季智靈, 周晨琦, 趙忠偉, 孔 俊

水庫對海岸帶海水入侵影響的數(shù)值模擬研究

季智靈, 周晨琦, 趙忠偉, 孔 俊

(河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室, 江蘇 南京 210098)

修建海岸水庫是滿足濱海地區(qū)淡水資源的保障的一個重要方式, 為了進一步分析海岸水庫的建立對濱海含水層的海水入侵的影響, 采用SUTRA(saturated-unsaturated transport)模型建立具有代表性的二維海岸模型開展定量和定性研究, 結(jié)果表明: 潮汐作用抑制底層鹽水楔的入侵, 加快海陸物質(zhì)交換; 實例中計算表明建壩后, 海岸水庫壩體的建立加劇了海水入侵; 水庫水位在平均海平面以下時, 潮汐動力因素占主導(dǎo), 海水入侵嚴(yán)重且隨著水位抬高, 海水入侵程度基本保持不變, 應(yīng)注意海水入侵的防治; 庫區(qū)水位在平均海平面以上時, 海水入侵程度隨著庫區(qū)水位的抬高而減少, 可以調(diào)節(jié)水庫水位進行濱海含水層的海水入侵的防控; 海岸水庫在建設(shè)中存在一個控制水位, 當(dāng)水庫水位在控制水位以上, 庫區(qū)水體鹽度和含水層淡水儲量能得到保證; 庫區(qū)高水位時內(nèi)陸物質(zhì)運移時間較長, 運移區(qū)域較廣, 氮類污染物易在庫底含水層堆積, 需重視含水層的地下水污染防治。

海水入侵; 鹽水楔; 海岸水庫; 物質(zhì)輸運

近年來, 在濱海地區(qū), 經(jīng)濟的快速發(fā)展加劇了水資源短缺的問題, 中國、韓國和新加坡等國家修建了大量海岸水庫工程來提供淡水資源[1]。而在濱海地區(qū), 海水入侵問題廣泛存在, 并且成為海內(nèi)外學(xué)者研究的重點。海水入侵會導(dǎo)致土壤鹽漬化, 地下水水質(zhì)惡化等問題, 這都是制約濱海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要因素[2-3], 海水入侵的防治日趨關(guān)鍵, 常見的防治工程有淡水帷幕工程和地下壩工程[4]。海岸水庫的建立改變了海岸水文地質(zhì)環(huán)境, 對海水入侵的程度有著一定的影響[5]。為此深入研究海岸水庫建設(shè)下, 海水入侵的影響方式和程度, 并進行海水入侵的防治尤為必要。

海水入侵的研究聚焦于咸淡水界面的形狀、運移機理和規(guī)律, 研究海水入侵的方法之一是建立數(shù)值模型來討論, 一種是突變界面模型[6-8], 另一種是過渡帶模型[9-11]。Robinson等[12]采用有限元法模擬了地下河口地下水流動和鹽分運移過程, 武雅潔等[13]使用OpenGeoSys軟件模擬了潮汐波動對海水入侵規(guī)律的影響, Nishikawa等[14]使用過渡帶模型中的SUTRA模型研究了洛杉磯多明戈斯地區(qū)的海水入侵, Mahmoodzadeh等[15]利用SUTRA建立了模型, 對海島淡水透鏡體的海水入侵進行了研究。本文采取的模型咸淡水過渡帶較寬且由于過渡帶模型能夠反映復(fù)雜水文地質(zhì)條件、人為活動條件等諸多因素下的水流流動和溶質(zhì)遷移, 故采用過渡帶模型中的SUTRA模型[16]。

21世紀(jì)以來, 許多學(xué)者對海岸水庫與海水入侵的關(guān)系展開了大量的研究, 一方面聚焦于海水入侵對水庫水質(zhì)的影響, Liang等[17]通過同時求解地表水和地下水方程來模擬瀉湖的鹽度變化, Mao等[18]使用Delft3D在沿海水庫中模擬了海水淡化過程; 另一方面也有許多學(xué)者研究了海岸水庫對海水入侵的影響, Jin等[5]指出當(dāng)干旱時期水庫水位低時, 海水更有可能侵入水庫, Mehdizadeh等[19]通過物理模型試驗和數(shù)值模擬研究了淡水庫的建立對咸淡水界面的影響。對于海岸水庫對海水入侵的研究大部分沒有考慮潮汐作用, 而在潮汐作用下, 海水入侵的程度和方式發(fā)生改變, 會形成上混合區(qū)[20-23], 加快海水與淡水循環(huán), Xin等[24]指出潮汐減弱了含水層—海洋界面上的水通量相位滯后效應(yīng), 加強了鹽通量的相位滯后效應(yīng)。Robinson等[12]指出潮汐形成的上混合區(qū)具有環(huán)流特征, 增加了入海地下水水量。

本文采用SUTRA模型建立具有代表性的二維海岸剖面模型, 考慮了潮汐作用, 并分不同庫區(qū)水位進行數(shù)值模擬研究, 以找出庫區(qū)水位和海水入侵的關(guān)系, 為修建海岸水庫地區(qū)的海水入侵防治提供參考。

1 數(shù)值模型

1.1 控制方程

由美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)出來的飽和帶/非飽和帶運移模型SUTRA(saturated-unsaturated transport)采用了有限元法和有限差分法, 來求解地下水的兩個物理過程, 一是飽和和非飽和地下水流動, 二是能量或者溶質(zhì)在含水層多孔介質(zhì)中的運移, 來解決地下環(huán)境中水流溶質(zhì)和鹽度的飽和和不飽和運輸。

SUTRA模型的二維有限元地下水流動控制方程如式(1)所示:

SUTRA的溶質(zhì)運移方程如式(2)所示:

式中:為水動力彌散常量,為流體鹽度,*為源流體鹽度。

根據(jù)Van Genuchten[25]提出的經(jīng)驗公式, 非飽和土壤的水力參數(shù)由下式確定:

式中:和為形狀系數(shù);s為飽和系數(shù);wres為孔隙水殘余飽和度。

1.2 概念模型

海岸水庫指修建在海岸地區(qū)的水庫, 其主要作用是利用其堤壩抵擋海水, 并蓄積淡水, 為濱海地區(qū)提供淡水資源。為研究海岸水庫對海水入侵造成的影響, 本文對研究模型進行了概化, 構(gòu)建了一個概化的海灘剖面進行研究, 在低潮位處設(shè)立壩體, 壩后蓄淡, 形成海岸水庫。如圖1所示, 建模時將平均海平面與海岸的交點設(shè)為(150, 20), 在(155, 19)處設(shè)置壩體, 壩高4 m, 壩厚1 m,=30 m,=200 m,=100 m,=10 m。潮汐振幅=1 m, 周期=12 h。

圖1 概念模型圖

1.3 網(wǎng)格及參數(shù)設(shè)置

在SUTRA模型中將計算模型分剖分為了24 000個單元, 24 461個節(jié)點, 生成四邊形網(wǎng)格, 網(wǎng)格最小尺度為0.5 m, 在模型中假定為各向同性介質(zhì), 計算所采用的具體參數(shù)參照了Xin等[24]在模擬中使用的參數(shù), 見表1。

表1 液體及傳輸介質(zhì)參數(shù)表

1.4 邊界條件設(shè)置

如圖1所示, 模型左側(cè)邊界為內(nèi)陸邊界, 設(shè)為定水位邊界, 淡水水位為21 m, 右邊界為海向邊界, 底部邊界設(shè)為不透水邊界, 模型灘面位置的表面邊界考慮三種工況:

1) 無水庫、無潮汐情況, 我們把表面段設(shè)為定水頭定濃度邊界;

2) 無水庫, 有潮汐情況,段設(shè)為潮汐動力邊界;

3) 修建海岸水庫工況, 壩體為不透水邊界,為潮汐動力邊界, 其中段又考慮三種庫區(qū)水位情況: (a) 庫區(qū)不蓄水0 m, (b) 庫區(qū)水位為1 m, (c) 庫區(qū)水位為2 m, 都設(shè)置為定水頭零濃度邊界。

通過使用SUTRA運行計算模型, 得出每個節(jié)點的鹽度值, 流速, 繪制鹽度流場圖, 計算整個模型區(qū)域的鹽量, 分析計算結(jié)果, 總結(jié)規(guī)律, 分析不同水位的海岸水庫對海水入侵的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 潮汐對海水入侵的影響

首先對比潮汐作用對濱海地區(qū)含水層的鹽淡水分布情況, 以無潮穩(wěn)定狀態(tài)為初始狀態(tài), 模擬出有潮汐作用下的地下含水層的時均穩(wěn)態(tài)鹽度分布。模型中內(nèi)陸水位邊界為21 m, 以周期平均的方法繪制在一個周期內(nèi)含水層的鹽度分布, 并采用拉格朗日質(zhì)點法研究含水層物質(zhì)輸移特征, 在灘面和內(nèi)陸邊界分別釋放一定數(shù)量的粒子, 繪制其運動軌跡, 白線上的數(shù)字就是其從釋放點到排出點所經(jīng)歷的時間, 結(jié)果如圖2、圖3所示, 圖2是無潮汐條件下的穩(wěn)定狀態(tài), 圖3有潮汐條件下的穩(wěn)定狀態(tài)。圖中紅色代表的是海水, 黑線代表50%海水鹽度等值線(17.5)。將咸淡水界面(50%海水鹽度等值線即17.5)與底部邊界的交點稱為海水入侵點, 其與海向邊界的水平距離稱為海水入侵距離。

從圖3可以看出在潮汐條件下, 在潮間帶形成了上部混合區(qū)即USP(upper saline plume), 在潮汐作用下, 高潮期海水在灘面入滲, 并在低潮位線附近流出, 形成了較快的海水循環(huán), USP處的土壤和地下水的含鹽濃度較高, 在密度流作用下, 內(nèi)陸淡水出流通道被向下頂托, 從圖2可以看出無潮汐用下, 咸淡水過渡帶的寬度為2 m; 從圖3可以看出在潮汐作用下, 咸淡水過渡帶的寬度為10 m, 這說明了潮汐讓咸淡水混合作用加大。

圖2 無潮汐鹽度分布和粒子路徑

圖3 有潮汐鹽度分布和粒子路徑

進一步從圖3可以看出加上潮汐作用, 鹽水楔會向海側(cè)移動, 海水入侵距離從88.5 m減小到53.0 m, 即鹽水楔后退了35.5 m, 這是因為水流在USP和鹽水楔之間形成了較窄的淡水排泄通道, 此處的流速較大, 使得鹽分從鹽水楔下部加快稀釋流出到海洋, 同時形成了向海的水位梯度, 抑制了底層鹽水的入侵, 導(dǎo)致底層鹽水楔后退。通過計算整個模型的鹽量變化, 可以發(fā)現(xiàn)在無潮汐作用下的單寬鹽量為6.448×104kg/m, 潮汐作用下含水層的單寬鹽量為4.901×104kg/m, 減少了24.0%, 這也進一步說明了潮汐波動效應(yīng)降低了海水入侵的程度。

觀察粒子運移時間, 可以看出無潮汐作用下, 粒子先水平運動到咸淡水交界面, 然后在垂直坡面方向運動排出, 越靠近底部含水層的粒子所需時間越長。對比圖2和圖3可知, 由于潮汐作用形成了上混合區(qū), 并與鹽水楔之間形成了淡水排泄通道, 此處的流速較大, 加快了內(nèi)陸物質(zhì)輸運, 如從(0, 5)處釋放的粒子運移時間從575.1 d減少到436.8 d, 減少了24.0%。而灘面釋放的粒子運移時間由于鹽水楔的回退而減少。如從(170, 16)釋放的粒子運移時間從6 007.4 d減小到116.7 d, 減小了98%, 明顯減小, 一方面是因為鹽水楔后退, 縮短了質(zhì)點運移距離, 另一方面是因為潮汐作用促進了底層咸淡水的混合循環(huán)過程, 導(dǎo)致海側(cè)物質(zhì)在潛水層內(nèi)的輸移時間變短。

2.2 潮汐作用下海岸水庫工程對海水入侵的影響

為了研究海岸水庫工程對海水入侵的影響, 在有潮穩(wěn)定工況的基礎(chǔ)上, 考慮建庫工程。在低潮位點設(shè)立壩體, 將有潮汐時的穩(wěn)定狀態(tài)設(shè)為初始狀態(tài), 模擬3種水文情況, 分別是壩后蓄水0 m、1 m、2 m, 計算出建庫后的鹽度分布, 模型模擬的鹽度分布和粒子路徑如圖4—圖6所示。

首先對比圖3和圖4, 可以看出, 建壩以后, 鹽水楔向內(nèi)陸移動, 海水入侵距離增大, 這是因為壩體阻隔了海水與灘面, 潮汐無法作用于潮間帶, 灘面上層鹽水羽逐漸消失, 從穩(wěn)定后的流場看, 之前在鹽水羽和鹽水楔之間形成的較窄的淡水排泄通道消失, 流速變小, 淡水對下層鹽水楔的擠壓作用減弱, 因此鹽水楔前進。壩后蓄水0 m工況下的海水入侵距離為80.0 m, 增加了50.9%, 為了進一步說明海水入侵程度的變化, 我們計算建壩后的模型的單寬鹽量, 壩后蓄水0 m時, 潛水層內(nèi)的單寬鹽量為6.392×104kg/m, 增加了30.4%, 此時海水入侵程度較大。

圖4 加壩蓄水0 m鹽度分布和粒子路徑

圖5 加壩蓄水1 m鹽度分布和粒子路徑

圖6 加壩蓄水2 m鹽度分布和粒子路徑

進一步抬高庫區(qū)水位至1 m, 從圖5看出海水入侵距離基本沒變, 單寬鹽量為5.871×104kg/m, 只減少了8.2%, 過渡帶變寬; 抬高水位至2 m, 從圖6可以看出海水入侵距離迅速減少到35.6 m, 比庫區(qū)水位0 m工況下減少了59.1%, 計算模型單寬鹽量為2.731×104kg/m, 比庫區(qū)水位0 m工況下減少了57.3%。

為了進一步研究不同水位工況下對海水入侵的影響, 設(shè)置6種庫區(qū)水位工況, 分別為0 m、0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m, 計算出對應(yīng)的海水入侵距離和模型單寬鹽量, 并擬合相關(guān)曲線, 如圖7, 圖8所示, 圖中×點為數(shù)據(jù)標(biāo)記?？梢钥闯鰩靺^(qū)水位小于平均海平面時, 即庫區(qū)水位小于1 m, 海水入侵距離和模型單寬鹽量變化較小, 這是因為該工況下, 含水層的水力梯度由潮汐波動控制, 潮汐動力因素占主導(dǎo), 而出現(xiàn)過渡帶變寬現(xiàn)象源于庫區(qū)存在水力梯度, 加強了過渡帶間的彌散作用; 當(dāng)庫區(qū)水位高于平均海平面, 海水入侵距離和含鹽量迅速減少, 水庫水位為2.5 m時, 海水入侵距離減少了68.8%, 單寬鹽量減少了66.9%, 顯著減少, 這是因為此時庫區(qū)水位高于平均海平面, 在含水層形成了新的水力梯度, 隨著水位的抬高導(dǎo)致上層淡水對下層鹽水楔的擠壓作用加強, 使得鹽水楔向海一側(cè)推移, 抑制了海水入侵程度, 海水入侵距離降低, 含水層鹽量降低。

圖7 庫區(qū)水位和海水入侵距離關(guān)系

圖8 庫區(qū)水位和單寬鹽量關(guān)系

觀察粒子運移時間, 庫區(qū)水位在平均海平面以下時, 隨著水位的抬高, 過渡帶的彌散作用加強, 海側(cè)釋放粒子運移路徑延長, 運移時間增加, 如庫區(qū)水位為1.0 m時, 在(190, 12)釋放的粒子運移時間比水位為0 m時增加了66.9%。庫區(qū)水位在平均海平面以上時, 隨著水庫水位的抬高, 內(nèi)陸粒子運移時間增加, 海側(cè)邊界粒子運移時間減少, 這是因為庫區(qū)高水位使得鹽水楔向海一側(cè)推移, 內(nèi)陸粒子運移的路徑變長, 海側(cè)邊界粒子運移的路徑相對變短。不難得出庫區(qū)高水位會導(dǎo)致陸源污染物運移路徑變長, 運移時間變長, 運移區(qū)域變廣, 高水位抑制了鹽水楔的入侵, 過渡帶后退變窄, 過渡帶是硝化和反硝化的重要區(qū)域, 影響到陸源氮類污染物的硝化及隨后的反硝化過程, 庫區(qū)底部氮類污染物大量堆積, 容易對水庫水質(zhì)產(chǎn)生影響。

從圖4可以看出, 在庫區(qū)水位較低時, 庫區(qū)底部含水層鹽度較高, 此時庫區(qū)水體易受海水入侵的鹽分滲入, 為了進一步說明水位和海水入侵的關(guān)系, 設(shè)置了庫區(qū)6種水位, 分別是0 m、0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m, 算出不同水位工況下模型庫底F點(155, 19)處鹽度值, 擬合出曲線, 繪制出水位與庫區(qū)底部鹽度關(guān)系曲線圖, 如圖9所示, 圖中×點為數(shù)據(jù)標(biāo)記。圖9說明, 水庫水位在平均海平面以上時, 底鹽度變化較小, 都維持在相對較高的鹽度; 當(dāng)水庫水位在平均海平面以上時, 隨著水位的抬高, 庫區(qū)底部邊界的鹽度迅速降低, 在庫區(qū)水位2 m時庫區(qū)底部鹽度接近0, 此后水位抬高, 庫區(qū)底部鹽度保持為0, 所以要保證庫區(qū)水體鹽度, 讓水庫不受鹽分滲入, 該模型的庫區(qū)控制水位應(yīng)在2 m以上。

圖9 庫區(qū)水位和庫底鹽度關(guān)系

從圖6可以觀察到海岸水庫在高水位時地下含水層淡水儲量較多, 而保證地下含水層淡水儲量是修建海岸水庫需要考慮的重要因素。一般來說將水體鹽度在0.5以下的當(dāng)作淡水, 為了分析庫區(qū)水位與地下淡水儲量關(guān)系, 設(shè)置了6個水位, 分別是0 m、0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m, 計算出各個水位工況下的地下含水層單寬淡水儲量, 擬合出曲線, 如圖10所示, 圖中×點為數(shù)據(jù)標(biāo)記。可以看出, 當(dāng)水庫水位在平均海平面以下時, 隨著水位的抬高, 含水層單寬淡水儲量變化不大; 當(dāng)水庫水位在平均海平面以上時, 隨著水庫水位的抬高, 單寬淡水儲量迅速增加, 水庫水位為2 m時含水層單寬淡水儲量為3 953 m2, 水庫水位增加到2.5 m, 淡水儲量只增加了13 m2。因此在考慮淡水儲量盡可能保持充足的情況下, 水庫控制水位應(yīng)在2 m以上。

圖10 庫區(qū)水位和淡水儲量關(guān)系

3 結(jié)論

本文采用SUTRA(saturated-unsaturated transport)模型建立具有代表性的二維海岸模型, 研究潮汐作用下海岸水庫工程對海水入侵的影響, 結(jié)果表明:

1) 潮汐作用抑制底層鹽水楔的入侵, 加快海陸物質(zhì)交換。

2)海岸水庫壩體的建立加劇了海水入侵, 水庫水位在平均海平面以下時, 含水層潮汐動力因素占主導(dǎo), 海水入侵程度基本保持不變, 海岸水庫在旱季時存在水位較低的情況, 應(yīng)注意海水入侵的防治, 以及對庫區(qū)水質(zhì)的監(jiān)測。

3)庫區(qū)水位在平均海平面以上時, 海水入侵程度隨著庫區(qū)水位的抬高而減少, 可以人為地調(diào)控水庫水位來進行地下水的退咸, 從而進行濱海地區(qū)海水入侵防治。

4)通過研究水位與庫底鹽度、含水層淡水儲量關(guān)系, 得出海岸水庫在建設(shè)中存在一個控制水位, 水庫水位在控制水位以上, 庫區(qū)水體鹽度和含水層淡水儲量能得到保證。

5)當(dāng)庫區(qū)水位較高時, 內(nèi)陸物質(zhì)運移時間較長, 運移區(qū)域更廣, 需重視相關(guān)的濱海污染物的入海防治。庫區(qū)高水位削弱庫區(qū)底部陸源氮類污染物在鹽淡水混合區(qū)的硝化反硝化過程, 影響庫區(qū)底部含水層的水質(zhì)。

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Numerical study of the influence of coastal reservoir on seawater intrusion

JI Zhi-ling, ZHOU Chen-qi, ZHAO Zhong-wei, KONG Jun

(State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

The construction of coastal reservoirs is one of alternative methods which plays an important role in guaranteeing freshwater resource supply in coastal areas. To analyze the impact of coastal reservoirs on the seawater intrusion in coastal aquifers, a SUTRA (saturated-unsaturated transport) model was adopted to establish a representative two-dimensional coastal case for the study. Quantitative and qualitative research has been carried out based on various scenarios. Results reveal that the tidal action can inhibit the intrusion of the bottom saltwater wedgeand accelerate the exchange between the subsurface and surface water before the construction of the coastal reservoir. After the establishment of the coastal reservoir, such features can be changed corresponding to different reservoir water levels. When the reservoir water level is below the mean sea level, tidal dynamic factors play a dominant role and lead to a more serious seawater intrusion. Such trends remain unchanged when the water level further rises. Muchattention should be given to the prevention and control of seawater intrusion under this condition. Moreover, when the water level of the reservoir area is above the mean sea level, the degree of seawater intrusion decreases with the elevation of the water level in the reservoir. A series of numerical results have confirmed that there is a critical water level above which the water level of the reservoir can effectively ensure the water quality and freshwater resource supply in the reservoir. Further study has also shown that when the water level in the reservoir area is high, the inland material transport time is lengthened, the transport area is widened, and the nitrogen pollutants are easy to accumulate in the reservoir’s bottom aquifer. Such potential risks deserve much attention in designing a coastal reservoir.

seawater intrusion; saline wedge; coastal reservoir; mass transport

Oct. 13, 2020

P731.2

A

1000-3096(2021)04-0075-08

10.11759/hykx20201013002

2020-10-13;

2021-01-15

國家重點研發(fā)項目(2019YFC0409004)

[National Key Research and Development Project, No. 2019YFC0409004]

季智靈(1996—), 男, 江蘇南通人, 在讀研究生, 主要研究方向: 水動力研究等, E-mail: 1016074588@qq.com; 孔俊(1978—),通信作者, 男, 江蘇鎮(zhèn)江人, 教授, 主要研究方向: 河口海岸水動力學(xué)研究等, E-mail: kongjun999@126.com

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)