魏 楊， 鄭西來(lái)

(中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100)

大沽河地下咸水抽咸注淡原位試驗(yàn)研究?

魏 楊， 鄭西來(lái)??

(中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100)

大沽河下游截滲墻的修建有效地阻止了濱海咸水向地下水源地的入侵，但是截滲墻內(nèi)側(cè)局部滯留的地下咸水仍然影響著地下水的開(kāi)采。為了進(jìn)一步修復(fù)滯留的地下咸水，本文選取大沽河下游截滲墻以北1.2km2咸水含水層為示范區(qū)，通過(guò)“抽咸注淡”原位試驗(yàn)，人工修復(fù)地下咸水。試驗(yàn)結(jié)果表明：抽水井群抽出地下咸水引起地下水的運(yùn)移；注水井群形成淡水帷幕，阻止東側(cè)高電導(dǎo)率咸水的對(duì)流，同時(shí)注入的淡水對(duì)地下咸水進(jìn)行驅(qū)替與淡化，加速咸水體的排出?！俺橄套⒌奔夹g(shù)能夠有效修復(fù)地下咸水體。

咸水含水層； 抽咸注淡； 原位修復(fù)

隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)迅速發(fā)展，淡水需求量不斷增大。在沿海地區(qū)過(guò)度開(kāi)采地下水資源會(huì)引起地下水位的持續(xù)下降，并導(dǎo)致大面積的海水入侵。大沽河下游是青島市重要的水源地，1990年代末，為阻止海水入侵，政府出資在麻灣莊附近修建了一道4km長(zhǎng)的地下水庫(kù)截滲墻，有效阻止了海水入侵面積的進(jìn)一步擴(kuò)大。然而，截滲墻內(nèi)仍存在15.67m2的地下咸水滯留在潛水含水層，在天然條件下難以恢復(fù)[1]。

Luyun R Jr.等[2]通過(guò)室內(nèi)砂槽實(shí)驗(yàn)，研究了不同條件下截滲墻內(nèi)地下咸水的變化，結(jié)果顯示自然補(bǔ)給下，截滲墻截留的地下咸水能夠逐漸恢復(fù)。然而，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明[3]，大沽河下游截滲墻的建成阻斷了下游海水的繼續(xù)入侵，但截滲墻以北地下水水質(zhì)氯化物含量仍超標(biāo)，且個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)比建設(shè)前偏高的結(jié)果。滯留的地下咸水導(dǎo)致地下水源地?zé)o法正常開(kāi)采，影響到人類的生產(chǎn)和生活。

針對(duì)地下咸水的修復(fù)和治理的研究，國(guó)內(nèi)外主要集中在數(shù)值模擬上。李白玲和毛昶熙[4]對(duì)截滲墻控制條件下均質(zhì)含水層中咸水體的單井注水恢復(fù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的數(shù)值模擬。韓志勇[5]則應(yīng)用Visual-MODFLOW，對(duì)大沽河下游地下咸水的恢復(fù)方案進(jìn)行了數(shù)值分析。美國(guó)在加利福尼亞帕羅阿爾托地區(qū)建立了抽水-注水系統(tǒng)，首先在咸水體下游建立注水帷幕截?cái)嘞趟畞?lái)源，然后通過(guò)抽水排除咸水體[6]。Berens V等[7]為了改善澳大利亞Clarks Floodplain區(qū)域地下水環(huán)境，降低地下水電導(dǎo)率，進(jìn)行了為期45 d的人工回灌，結(jié)果顯示回灌效果并不明顯。Alaghmand S等[8]在此基礎(chǔ)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時(shí)間對(duì)咸水修復(fù)的影響。此外，近些年來(lái)，含水層補(bǔ)給管理(Managed Aquifer Recharge，MAR)及含水層儲(chǔ)存與恢復(fù)(Aquifer Storage and Recovery，ASR)也越來(lái)越受到人們的關(guān)注，其主要目的是在一定時(shí)期，將多余的地表水資源注入地下，儲(chǔ)存起來(lái)，并在后期抽出加以利用[10-11]。

咸水體修復(fù)的室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬較多，但是原位修復(fù)的工程示范較少，缺乏了對(duì)場(chǎng)地條件下工程修復(fù)效能的準(zhǔn)確評(píng)估。本文選擇青島市大沽河下游截滲墻以北1.2km2咸水含水層作為示范區(qū)，采用“抽咸注淡”技術(shù)對(duì)區(qū)域內(nèi)地下咸水體進(jìn)行人工修復(fù)，考察咸水體人工修復(fù)的效果，為地下咸水體原位修復(fù)提供了科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)環(huán)境概況

滯留的地下咸水體位于大沽河下游的青島市李哥莊鎮(zhèn)附近(見(jiàn)圖1)。東西至大沽河河谷邊緣，北起周家村-周臣屯-小窯一線，南至麻灣莊截滲墻一帶，距膠州灣12km。該地區(qū)位處北暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫為12.5 ℃，8月份氣溫最高，1月份最低；多年平均降水量約為760mm，年際變化大，年內(nèi)分配不均，多集中在6～9月份；多年平均蒸發(fā)量為1 007mm，是多年平均降雨量的1.5倍。研究區(qū)地形變化總趨勢(shì)為北高南低，且起伏平緩。

研究區(qū)地質(zhì)屬第四系沖積-沖洪積層，為雙層結(jié)構(gòu)，上部土層厚度一般情況下為2～5m，其巖性主要有黏質(zhì)砂土、砂質(zhì)黏土、黏土以及“天窗”，其中“天窗”面積最??；下部土層為不同粒徑的砂及砂礫石，為非均質(zhì)各向同性含水介質(zhì)，厚度一般為5～10m。含水介質(zhì)粒徑變化由深部向淺部變細(xì)，從東西兩側(cè)向河谷中心逐漸變粗；但在縱向上，從北到南的變化規(guī)律不明顯。含水砂層的下部主要是黏土巖和玄武巖，兩者的透水性都很弱，視為不透水層。研究區(qū)地下水的補(bǔ)給主要來(lái)源于大氣降水、河流補(bǔ)給及灌溉水入滲；由于截滲墻的存在，地下水排泄方式主要是工農(nóng)業(yè)開(kāi)采及蒸發(fā)。

圖1 示范區(qū)位置示意圖

咸水體原位修復(fù)試驗(yàn)的示范區(qū)位于李哥莊鎮(zhèn)黃家屯東部，面積約為1.2km2，其位置如圖1中所示。示范區(qū)西部為居住地，其余區(qū)域以種植糧食作物為主，每年10月份種植小麥，7月份種植玉米。該區(qū)域地下水主要用途為農(nóng)業(yè)灌溉，另有部分開(kāi)采用于非飲用類居民生活用水。季節(jié)性河流小新河是示范區(qū)內(nèi)的主要河流，其多段地方常年處于斷流狀態(tài)，河流底部主要為淤泥，河流與地下水的水力聯(lián)系較小。

2 抽咸注淡原位修復(fù)試驗(yàn)

2.1 抽-注水井及觀測(cè)井鉆探與試驗(yàn)場(chǎng)布置

2010年12月底，開(kāi)始在示范區(qū)內(nèi)進(jìn)行打井工作，相繼完成5口抽水井、6口注水井和8口觀測(cè)井，井群布置如圖2中所示。抽-注水井呈南北縱向分布，且所有注水井位于抽水井的東部；而觀測(cè)井均勻地分布在整個(gè)示范區(qū)。

所有的抽-注水井及觀測(cè)井均為完整井，貫穿了整個(gè)含水層。抽-注水井采用直徑500mm水泥套管，而觀測(cè)井采用直徑110mm的聚乙烯套管。所有井的深度在13.5～19.0m之間，過(guò)濾網(wǎng)長(zhǎng)度在5.5～13.0m之間。

在鉆井的同時(shí)，用工程地質(zhì)鉆探對(duì)代表性測(cè)點(diǎn)進(jìn)行縱向取樣，用以確定示范區(qū)內(nèi)的地質(zhì)特征。示范區(qū)內(nèi)O6、A3及O8點(diǎn)附近地層結(jié)構(gòu)如圖3所示。示范區(qū)內(nèi)地層為典型的二元結(jié)構(gòu)，上覆巖層為黏質(zhì)砂土，厚度為6.5～8.0m，且東部厚度比西部??；下部含水層結(jié)構(gòu)為典型的中粗砂，含水層厚度基本在10～12.5m之間，部分地區(qū)8.5m；上下含水層之間為一層厚度較小的黏質(zhì)砂土層；含水砂層以下分別是礫石層和強(qiáng)風(fēng)化泥巖層，礫石層厚度較小，基本為1m。野外抽水試驗(yàn)顯示，該地區(qū)含水層滲透系數(shù)約為30m/d，符合中粗砂的滲透系數(shù)范圍。水文地質(zhì)鉆探結(jié)果表明，示范區(qū)地層結(jié)構(gòu)基本類似。

圖2 抽-注水井和觀測(cè)井位置分布示意圖

圖3 研究區(qū)內(nèi)O6、A3、O8井鉆孔柱狀圖

2.2 咸水體修復(fù)的試驗(yàn)方案

示范區(qū)地下咸水體的原位修復(fù)試驗(yàn)從2011年9月18日開(kāi)始，到2011年10月8日結(jié)束，為期20 d。“抽咸注淡”原位修復(fù)系統(tǒng)由5口抽水井和6口注水井組成。在抽水井A1-A5中分別放入兩臺(tái)潛水泵(QY25-26-3型潛水泵，上海陸滬泵業(yè)，額定功率3 kw，額定流量25m3/h，抽水揚(yáng)程26m)，進(jìn)行連續(xù)抽水，每個(gè)井抽水速率為35m3/h左右，抽出的地下咸水排泄至路邊的溝渠；同時(shí)用潛水泵(QY15-26-2.2型潛水泵，上海陸滬泵業(yè)，額定功率2.2kw，額定流量15m3/h，抽水揚(yáng)程26m)從周邊地表水體中(池塘水、小新河水等，其電導(dǎo)率為1 900左右)連續(xù)抽水并注入注水井I1-I6中。試驗(yàn)開(kāi)始前，利用地下水位測(cè)量尺(102型水位尺，加拿大Solinst公司，精度1mm，量程25m)測(cè)定示范區(qū)內(nèi)所有抽-注水井及觀測(cè)井的水位，并采集水樣，利用哈希便攜式電導(dǎo)率儀測(cè)定地下水電導(dǎo)率，確定示范區(qū)內(nèi)地下水電導(dǎo)率背景值。在為期20 d的原位修復(fù)試驗(yàn)中，分別于每日7、14和21時(shí)測(cè)定每個(gè)井的水位和地產(chǎn)水電導(dǎo)率。同時(shí)，每日14時(shí)采用三角堰法計(jì)算抽-注水井的實(shí)際抽-注水速率。

2.3 結(jié)果與分析

“抽咸注淡”原位修復(fù)試驗(yàn)中抽水井及注水井的水位變化分別如圖4和5所示。由圖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，僅3 h水位降深達(dá)到3.2m，隨后水位下降速度開(kāi)始減緩，在試驗(yàn)進(jìn)行到第5天時(shí)，抽水井平均降深達(dá)到最大，為5.4m。而后5口抽水井水位趨于穩(wěn)定，隨著抽水流量的變化有少許波動(dòng)。9月29日，由于總控制電箱關(guān)閉，所有潛水泵停止工作8 h，各個(gè)抽水井的水位均有一次較大的突升。當(dāng)各個(gè)抽水井重新開(kāi)始工作后，抽水井平均水位降深又恢復(fù)到4.4m左右。20 d的試驗(yàn)過(guò)程中共抽出8.6×103m3的地下咸水。

圖4 5 口抽水井平均抽水速率及平均水位降深隨時(shí)間的變化曲線

在5口抽水井工作的同時(shí)，示范區(qū)東部6口注水井也在同時(shí)工作。如圖5所示，6口注水井平均注水速率在11m3/h左右。開(kāi)始注水時(shí)，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；隨著注水井注水速率的升高和抽水井抽水速率的下降，注水井水位逐漸升高并趨于穩(wěn)定，平均水位抬升達(dá)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；潛水泵重新工作后，注水井平均水位抬升又恢復(fù)到1.2m左右。

注水井中水位的不斷抬升表明含水層可能開(kāi)始發(fā)生堵塞。試驗(yàn)過(guò)程中，注水水源為小新河河水和池塘水，雖然已經(jīng)去除其中所含的較大懸浮物，但是仍含有顆粒較小的泥沙和繁殖能力強(qiáng)的細(xì)菌，容易引起物理堵塞和生物堵塞。因此，在10月5日下午，采用空氣壓縮機(jī)對(duì)注水井I5和I6進(jìn)行反沖洗，反沖洗進(jìn)行8～10min時(shí)，出水瞬間變混濁，有些出水甚至呈黑色泥漿狀，表明生物堵塞非常嚴(yán)重。反沖洗至出水重新變清為止，每眼井至少反沖洗40min。反沖洗后，重新開(kāi)始注水。

圖5 6口注水井平均注水速率及平均水位抬升隨時(shí)間的變化曲線

反沖洗處理只能減緩注水井堵塞的發(fā)生，為了防止注水井堵塞，提高注水效率，應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)注水水源進(jìn)行處理。

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程，共有3.4×103m3的地表水注入到含水層中。

各個(gè)觀測(cè)井地下水水位隨時(shí)間的變化如圖6所示?！俺橄套⒌痹囼?yàn)開(kāi)始時(shí)，距離注水井I2最近的觀測(cè)井O8水位略有升高，而后趨于穩(wěn)定，變化不大；而距離抽水井群最近的觀測(cè)井O7水位逐漸下降，水位由2.75降至1.75m，降幅達(dá)到1m；抽水井群西側(cè)的觀測(cè)井O6及O3水位基本沒(méi)有變化。2011年9月28日，示范區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大范圍降雨，持續(xù)時(shí)間達(dá)14 h，地下水水位均有所升高，1天內(nèi)O6、O3、O8地下水水位分別升高了0.2、0.2和0.3m；29日抽-注水井停止工作8 h，降雨及停止抽水導(dǎo)致O3觀測(cè)井地下水水位升高了0.7m。試驗(yàn)恢復(fù)后，觀測(cè)井O7、O8地下水水位又逐漸下降，O7降幅更大，連續(xù)運(yùn)行2天后，地下水水位變化趨于穩(wěn)定。

圖6 觀測(cè)井O6、O3、O7及O8中地下水水位隨時(shí)間的變化曲線

圖7顯示了咸水體人工修復(fù)過(guò)程中各個(gè)觀測(cè)井地下水電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化。由圖可以看出，只有位于抽水井群和注水井群之間的觀測(cè)井O7地下水電導(dǎo)率有所下降，其電導(dǎo)率從試驗(yàn)前的3057μS/cm降至1862μS/cm。剛開(kāi)始時(shí)，O7地下水電導(dǎo)率變化不明顯，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，電導(dǎo)率逐漸下降，在第8天時(shí)降至1900μS/cm并趨于穩(wěn)定；9月29日，抽注水井停止工作，O7地下水電導(dǎo)率迅速升高，達(dá)到2873μS/cm，潛水泵重新工作后，其電導(dǎo)率又逐漸下降。觀測(cè)井O6和O3的地下水電導(dǎo)率在試驗(yàn)初期稍有減少，而后變化不明顯，兩者的平均值分別為1 728和1 861 μS/cm。注水井東側(cè)的觀測(cè)井O8始終保持較高的電導(dǎo)率(>4000μS/cm)，I3的持續(xù)注水使得觀測(cè)井O8處地下水電導(dǎo)率略有下降，但程度很小。

總的來(lái)說(shuō)，在示范區(qū)進(jìn)行的地下咸水體原位試驗(yàn)具有一定的修復(fù)效果。5口抽水井抽出了井附近含水層中的地下咸水，而注水井的連續(xù)注水形成了淡水帷幕，阻止了示范區(qū)東部高電導(dǎo)率地下水向西部對(duì)流，注入的淡水在抽水井的作用下向西流動(dòng)，但它只影響到注水井附近的小范圍區(qū)域。

在試驗(yàn)過(guò)程中，抽注水井停止工作了8 h，此段時(shí)間，東部高電導(dǎo)率地下水向西對(duì)流，導(dǎo)致前期人工修復(fù)初有成效的區(qū)域中地下水的電導(dǎo)率突然增高，影響到咸水區(qū)人工修復(fù)的效果。同樣的，整個(gè)試驗(yàn)結(jié)束一段時(shí)間后，示范區(qū)各個(gè)觀測(cè)井地下水電導(dǎo)率又基本恢復(fù)到初始狀態(tài)。這說(shuō)明地下咸水體的人工修復(fù)需要很長(zhǎng)的時(shí)間，短期的“抽咸注淡”能夠取得一定效果，但由于附近咸水體的存在，不能持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。此外，本次示范研究選擇在大沽河下游截滲墻以北3km處的黃家屯附近進(jìn)行，該地區(qū)配套設(shè)施齊全，抽注水管道鋪設(shè)方便，有利于“抽咸注淡”試驗(yàn)的進(jìn)行，然而該區(qū)地下水處于咸淡水過(guò)渡帶，示范區(qū)東北部含水層賦存大量的高電導(dǎo)率咸水，進(jìn)一步的咸水體人工修復(fù)首先要從此片區(qū)域含水層開(kāi)始。

圖7 觀測(cè)井O6、O3、O7及O8中地下水電導(dǎo)率隨時(shí)間的變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文選取大沽河下游截滲墻以北1.2km2咸水含水層為示范區(qū)，采用“抽咸注淡”技術(shù)對(duì)區(qū)域內(nèi)地下咸水體進(jìn)行了人工修復(fù)，取得了一定的效果，具備一定的可行性。抽水井群抽出地下咸水，引起地下水的運(yùn)移；注水井群形成淡水帷幕，阻止東側(cè)高電導(dǎo)率咸水的對(duì)流，同時(shí)注入的淡水對(duì)地下咸水進(jìn)行驅(qū)替與淡化，加速咸水體的排出。然而，當(dāng)抽注水井停止工作時(shí)，東側(cè)高電導(dǎo)率地下水向示范區(qū)運(yùn)移，使得示范區(qū)內(nèi)地下水電導(dǎo)率回到試驗(yàn)前，影響到咸水體原位修復(fù)的效果。

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責(zé)任編輯 龐 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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41172209)；水利部公益性行業(yè)科技專項(xiàng)(201301090)資助 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 楊(1989-)，男，博士生，現(xiàn)從事水資源保護(hù)與水污染控制研究。E-mail：weiyangvv@126.com

?? 通訊作者：E-mail:zhxlai@ouc.edu.cn

P641.2; X523

A

1672-5174(2017)01-026-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20160098

魏楊， 鄭西來(lái). 大沽河地下咸水抽咸注淡原位試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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.