基于不同開采條件下海水入侵預測及地下水開采方案探析

2020-05-21 05:47許海東

水利規(guī)劃與設計 2020年5期

許海東

(遼寧省營口水文局，遼寧營口 115003)

1 概況

研究區(qū)內的主要地表水體為大清河地表水系，河床寬度約20～300m。大清河發(fā)源于營口市東部山區(qū)，流域面積1468km2。為監(jiān)測大清河的水位、流量、流速等，1959年在大清河中下游修建望寶山水文監(jiān)測站。根據望寶山水文監(jiān)測站多年觀測，平均最大徑流量57m3/s，最小徑流量0.316m3/s，徑流隨季節(jié)變化明顯。為調節(jié)大清河徑流量隨季節(jié)的變化，在其上游修建石門水庫。此外，在大清河下游修建了一座集蓄水、灌溉、擋潮為一體的攔河閘。

研究區(qū)內潛水含水層的主要補給來源主要有大氣降水入滲、河流側向補給和山前地下水徑流補給以及下伏碳酸鹽巖巖溶水的頂托補給、山前沖洪積扇的側向徑流補給和開采條件下的越流補給[1]。含水層接受河流側向補給、大氣降水入滲補給等多項補給后，沿地勢自東向西徑流，徑流速度隨著含水層厚度、透水性和地形的變化而變化，在濱海地帶含水介質的顆粒逐漸變小，透水性相應減小，地下水徑流也隨之減緩。天然狀態(tài)下，大清河流域在上游河段地下水向河流排泄，在下游河段枯水期受地下水補給，豐水期河水補給地下水。隨著工農業(yè)發(fā)展，用水需求增加，大清河流域先后修建了四個水源地，井深較大，均分布在第四含水層中，自上游至下游依次是：①團甸水源地，共有19口井，其中研究區(qū)涵蓋4口；②化纖水源地，有8口井；③蓋州二三水源地，有13口井；④永安水源地，有18口井。此外，還有大量農業(yè)機電井，井深較小，主要分布在第二含水層中。自修建水源地開采井和農業(yè)機電井以來，人工開采已經成為地下水最主要的排泄方式。由于農業(yè)灌溉用井和水源地開采井對地下水大量開采，地下水位低于河水水位，研究區(qū)地下水不再向河流排泄，而是長時間受河流補給。由于河流補給速度和補給量有限，在水源地開采井和農業(yè)灌溉井廣泛分布的永安水源地附近形成降落漏斗。

2 攔河閘對海水入侵的調控作用分析

變密度地下水流動數學模型可以近似反映該區(qū)真實的水文地質條件，因此本文利用該模型對研究區(qū)進行模擬預測[2]。假設大清河河道上沒有修建攔河閘，其他條件不變，對研究區(qū)1991—2015年數據進行模擬分析。模擬結果表明，沒有修建攔河閘時降落漏斗中心地下水埋深比修建有攔河閘時低2m。為分析攔河閘的調控作用，在距離攔河閘附近，分別選取南岸距離大清河1km的P1點和2km的P2點對其水位變化進行對比分析，如圖1—2所示。

圖1 地下水觀測點分布圖

圖2(a)和圖2(b)分別是P1和P2點水位變化圖，從圖中可以看出，距離攔河閘較近的P1點水位變化受攔河閘的控制影響較大，距離較遠P2點相對較弱，有、無攔河閘水位變化趨勢相同。圖2(c)和圖2(d)是第一層P1和P2點的Cl-濃度變化對比曲線，圖2(e)和圖2(f)是第四層P1和P2點的Cl-濃度變化對比曲線，比較P1和P2兩點Cl-濃度的變化，距離攔河閘較近的P1點受攔河閘影響較大，距離較遠的P2點受攔河閘作用減弱。對比第一層和第四層的同一點Cl-濃度變化，可以看出攔河閘對第一層的控制具有即時性，對于第四層的影響則具有滯后性。

由上述分析可以看出，攔河閘不但可以調控地表水流，還可以通過水位控制間接影響下層水位變化從而影響海水入侵面積。不同含水層海水入侵面積統(tǒng)計結果見表1。

表1 2015年有、無攔河閘分層入侵面積對比

由表1可以看出，攔河閘對每一層的調控作用不同。通過對地表水進行控制，較大地影響攔河閘周邊地下水，由于研究區(qū)河道附近整體滲透系數較大，層間補給明顯，因此攔河閘能夠間接影響下層入侵面積[3]。

圖2 有無攔河閘選點水位濃度對比圖

3 不同攔河閘長度海水入侵預測

根據上述分析結果，可以看出攔河閘對研究區(qū)的海水入侵有明顯的調控作用，因此拓寬攔河閘可以作為研究區(qū)回退海水入侵的一項措施。假設模型各項水文地質參數不變，降水入滲量取多年降水量的平均值進行賦值，蒸發(fā)量忽略不計；選取2015年11月地下水流動和Cl-濃度場作為初始條件；水源地開采量采用2015年壓采方案完成后的開采量，農田灌溉井開采量不再增加。設置地下水流運動和溶質運移預測模擬期為20年，即2015年11月—2035年11月，分別對攔河閘長度300(不拓寬)、600、1000、2000m等情況進行模擬預測。

選取有無攔河閘對比時的距攔河閘較近的點P1，以及2015年11月降落漏斗中心P3，分析不同攔河閘長度條件下P1和P3的水位變化，如圖3所示?？梢钥闯鼍嚯x攔河閘較遠的點P3受攔河閘拓寬的影響較小，水位抬升之間的差距在0.1m左右，在現有開采條件下，降落漏斗中心水位迅速抬升至-7m左右，后在-2～-3m之間緩慢增長，逐漸趨于穩(wěn)定。距離攔河閘較近的P1點受攔河閘的影響相對較大，水位抬升與攔河閘的長度呈明顯的正相關。

為分析不同攔河閘長度對海水入侵面積的調控作用，選取1、5、10、20年預測結果分層統(tǒng)計海水入侵面積的變化，見表2—5。關于單層最大回退比例的計算，設定最大入侵面積為ΔAmax，任意時間點的入侵面積為ΔAt，則海水入侵回退比例δ=(ΔAmax-ΔAt)/ΔAmax×100%。從表中可以看出攔河閘拓寬在短時間內對研究區(qū)整體海侵面積的回退作用并不明顯，其原因可能是入侵面積距離攔河閘較遠。

為進一步分析攔河閘的作用，在已入侵區(qū)對O1、O2、O5、O6四個點的單點濃度變化進行分析，結果如圖4所示。其中O1點是最接近250mg/L入侵線的點，且距離攔河閘較遠，在內陸降落漏斗恢復的過程中，以入侵的高水位咸水向內陸補給，單點濃度增大，上游水位等于或高于該點水位時，該點濃度平穩(wěn)或降低。O2距離250mg/l等值線稍遠，在內陸地下水位抬升的過程中先向內陸補給，水位抬升后被高水位淡水驅替，濃度逐漸減小[4]，該點濃度變化受攔河閘拓寬長度影響較大，單點濃度二十年降低5%～17.74%不等。位于大清河北岸的O5和O6點在大清河北岸，距離攔河閘較遠，受其影響不大，接受高水位淡水的自然驅替。

表2 不同攔河閘長度1年后分層入侵面積統(tǒng)計

表3 不同攔河閘長度5年后分層入侵面積統(tǒng)計

表4 不同攔河閘長度10年后分層入侵面積統(tǒng)計

表5 不同攔河閘長度20年后分層入侵面積統(tǒng)計

圖3 不同攔河閘長度選點水位比較

圖4 不同攔河閘長度單點Cl-濃度變化

研究區(qū)水源地開采量進行壓釆后總開采量不超過900萬m3/a，農業(yè)用井開采量沒有進行控制，開采量約2500萬m3/a；降雨補給量約1700萬m3/a，側向補給約400萬m3/a，河流流量約2500萬m3/a。其中河流流量并不能完全補給地下水，當兩岸水位低于河水位時，河水向兩岸補給地下水，當河流兩岸地下水高于河水位時，地下水不再接受河水的補給，甚至向河流排泄，河水越閘向海洋排泄。壓釆之后，地下水水位恢復過程中，河水大量補給地下水，隨著地下水位的抬升，適量河水補給周邊開采井開采，多余河水排泄入海[5]。此時，適當拓寬攔河閘可以增大淡水資源的儲存量，抬升攔河閘周邊地下水水位，增大淡水驅替咸水的水力梯度。因此，當研究區(qū)開采總量小于水資源總量時，可以通過拓寬攔河閘等措施增大淡水儲存量[6- 8]，讓淡水排泄入海的方式由地表徑流變?yōu)榈叵聺B流，既保證內陸淡水開采的需要又可以驅替已入侵咸水。

4 不同開采條件下海水入侵預測

模型各項水文地質參數不變，降水入滲量取多年降水量的平均值進行賦值[9]，蒸發(fā)量忽略不計，選取2015年11月地下水流場和Cl-濃度場作為初始條件，地下水流運動和溶質運移預測模擬期為20年，即2015年11月—2035年11月。在此設定了5種地下水開采量方案：①關停所有水源地開采井(開采量減少900萬m3/a)；②封閉所有農業(yè)開采井(開采量減少2500萬m3/d)；③兩種開采井各封閉關停一半(開采量減少1700萬m3/a)；④兩種開采井的開采量各壓釆一半(開采量減少1700萬m3/a)；⑤禁采(即關停所有開采井，開采量為0)?；谝陨?種地下水開采方案進行模擬預測。

不同開采方案條件下，研究區(qū)內未來1、5、10、20年的分層未入侵面積進行統(tǒng)計分析得到表6—9。由于潮汐作用影響，第一層的入侵面積不做對比分析。對比上述攔河閘長度為300m的模擬結果，可以直觀地看出由于總開采量減少，研究區(qū)入侵面積減少。研究區(qū)總開采方案，①>③=④>②>⑤，由表6—9可以看出，回退比例與開采量直接相關，進行壓釆后地下水位抬升，原來指向內陸的水力梯度重新指向海洋，海水入侵回退，回退速率由水力梯度大小決定，回退比例與回退時間呈線性相關。

為進一步分析單點濃度變化受開采量不同的影響，在入侵區(qū)選取4個點O1、O2、O5、O6進行分析，結果如圖5所示。從圖5可以看出，這4個點整體上單點濃度下降速度和開采量呈負相關，禁采時各點20年濃度下降在20%左右。方案③和方案④開采量相同，但O1點與其他3點的濃度變化不同，原因是O1點附近存在一個開采井，方案③和方案④開采量分別是0m3/d和350m3/d，方案③開采量小于方案④，因此在O1點方案③濃度下降速度大于方案④。