。

4 结论

本文根据李哥庄地区实际情况建立了能反映研究区地下咸水变化的变密度地下水流与溶质运移模型。利用该模型模拟比较了连续抽水、间歇式抽水和抽注水结合三种地下咸水恢复方案的恢复效果。

1)连续抽水方案咸水体的退缩速度慢，最后600 mg/L的等浓度线内的咸水体面积还有残留，250 mg/L的等浓度线残留的咸水体面积还是很大的，占初始咸水体面积的23%，修复效果不理想。

2)间歇式抽水方案第36个月时500 mg/L的等浓度线已经消失，450 mg/L的等浓度线内咸水体残留面积已经很小，250 mg/L的等浓度线内咸水体面积较比连续抽水方案小，间歇式抽水方案要比连续抽水方案的修复效果要好，但是还有14%的咸水体残留。

3)采用抽注水组合方案模拟36个月后，咸水体范围由最初的15.20 km2缩小到1.43 km2，咸水体面积减少了90.59%，350 mg/L等浓度线以内的面积只有0.20 km2，450 mg/L等浓度线完全消失。相比于连续抽水、间歇抽水方案，抽注水组合达到了较为理想的修复效果，同时可以得知在地下咸水抽水恢复方案中抽取地下咸水只是咸水恢复的一个因素，而周边淡水的驱替作用则是咸水恢复另一个的因素。

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Numerical Optimization of the Saline Groundwater Restoration Scheme in Ligezhuang Region of Qingdao

ZHANG Shu － hui2，ZHENG Xi－ lai1，2，LIU Yu － hong2
(1.Key Laboratory of Marine Environment and Ecology，Ministry of Education，Ocean University of China;2.College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，Shandong)

Seawater intrusion had a corrosive effect on economic growth in Ligezhuang region.We need to do the research of saline groundwater restoration scheme urgently.According to the existing information of rainfall，evaporation，groundwater mining and hydro－ geological in Ligezhuang region，combining the situation of site investigation and monitoring，numerical model of this area was established by the variable density groundwater simulation software Visual－MODFLOW software SEAWAT modules.This model fits the reality situation very well by using monitoring dates to test and verify.Three saline groundwater restoration schemes were designed including wells continuous pumping scheme，wells intermittent pumping scheme and wells pumping－ recharge scheme，and the model of this ares was used to simulate and optimize these schemes.Extraction of saline water is one factor of the saline groundwater restoration and the surrounding freshwater displacement is another one.Wells pumping－recharge scheme takes full advantage of these two factors to be the most optimized in three saline groundwater schemes.

Saline groundwater restoration;SEAWAT;Numerical optimization and Restoration Scheme

P641.8

A

1004－1184(2012)03－0043－04

2012－02－15

国家水利部公益性项目(201001075);国家自然科学基金项目(41172209)

张淑慧(1986－)，女，山东济宁人，在读硕士，主攻方向:地下水资源与水污染防治研究。

郑西来(1959－)，男，河南洛阳人，教授，博士生导师。