基于砂质海岸带的咸淡水界面形成及运移过程探析

关艳庆

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

1 概 述

黄海和渤海沿岸砂质海岸主要分布在河北和山东省的北部海岸，为防止因地下水过度开采而引起的海水入侵，在山东省龙口市进行了实地勘察，主要是从东侧的黄河河口海岸到西南侧的边界河，并通过多部分比较分析确定典型的砂样剖面，用于室内实验研究的采样。

2 砂槽物理模型

砂槽物理模型是由1.5cm厚的透明强化有机玻璃制作而成，从正面便可以发现盐水和淡水界面的形成和运移过程[1]。砂槽是由槽头，槽体和槽尾三部分组成，即为了使模型与现场的实际情况相似，砂槽为矩形槽，其尺寸为长600cm，宽为60 cm，高为150 cm，为了研究沿海非均质含水层系统中的海水入侵现状，在沙槽中从上到下填充了3种含水介质，分别为细砂，黏土和粗砂，厚度依次为40 cm、25 cm和50 cm，并设置坡度为6°的岸坡。

砂槽的左侧是一个海水室，用于模拟向海边界，海水室和砂槽的主体由一个布满孔的PVC板隔开，海水室的长为30cm，宽为60cm，高为150cm，位于砂槽主体内侧面铺有工作布(300g / m2)，起到透气和防砂的作用。砂槽右侧的淡水室是用于模拟陆地边界，淡水室和砂槽的主体也由一个布满孔的PVC板隔开，淡水室长为30 cm，宽为60 cm，高为150 cm，并将工作布(300g / m2)中放置在砂槽的主侧，以起到透水和隔离砂的作用。海水室和淡水室分别通过水泵连接到水池，水池由长为280 cm，宽为120 cm，高为60 cm的PVC板制成，并放置在地面上，实验设计的潮汐波周期为T = 40min，波幅A = 20cm，即平均海平面为85cm，高潮海平面为105cm，低潮海平面为65cm。有两组潜水井和压力井设在砂槽主体上，潜水井的深度为55 cm，井底位于细砂底与黏土顶面之间的接触面，承压力井的深度为156cm，压力井的底部位于粗砂的底部，潜水井和承压力井均使用直径为d = 80mm的PVC圆柱管，而沙层内的PVC管则使用花管。潜水井和承压力井在沿长度方向位于沙槽的中心轴上，距海水室400cm和500cm，为了防止细砂粒进入抽水井，井的底部和侧壁孔均被0.18mm的滤网包裹[2]。

为了详细跟踪海水楔形长度的变化以及盐和淡水界面的迁移，在距海水室60cm，180cm，300cm，420cm和540cm处布置了采样管，采样管由PVC白板的长方体制成，根据不同的深度，延伸由精细过滤器包裹的PU管，以取出不同地层深度的水样。

3 实验分析

砂槽海平面的潮汐周期为T = 40min，波幅A = 20cm，平均海平面为85cm，监测时间从t=0-200min，而当t=200min时，砂槽的地下水位基本趋于稳定，采用6个压力管的数据分析了地下水位波动的特征以及地下水位波动与潮汐波动之间的关系。分析结果表明，砂槽的地下水位波动与潮汐具有相同的规律，并表现出周期性的波动特征，砂槽的地下水位离砂槽的左侧变化得越远，地下水位的波动就越趋缓，砂槽地下水位波动的高潮和低潮大致对应于海洋潮汐波动的高潮和低潮时间，但是地下水位的高潮和低潮却滞后于海潮的高潮和低潮[3]。

淡水位固定为95cm时，海平面处于低潮(65cm)时地下水位降深，见图1；淡水位固定为95cm时，海平面处于低潮(85cm)时地下水位降深，见图2；淡水位固定为95cm时，海平面处于高潮(105cm)时地下水位降深，见图3；淡水位固定为85cm时，海平面处于低潮(65cm)时地下水位降深，见图4；淡水位固定为85cm时，海平面处于平均海水位(85cm)时地下水位降深，见图5；淡水位固定为85cm时，海平面处于高潮(105cm)时地下水位降深，见图6。

图1 淡水位固定为95cm时，海平面处于低潮(65cm)时地下水位降深

图2 淡水位固定为95cm时，海平面处于低潮(85cm)时地下水位降深

图3 淡水位固定为95cm时，海平面处于高潮(105cm)时地下水位降深

图4 淡水位固定为85cm时，海平面处于低潮(65cm)时地下水位降深

图5 淡水位固定为85cm时，海平面处于平均海水位(85cm)时地下水位降深

图6 淡水位固定为85cm时，海平面处于高潮(105cm)时地下水位降深

由图1-6可以看出，由于抽水井的抽水引起的地下水位的波动，当以Q1=1L/min和Q2=2L/min抽水时，将形成以抽水井1的轴线为中心的降落漏斗，地下水位的深度随海平面的高度和距井轴的距离而变化很大，并且距井轴一定距离后，地下水位不会受到抽水的明显影响，是由于抽水井的抽水造成的。降落的影响半径也随着海平面的高度而变化很大。

根据单井恒流量承压井的数学模型，当抽水量Q1=1L/min和Q2=2L/min时，可以计算出抽水井1轴线处的地下水位分别是10cm和15cm。在砂槽实验中，当淡水水位固定在95cm时，海平面此时处于低潮(65cm)时，以Q1=1L/min抽水，而以Q2=2L/min抽水时，地下水水位降深分别为8.5cm和15cm，当淡水水位固定在85cm且海平面处于低潮(65cm)时，以Q1=1L/min抽水和以Q2=2L/min抽水时，地下水水位下降分别为12cm和18cm；其原因是因为固定水头朝向陆地的边界更靠近抽水井，这对砂槽含水层中的地下水位具有更大的影响[4]。

在不同的固定淡水水位和不同的海平面高度下，2种不同大小的抽水引起的地下水位下降的影响半径也不尽相同。当海平面高度为65cm时，以Q1=1L/min和Q2=2L/min抽水时，抽水井1轴处的地下水下降最大，为8.5cm和15cm，从而导致地下水位下降，其深度影响半径为1.5m；

当海平面高度为105cm时，以Q1=1L/min和Q2=2L/min抽水时，在抽水井1井轴处的地下水降深变得最小，为3.3cm和6.8cm，其深度影响半径为1m。

当海平面高度处于65cm时，以Q1=1L/min、Q2=2L/min抽水时，在抽水井1井轴处的地下水降深最大，分别为12cm、18cm,此时抽水引起地下水位降深影响半径最大，为1.6m；当海平面高度处于105cm时，以Q1=1L/min、Q2=2L/min抽水时，在抽水井1井轴处的地下水降深最小，分别为5.6cm、8cm，此时影响半径仅为0.7m。

3.1 陆边界淡水位为95cm

当在砂槽中形成从右到左的稳定水流时，打开电源柜以使海平面模拟潮汐波动，并且朝向陆地边界的淡水水位固定在95cm，使得海水入侵过程开始，当t=480min时，Q1=1L/min用于抽水井1中进行水，当t=760min时，Q2=2L/min用于抽水井1抽水水。

3.2 陆边界淡水位为80cm

实验中的淡水水位固定为85cm，其中在t=500min处使用Q1=1L/min在抽水井1处抽水，在t=840min处将Q2=2L/min在抽水井处抽水。

3.3 陆边界为隔水边界

试验研究了陆地边界为隔水边界时沙槽含水层海水入侵运移的变化规律[5]，其中t=420min时，用Q1=1L/min在1号抽水井抽水，t=680min时，用Q2=2L/min在1号抽水井抽水。

在海水侵入的早期，咸淡水界面是相对模糊，海水楔形是线性的。海水入侵以来的楔形向内陆迁移,界面由此变得更加清晰[6-8]。当Q1=1L/min时，Q2=2L/min进行抽水时，海水二次入侵达到平衡状态，海水楔仍然为下凹抛物线型。海水入侵的过程中,无论是不是在抽水阶段或在Q1和Q2抽水井1抽水阶段,细砂海水楔前端和黏土顶面夹角及粗砂海水楔前端与砂槽底部的夹角均逐渐减小。由于非均质含水层结构的实验模拟,黏土渗透系数很小,可以认为是隔水层,海水入侵的过程中,海水没有入侵到黏土。

在实验期间，当小流量Q1=1L/min时，大流量Q2=2L/min抽水井1开采地下水,海水楔将基于先前的阶段平衡基础上，向内陆运输，直至达到新的均衡状态，意味着在咸淡水界面淡水完全开采地下水,它会加剧海水入侵。

在没有抽水阶段,或在Q1和Q2抽水阶段,海水楔长度增加随着时间的推移而增加,在早期的每一阶段，海水楔子快速增加，当即将达到平衡时，向内陆水楔传送速度慢，甚至降至零。实验还表明，当在未抽水阶段海水入侵达到平衡状态时，在承压完整井1以小流量Q1抽水时，海水会二次发生入侵，直至达到新的平衡状态；当海水入侵处于平衡状态时，继续在抽水井1以大流量Q2抽水时，海水继续向内陆运移，直至形成新的平衡，此现象表明，在滨海地区开采地下水，会加剧海水入侵发生，并且地下水超采量越大，海水入侵越严重。当向陆边界淡水位固定在95cm时，海水楔长度最小，在未抽水阶段细砂为195cm，粗砂为242cm；而当向陆边界淡水位固定在85cm时，在未抽水阶段，海水楔长度在细砂中为242cm，在粗砂中为252cm，表明滨海地区地下水水位越低，海水入侵越严重。

无论是在未抽水阶段，还是在以Q1或Q2抽水阶段，在每个入侵阶段开始时，楔形前端的平均变化率最大。每个海水入侵在实验阶段,初始海楔长度变化率的降低率均高于即将达到平衡状态时的下降速度，并且在平衡状态时，各组实验的海水楔长度变化率均接近于零，表明可以根据海水楔长度变化率随时间的变化来判断海水入侵是否达到稳定状态。各组实验海水入侵在平衡状态时的特征值，见表1。

4 结 语

从以上3组实验海水楔长度和面积随时间的变化也能明显看出，在未抽水阶段中，在海水入侵过程中，海水楔面积比海水楔长度的变化要平稳；而在快要接近平衡状态时，海水楔长度比海水楔面积的稳定要来的早[9]。但是从三组实验随后在以Q1=1L/min或Q2=2L/min抽水阶段，海水楔的长度变化比海楔的面积稳定，当即将达到平衡状态时，海水楔的面积比海楔的长度更早变得稳定[10]。

在海水入侵未抽水与抽水阶段，海水楔长度和面积形成及稳定出现快慢变化的原因在于：当在未抽水条件下海水入侵开始时，在细砂和粗砂中海水楔均呈直线型，表明咸淡水界面的变化幅度较剧烈，因此海水楔长度比海水楔面积的形成和稳定要平稳；而在以Q1=1L/min或Q2=2L/min抽水阶段海水二次入侵过程中，在细砂和粗砂中海水楔均呈下凹的抛物线，此时海水楔前端的形成及稳定成为了海水入侵是否最终达到稳定状态的决定性因素[10]。