大沽河地下咸水抽咸注淡原位试验研究❋

魏 杨， 郑西来

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

大沽河地下咸水抽咸注淡原位试验研究❋

魏 杨， 郑西来❋❋

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

大沽河下游截渗墙的修建有效地阻止了滨海咸水向地下水源地的入侵，但是截渗墙内侧局部滞留的地下咸水仍然影响着地下水的开采。为了进一步修复滞留的地下咸水，本文选取大沽河下游截渗墙以北1.2km2咸水含水层为示范区，通过“抽咸注淡”原位试验，人工修复地下咸水。试验结果表明：抽水井群抽出地下咸水引起地下水的运移；注水井群形成淡水帷幕，阻止东侧高电导率咸水的对流，同时注入的淡水对地下咸水进行驱替与淡化，加速咸水体的排出。“抽咸注淡”技术能够有效修复地下咸水体。

咸水含水层； 抽咸注淡； 原位修复

随着沿海地区经济和社会迅速发展，淡水需求量不断增大。在沿海地区过度开采地下水资源会引起地下水位的持续下降，并导致大面积的海水入侵。大沽河下游是青岛市重要的水源地，1990年代末，为阻止海水入侵，政府出资在麻湾庄附近修建了一道4km长的地下水库截渗墙，有效阻止了海水入侵面积的进一步扩大。然而，截渗墙内仍存在15.67m2的地下咸水滞留在潜水含水层，在天然条件下难以恢复[1]。

Luyun R Jr.等[2]通过室内砂槽实验，研究了不同条件下截渗墙内地下咸水的变化，结果显示自然补给下，截渗墙截留的地下咸水能够逐渐恢复。然而，监测数据表明[3]，大沽河下游截渗墙的建成阻断了下游海水的继续入侵，但截渗墙以北地下水水质氯化物含量仍超标，且个别区域出现比建设前偏高的结果。滞留的地下咸水导致地下水源地无法正常开采，影响到人类的生产和生活。

针对地下咸水的修复和治理的研究，国内外主要集中在数值模拟上。李白玲和毛昶熙[4]对截渗墙控制条件下均质含水层中咸水体的单井注水恢复进行了简单的数值模拟。韩志勇[5]则应用Visual-MODFLOW，对大沽河下游地下咸水的恢复方案进行了数值分析。美国在加利福尼亚帕罗阿尔托地区建立了抽水-注水系统，首先在咸水体下游建立注水帷幕截断咸水来源，然后通过抽水排除咸水体[6]。Berens V等[7]为了改善澳大利亚Clarks Floodplain区域地下水环境，降低地下水电导率，进行了为期45 d的人工回灌，结果显示回灌效果并不明显。Alaghmand S等[8]在此基础上，利用模型研究了注水井不同排列方式，不同注水量及不同注水时间对咸水修复的影响。此外，近些年来，含水层补给管理(Managed Aquifer Recharge，MAR)及含水层储存与恢复(Aquifer Storage and Recovery，ASR)也越来越受到人们的关注，其主要目的是在一定时期，将多余的地表水资源注入地下，储存起来，并在后期抽出加以利用[10-11]。

咸水体修复的室内试验和数值模拟较多，但是原位修复的工程示范较少，缺乏了对场地条件下工程修复效能的准确评估。本文选择青岛市大沽河下游截渗墙以北1.2km2咸水含水层作为示范区，采用“抽咸注淡”技术对区域内地下咸水体进行人工修复，考察咸水体人工修复的效果，为地下咸水体原位修复提供了科学依据。

1 研究区环境概况

滞留的地下咸水体位于大沽河下游的青岛市李哥庄镇附近(见图1)。东西至大沽河河谷边缘，北起周家村-周臣屯-小窑一线，南至麻湾庄截渗墙一带，距胶州湾12km。该地区位处北暖温带季风气候区，多年平均气温为12.5 ℃，8月份气温最高，1月份最低；多年平均降水量约为760mm，年际变化大，年内分配不均，多集中在6～9月份；多年平均蒸发量为1 007mm，是多年平均降雨量的1.5倍。研究区地形变化总趋势为北高南低，且起伏平缓。

研究区地质属第四系冲积-冲洪积层，为双层结构，上部土层厚度一般情况下为2～5m，其岩性主要有黏质砂土、砂质黏土、黏土以及“天窗”，其中“天窗”面积最小；下部土层为不同粒径的砂及砂砾石，为非均质各向同性含水介质，厚度一般为5～10m。含水介质粒径变化由深部向浅部变细，从东西两侧向河谷中心逐渐变粗；但在纵向上，从北到南的变化规律不明显。含水砂层的下部主要是黏土岩和玄武岩，两者的透水性都很弱，视为不透水层。研究区地下水的补给主要来源于大气降水、河流补给及灌溉水入渗；由于截渗墙的存在，地下水排泄方式主要是工农业开采及蒸发。

图1 示范区位置示意图

咸水体原位修复试验的示范区位于李哥庄镇黄家屯东部，面积约为1.2km2，其位置如图1中所示。示范区西部为居住地，其余区域以种植粮食作物为主，每年10月份种植小麦，7月份种植玉米。该区域地下水主要用途为农业灌溉，另有部分开采用于非饮用类居民生活用水。季节性河流小新河是示范区内的主要河流，其多段地方常年处于断流状态，河流底部主要为淤泥，河流与地下水的水力联系较小。

2 抽咸注淡原位修复试验

2.1 抽-注水井及观测井钻探与试验场布置

2010年12月底，开始在示范区内进行打井工作，相继完成5口抽水井、6口注水井和8口观测井，井群布置如图2中所示。抽-注水井呈南北纵向分布，且所有注水井位于抽水井的东部；而观测井均匀地分布在整个示范区。

所有的抽-注水井及观测井均为完整井，贯穿了整个含水层。抽-注水井采用直径500mm水泥套管，而观测井采用直径110mm的聚乙烯套管。所有井的深度在13.5～19.0m之间，过滤网长度在5.5～13.0m之间。

在钻井的同时，用工程地质钻探对代表性测点进行纵向取样，用以确定示范区内的地质特征。示范区内O6、A3及O8点附近地层结构如图3所示。示范区内地层为典型的二元结构，上覆岩层为黏质砂土，厚度为6.5～8.0m，且东部厚度比西部薄；下部含水层结构为典型的中粗砂，含水层厚度基本在10～12.5m之间，部分地区8.5m；上下含水层之间为一层厚度较小的黏质砂土层；含水砂层以下分别是砾石层和强风化泥岩层，砾石层厚度较小，基本为1m。野外抽水试验显示，该地区含水层渗透系数约为30m/d，符合中粗砂的渗透系数范围。水文地质钻探结果表明，示范区地层结构基本类似。

图2 抽-注水井和观测井位置分布示意图

图3 研究区内O6、A3、O8井钻孔柱状图

2.2 咸水体修复的试验方案

示范区地下咸水体的原位修复试验从2011年9月18日开始，到2011年10月8日结束，为期20 d。“抽咸注淡”原位修复系统由5口抽水井和6口注水井组成。在抽水井A1-A5中分别放入两台潜水泵(QY25-26-3型潜水泵，上海陆沪泵业，额定功率3 kw，额定流量25m3/h，抽水扬程26m)，进行连续抽水，每个井抽水速率为35m3/h左右，抽出的地下咸水排泄至路边的沟渠；同时用潜水泵(QY15-26-2.2型潜水泵，上海陆沪泵业，额定功率2.2kw，额定流量15m3/h，抽水扬程26m)从周边地表水体中(池塘水、小新河水等，其电导率为1 900左右)连续抽水并注入注水井I1-I6中。试验开始前，利用地下水位测量尺(102型水位尺，加拿大Solinst公司，精度1mm，量程25m)测定示范区内所有抽-注水井及观测井的水位，并采集水样，利用哈希便携式电导率仪测定地下水电导率，确定示范区内地下水电导率背景值。在为期20 d的原位修复试验中，分别于每日7、14和21时测定每个井的水位和地产水电导率。同时，每日14时采用三角堰法计算抽-注水井的实际抽-注水速率。

2.3 结果与分析

“抽咸注淡”原位修复试验中抽水井及注水井的水位变化分别如图4和5所示。由图4可以看出， 5口抽水井平均抽水速率在35m3/h左右。 抽水初期，抽水井水位迅速下降，仅3 h水位降深达到3.2m，随后水位下降速度开始减缓，在试验进行到第5天时，抽水井平均降深达到最大，为5.4m。而后5口抽水井水位趋于稳定，随着抽水流量的变化有少许波动。9月29日，由于总控制电箱关闭，所有潜水泵停止工作8 h，各个抽水井的水位均有一次较大的突升。当各个抽水井重新开始工作后，抽水井平均水位降深又恢复到4.4m左右。20 d的试验过程中共抽出8.6×103m3的地下咸水。

图4 5 口抽水井平均抽水速率及平均水位降深随时间的变化曲线

在5口抽水井工作的同时，示范区东部6口注水井也在同时工作。如图5所示，6口注水井平均注水速率在11m3/h左右。开始注水时，注水井水位立即升高，平均水位抬升了0.7m，而后水位抬升略有下降；随着注水井注水速率的升高和抽水井抽水速率的下降，注水井水位逐渐升高并趋于稳定，平均水位抬升达到1.3m；9月29日，全部注水井停止工作，注水井水位平均下降了0.7m；潜水泵重新工作后，注水井平均水位抬升又恢复到1.2m左右。

注水井中水位的不断抬升表明含水层可能开始发生堵塞。试验过程中，注水水源为小新河河水和池塘水，虽然已经去除其中所含的较大悬浮物，但是仍含有颗粒较小的泥沙和繁殖能力强的细菌，容易引起物理堵塞和生物堵塞。因此，在10月5日下午，采用空气压缩机对注水井I5和I6进行反冲洗，反冲洗进行8～10min时，出水瞬间变混浊，有些出水甚至呈黑色泥浆状，表明生物堵塞非常严重。反冲洗至出水重新变清为止，每眼井至少反冲洗40min。反冲洗后，重新开始注水。

图5 6口注水井平均注水速率及平均水位抬升随时间的变化曲线

反冲洗处理只能减缓注水井堵塞的发生，为了防止注水井堵塞，提高注水效率，应该进一步对注水水源进行处理。

整个试验过程，共有3.4×103m3的地表水注入到含水层中。

各个观测井地下水水位随时间的变化如图6所示。“抽咸注淡”试验开始时，距离注水井I2最近的观测井O8水位略有升高，而后趋于稳定，变化不大；而距离抽水井群最近的观测井O7水位逐渐下降，水位由2.75降至1.75m，降幅达到1m；抽水井群西侧的观测井O6及O3水位基本没有变化。2011年9月28日，示范区内出现大范围降雨，持续时间达14 h，地下水水位均有所升高，1天内O6、O3、O8地下水水位分别升高了0.2、0.2和0.3m；29日抽-注水井停止工作8 h，降雨及停止抽水导致O3观测井地下水水位升高了0.7m。试验恢复后，观测井O7、O8地下水水位又逐渐下降，O7降幅更大，连续运行2天后，地下水水位变化趋于稳定。

图6 观测井O6、O3、O7及O8中地下水水位随时间的变化曲线

图7显示了咸水体人工修复过程中各个观测井地下水电导率随时间的变化。由图可以看出，只有位于抽水井群和注水井群之间的观测井O7地下水电导率有所下降，其电导率从试验前的3057μS/cm降至1862μS/cm。刚开始时，O7地下水电导率变化不明显，随着试验的进行，电导率逐渐下降，在第8天时降至1900μS/cm并趋于稳定；9月29日，抽注水井停止工作，O7地下水电导率迅速升高，达到2873μS/cm，潜水泵重新工作后，其电导率又逐渐下降。观测井O6和O3的地下水电导率在试验初期稍有减少，而后变化不明显，两者的平均值分别为1 728和1 861 μS/cm。注水井东侧的观测井O8始终保持较高的电导率(>4000μS/cm)，I3的持续注水使得观测井O8处地下水电导率略有下降，但程度很小。

总的来说，在示范区进行的地下咸水体原位试验具有一定的修复效果。5口抽水井抽出了井附近含水层中的地下咸水，而注水井的连续注水形成了淡水帷幕，阻止了示范区东部高电导率地下水向西部对流，注入的淡水在抽水井的作用下向西流动，但它只影响到注水井附近的小范围区域。

在试验过程中，抽注水井停止工作了8 h，此段时间，东部高电导率地下水向西对流，导致前期人工修复初有成效的区域中地下水的电导率突然增高，影响到咸水区人工修复的效果。同样的，整个试验结束一段时间后，示范区各个观测井地下水电导率又基本恢复到初始状态。这说明地下咸水体的人工修复需要很长的时间，短期的“抽咸注淡”能够取得一定效果，但由于附近咸水体的存在，不能持续很长时间。此外，本次示范研究选择在大沽河下游截渗墙以北3km处的黄家屯附近进行，该地区配套设施齐全，抽注水管道铺设方便，有利于“抽咸注淡”试验的进行，然而该区地下水处于咸淡水过渡带，示范区东北部含水层赋存大量的高电导率咸水，进一步的咸水体人工修复首先要从此片区域含水层开始。

图7 观测井O6、O3、O7及O8中地下水电导率随时间的变化曲线

3 结语

本文选取大沽河下游截渗墙以北1.2km2咸水含水层为示范区，采用“抽咸注淡”技术对区域内地下咸水体进行了人工修复，取得了一定的效果，具备一定的可行性。抽水井群抽出地下咸水，引起地下水的运移；注水井群形成淡水帷幕，阻止东侧高电导率咸水的对流，同时注入的淡水对地下咸水进行驱替与淡化，加速咸水体的排出。然而，当抽注水井停止工作时，东侧高电导率地下水向示范区运移，使得示范区内地下水电导率回到试验前，影响到咸水体原位修复的效果。

[1] 刘玉红， 郑西来， 张淑慧. 大沽河下游咸水修复试验及方案的优化研究[J].工程勘察， 2012(10)： 38-42. Liu Y H, Zheng X L, Zhang S H. Research of saline groundwater restoration test and scheme optimization at Dagu River lower reaches[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 2010(10): 38-42.

[2] Luyun R Jr, Modmii K, Nakagawa K. Laboratory-scale saltwater behavior due to subsurface cutoff wall[J]. Journal of Hydrology, 2009, 377(3-4): 227-236.

[3] 刘衍美. 大沽河下游地下水库截渗墙建设前后水质分析与防治对策[J]. 地下水， 2005， 27(1)： 23-25. Liu Y M. Water quality analysis and prevention measure of saline groundwater recovery before and after construction of cut-off wall at Dagu River lower reaches[J]. Ground Water, 2005， 27(1): 23-25.

[4] 李白玲， 毛昶熙. 海水入侵地下水的研究[J]. 水利水运工程学报， 1992(2)： 145-155. Li B L, Mao C X. Research of seawater intrusion into groundwater[J]. Hydro-Science and Engineering, 1992(2): 145-155.

[5] 韩志勇， 郑西来, 林国庆. 大沽河下游地区地下咸水恢复方案的数值分析[J]. 工程勘察， 2004(6)： 25-29. Han Z Y, Zheng X L, Lin G Q. Numerical analysis of saline groundwater restoration program at Dagu River lower reaches[J]. Geotechnical Investigation & Surveying, 2004(6): 25-29.

[6] 刘玉红. 大沽河下游地下咸水治理工程示范及其方案的优化研究[D]. 青岛： 中国海洋大学， 2012. Liu Y H. Demonstration Project of Restoration of Saline Groundwater and Research of the Optimization on Restoration Schemes at the Low Reach of Dagu River[D]. Qingdao: Ocean University of China, 2012.

[7] Berens V, White M G, Souter N J. Injection of fresh river water into a saline floodplain aquifer in an attempt to improve the condition of river red gum (Eucalyptus Camaldulensis Dehnh.)[J]. Hydrological Processes, 2009, 23(24): 3464-3473.

[8] Alaghmand S, Beecham S, Woods J A, et al. Injection of fresh river water into a saline floodplain aquifer as a salt interception measure in a semi-arid environment[J]. Ecological Engineering, 2015, 75(0): 308-322.

[9] Dillon P, Pavelic P, Page D, et al. Managed Aquifer Recharge: an Introduction[R]. Canberra： National Water Commission, 2009.

[10] Sheng Z P. An Aquifer storage and recovery system with reclaimed wastewater to preserve native groundwater resources in El Paso Texas[J]. Journal of Environmental Management, 2005, 75(4): 367-377.

责任编辑 庞 旻

In-Site Restoration Test of Saline Aquifers at Dagu River Watershed

WEI Yang， ZHENG Xi-Lai

(The Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ministry of Education, College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

The cut-off wall was constructed at Dagu River lower reaches to prevent seawater intrusion into groundwater source field. However, groundwater exploitation is still affected by retention saline groundwater inside the wall. In order to further recover retention saline groundwater, we selected 1.2km2saline aquifer north of the wall as the demonstration area and carried out saline groundwater artificial restoration based on the technology of saline groundwater abstraction and freshwater injection. The results show the saline groundwater in the demonstration area was pumping out from pumping wells and that caused groundwater migration from east to west. Injection wells formed a freshwater barrier to prevent east saline groundwater flow into the demonstration area. Saline groundwater can be displaced by injecting fresh water and desalted at the same time which promote saline groundwater recovery. Saline groundwater abstraction and freshwater injection is a useful measure to recovery saline groundwater.

saline aquifers； saline groundwater abstraction； in-site restoration

国家自然科学基金项目(41172209)；水利部公益性行业科技专项(201301090)资助 Supported by the Natural Science Foundation of China(41172209); the Public Welfare Industry Science and Technology Project of China (201301090)

2016-02-01；

2016-05-20

魏 杨(1989-)，男，博士生，现从事水资源保护与水污染控制研究。E-mail：weiyangvv@126.com

❋❋ 通讯作者：E-mail:zhxlai@ouc.edu.cn

P641.2; X523

A

1672-5174(2017)01-026-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20160098

魏杨， 郑西来. 大沽河地下咸水抽咸注淡原位试验研究[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2017, 47(1): 26-31.

WEI Yang， ZHENG Xi-Lai. In-site restoration test of saline aquifers at Dagu River watershed[J]. Periodical of Ocean University of China, 2017, 47(1): 26-31.