基于辽宁南部海水入侵修复试验及咸水淡化优化模式探析

张 伟

(桓仁县水务移民服务中心，辽宁 本溪 117200)

我国是沿海国家，海岸线总长3.2万km，其中陆地海岸带全长1.8万km，岛屿海岸线全长1.4万km[1]。从北向南依次是渤海、黄海、东海和南海。陆地地质作用和海洋作用共同控制海岸带形成、发育和演化，陆地地质作用占主导地位。海岸带地表水流特征不仅决定了海岸的地貌和岩性，而且控制着海域的水下地貌和地质岩石成分[1]。

沿海省市地理位置优越，是主要的工业和居民聚集地。工农业生产、居民生活都离不开淡水资源，随着工农业日益加剧的水资源需求，沿海地区地下水开采力度加大，引发了一系列的地下水环境问题，如海水入侵，地面沉降等。

1 海水入侵修复试验

以辽宁南部为例，试验模型供水装置示意图如图1所示，模型主体为有机玻璃中空圆筒(外径7cm，内径5cm，高120cm)，两端用橡皮塞密封，以保证试验的气密性，上下橡皮塞用针头刺穿，作为进水口和出水口，内部充满水介质区，含水试验砂柱采用标准砂填充，砂柱顶底两侧采用单层土工布垫层[2]，确保面状进水的同时砂粒不堵塞进出水口。

在有机玻璃管的侧壁每30cm设置可以控制开闭的监测孔A、B、C，监测模型内流体的浓度场变化情况[2]，供水装置由蠕动泵控制，可以在恒定流量下向试验砂柱中注入淡水。

图1 试验模型示意图(单位：cm)

2 试验方案

砂样直径选择为2～3mm，用渗透仪测得渗透系数为2.2×10-4m/s，淡水是由实验室的去离子水制成，浓度为0g/L，密度为1.00×103kg/m3，电导率为0uS/cm。咸水由去离子水和氯化钠制成，浓度为9.0g/L，密度为1.01×103kg/m3，电导率为15.13uS/cm。通过改变注水方向，进行了2组对比试验，注水方向分别设置为顺重力方向和逆重力方向(从上向下注水和从下向上注水)[3]。每组对比试验的注水流量分别为2、5、8、10、20、40mL/min，共进行了6次试验。试验过程中每隔5～30min收集侧壁监测孔与出水口处的水样，实际试验过程中当注水速率为40mL/min时，由于取样间隔时间太短而未能收集监测孔处的水样，故只取得出水口的水样。具体试验方案见表1。

表1 试验方案

3 试验数据分析

通过改变注水方向和注水速率，得到每组6次试验的观测数据(共2组12次)，绘制穿透曲线如图2—3所示。

从以上各组试验的穿透曲线可知，从不同方向以不同速度向地下咸水体注入淡水时，各监测孔和出水口的浓度变化趋势一致，即在试验开始的一段时间内各点Cl-浓度变化不大，随着淡水的增加，各监测孔和出水口的Cl-浓度从进水口向出水口方向依次降低，最后趋近于零，其变化趋势与穿透曲线的浓度降低过程相一致[4]。这表明海水与淡水之间存在过渡带，且过渡带的宽度和恢复时间成正比。观察每个点的浓度变化过程，可以发现Cl-浓度先快后慢，即下降曲线前半部分斜率较大，当Cl-浓度下降到约1g/L时，Cl-浓度变化较缓，曲线斜率逐渐减小[5]。随着注水方向和注水速率的改变，对比试验的穿透曲线也不同，需要进一步分析。

3.1 单次试验分析

3.1.1顺重力方向

观察图2(b)，当注水速率为5mL/min时，从进水口向出水口方向上各点浓度分别从45、90、150、195min开始下降，在75、135、210、255min达到1g/L的修复标准，修复用时分别为30、45、60、60min。

也就是说，每个监测孔的修复时间依次增加，并在出水口达到稳定，这表明在顺重力方向注水修复地下咸水体的试验过程中[5]，随着淡水的不断推进，咸淡水之间的过渡带变得更宽、更稳定。

3.1.2逆重力方向

观察图3(b)，当注水速率为5mL/min时，从进水口向出水口方向上各点浓度分别从30、75、105、135min开始下降，在105、165、225、315min到达到1g/L的修复标准，修复用时分别为75、90、120、180min。这表明在逆重力方向注水修复地下咸水体的试验中，随着淡水的推进，咸淡水的过渡带变得越来越宽。

3.1.3不同注水方向对比

比较图2(b)和图3(b)，可以发现，逆重力方向注入水时，观测点的浓度沿注水方向和出水口开始集中的时间变化比顺重力方向早15～60min，修复完成时间较顺重力方向延迟30～60min；顺重力方向注入水时，每个观测点的修复时间在30～60min之间，相对于整个测试持续时间变化不大；逆重力方向注入水时，沿注水方向的各观测点修复时间随着淡水的推移而增加，在75～180min之间，是顺重力方向的2～3倍左右。

为排除时长对试验对比结果的影响，以试验总时长和咸水最大浓度为极值，将注水速率为5mL/min的试验结果的时间和浓度无量纲化[6]，结果如图4所示。观察各观测点和出水口的穿透曲线，当顺重力方向注水时，各点浓度基本为陡直下降，斜率随淡水的推移并无太大变化；当逆重力方向注水时，各点浓度随淡水的推移逐渐变缓，出水口浓度变化曲线斜率是监测点A曲线的一半左右。这表明在顺重力方向注水修复时，水动力弥散作用相对较弱，导致过渡带在试验过程中变化不大；逆重力方向注水时，水动力弥散作用较顺重力方向强，各点浓度下降早，修复完成慢，下降曲线斜率变小，过渡带在试验过程中逐渐变宽。

3.2 注水速率对穿透曲线的影响

3.2.1顺重力方向

比较图3中不同注水速率的渗透曲线，并分析不同注水速率顺重力方向对砂柱中咸水变化的影响可知，在注水速率为2、5、8、10、20、40mL/min时，对应的试验时长为690、265、160、130、55、28min。也就是说，注水速率越小，测试时间越长，这是因为砂柱中盐分的恢复主要由水力驱动，当注水量变小时，实际流量也会减少，并且水力驱动的盐水运动会变慢，淡水推进速度降低，导致试验总体用时变长。

顺重力方向注水时不同注水速率条件下各对比试验出水口处修复时间分别为270、60、30、30、15、6min，占总试验时长的39%、23%、19%、23%、27%、21%。可以看出，在注水速率大于2mL/min时，各对比试验出水口处修复时长占比均在20%左右，即顺重力方向注水时过渡带宽度随注水速率变化不大；当注水速率为2mL/min时，由于分子扩散作用变得明显，使得此时过渡带宽度增加。

图2 顺重力方向各分组试验监测孔与出水口Cl-随时间变化曲线与拟合结果

图3 逆重力方向各分组试验监测孔与出水口Cl-随时间变化曲线与拟合结果

图4 5mL/min无量纲变化曲线

图5 各对比试验出水口浓度变化无量纲曲线

3.2.2逆重力方向

对比图3中不同注水速率的穿透曲线，分析逆重力方向注水速率对砂柱内咸水变化规律的影响。可以看出，在注水速率为2、5、8、10、20、40mL/min时，对应的试验时长为780、330、170、140、60、34min。这说明逆重力方向注水时试验用时同样随注水速率的减小而增长。

逆重力方向注水时不同注水速率条件下试验出水口修复时间分别为510、195、80、60、20、12min，占总时长的65%、59%、47%、43%、33%、35%。可以看出，在逆重力方向注水时，注水速率越小，咸淡水之间的过渡带越宽，修复用时越长。

3.2.3不同注水方向对比

在不同的注水方向下，不同的注水速率对咸水恢复具有不同的影响，从上面分析可以看出，当注水速率大时，在测试时间内2个方向之间的差异不大[7]；随着注水率逐渐变小，使用时间的差异就会逐渐变大；当注水率为2mL/min时，差异最大，最大差异为13%。这表明注水试验在逆重力方向上的时间通常比在顺重力方向上的时间长，并且随着注水速率的逐渐降低，二者之间的差异越来越明显。

为排除时长对试验对比结果的影响，选取20、10、5、2mL/min时出水口的浓度变化，将时间和浓度无量纲化，绘制曲线如图5所示。由图5可以看出，当注水速率为20mL/min时，2种方向曲线区别较小；随着注水速率的不断减小，2种注水方向的曲线差别越来越大，可以清晰地看出逆重力方向曲线开始下降时间早，下降速率慢，达到修复标准晚，说明逆重力方向注水时水动力弥散现象相对明显，过渡带较宽，且随着注水速率的减小而不断增加。但是当注水速率达到并超过2mL/min时，由于分子扩散作用的影响变得相对突出，使得2种注水方向的曲线差别开始变小，逐渐靠近。

4 咸水淡化优化模式

为了探讨注水率和注水时间对咸水淡化试验的影响[8]，找到优化咸水淡化效率的修复方法，选择试验模型的相关参数进行模型计算，见表2。

从表2中可以看出，算术平均值用于表示要计算的模型，所得结果与观测值非常吻合，大多数标准偏差低于1.5g/L，最大标准偏差不超过2.0g/L，因此，算术平均值可以用来表示计算模型。

由图6可以看出，仅考虑机械的弥散性时，从用水的角度来看，随着注水率不断提高，用于修复地下咸水的总水量也随之增加，并且随着水的注入而改变，当流量较小时，其变化幅度较大[9]。这是因为随着注水率的增加，由流体动力作用引起的机械弥散作用也得到增强，这促进了咸水和淡水之间的浓度交换，就时间而言，随着注水速度的不断增加，淡水的推进速度也增加，并且修复所需的时间大大减少。

表2 标准参数误差分析

图6 修复用时和用水量随流量变化模拟

5 结语

地下水资源的过度开采则引发了一系列环境地质问题。由于不同的地理位置，水文地质条件也不相同，因此诱发的环境地质问题也不相同。在距离海岸带20km范围内，地下水过度开采易引发海水入侵问题；远离海岸带的地方，过度开采地下水又没有补给来源，由于土体水分的疏干导致地面沉降，甚至地面塌陷。从以上试验可以看出，当渗透速度较小时，分子扩散效应相对突出，不能忽视，并且弥散度的值受尺度效应的影响[10]，因此，在实际应用中，考虑合适的施工周期和研究区域的大小，选择合适的注水速率可以减少机械弥散并削弱分子扩散的影响，同时最大程度地提高修复效率。