陳鶴翔，金光球，謝天云，張廣明，李 凌

(1.河海大學(xué)水文水資源及水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 3.廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510640； 4.西湖大學(xué)工學(xué)院，浙江 杭州 310024)

我國(guó)水資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，尤其在沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。河網(wǎng)調(diào)蓄作為水資源開(kāi)發(fā)利用的主要方式，雖然在一定程度上利用了水資源，但存在調(diào)蓄時(shí)間短、可調(diào)蓄水量有限等缺點(diǎn)，淡水資源危機(jī)仍然很嚴(yán)重[1]。伴隨內(nèi)陸淡水資源匱乏，向海洋要資源和空間逐漸出現(xiàn)，海水淡化是主要的方式，但技術(shù)限制導(dǎo)致淡水資源供應(yīng)保證率較低[2]，由此海岸水庫(kù)應(yīng)運(yùn)而生。

海岸水庫(kù)是指建立在河口或海岸，用于存儲(chǔ)河流入海的淡水資源、調(diào)控水量的綜合水利工程[3]。因具有占有土地少，可充分利用灘涂資源，利用海洋空間以獲取較大水庫(kù)庫(kù)容等優(yōu)勢(shì)，海岸水庫(kù)在緩解水資源匱乏上發(fā)揮著重要作用[4]。目前，國(guó)內(nèi)外已有海岸水庫(kù)投入使用，如中國(guó)的北塘水庫(kù)[5]、韓國(guó)的新萬(wàn)金工程[6]等。然而海岸水庫(kù)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了水庫(kù)水體鹽分過(guò)高的問(wèn)題，這嚴(yán)重影響了海岸水庫(kù)經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮[7]。在海岸水庫(kù)的運(yùn)行過(guò)程中如何控制水質(zhì)并減少咸化現(xiàn)象的發(fā)生成為亟待解決的問(wèn)題。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海岸水庫(kù)展開(kāi)了一定的研究。海岸水庫(kù)的外部邊界包括水庫(kù)水面、側(cè)岸、周圍灘涂、入庫(kù)地表水、底部邊界以及防滲墻[8]。海岸水庫(kù)外部的海水入侵以及內(nèi)部的底泥、深潭中的鹽分釋放是導(dǎo)致水庫(kù)咸化的主要原因[9-12]。有研究[13]表明，地表淡水徑流的涌入一方面會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)蓄水期表層水體鹽度急劇下降，另一方面會(huì)提高庫(kù)水的水頭，從而抑制海水入侵；地下水的過(guò)度開(kāi)采會(huì)導(dǎo)致地下水位降低，從而導(dǎo)致地下水相對(duì)于海水的水頭降低，引發(fā)海水入侵[14]。Van Pham等[15]對(duì)越南南定沿海含水層進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)地下水開(kāi)采是導(dǎo)致地下水位下降和海水入侵的關(guān)鍵因素。孫波等[16]研究表明，三峽工程枯水期下泄流量增加有利于緩解青草沙水庫(kù)的鹽水入侵。然而這些研究對(duì)于地下水、地表水影響海岸水庫(kù)海水入侵的具體過(guò)程和程度尚不清楚。因此，本文開(kāi)展了室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，考慮了潮汐、陸源地下水及入庫(kù)地表水的作用，探究了陸源淡水流量對(duì)海岸水庫(kù)海水入侵的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

采用自主研發(fā)的一套海岸水庫(kù)海水入侵的室內(nèi)模擬裝置[17]，該裝置已成功模擬了海岸水庫(kù)的海水入侵、庫(kù)水咸化以及脫鹽的過(guò)程[18-19]。本文旨在對(duì)陸源淡水流量對(duì)海岸水庫(kù)海水入侵的過(guò)程進(jìn)行探究，并不針對(duì)具體的工程。因此將試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行概化處理，水庫(kù)尺寸及潮汐振幅和周期的設(shè)定參考Kuan等[20]的室內(nèi)物理模型研究。試驗(yàn)在長(zhǎng)3.5 m、高0.75 m、寬0.02 m的平板水槽中進(jìn)行(圖1)，水槽采用鋼化玻璃壁面，從而使試驗(yàn)過(guò)程可視。以石英砂作為多孔介質(zhì)，泥沙區(qū)的長(zhǎng)度和高度分別為3.4 m和0.7 m，泥沙區(qū)底坡的長(zhǎng)度和高度分別為0.4 m和0.34 m，坡度為0.324，防滲墻插入泥沙的深度為0.04 m。石英砂分布均勻，中值粒徑d50=0.24 mm，累計(jì)粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到90%、10%時(shí)對(duì)應(yīng)的粒徑的比值d90/d10=2.86，通過(guò)常水頭滲透試驗(yàn)測(cè)得砂的滲透系數(shù)為5.0×10-3m/s，通過(guò)測(cè)量砂的表觀密度和堆積密度推算出孔隙率為0.46。采用NaCl和食用色素FD&C red 40示蹤劑模擬海水，參考海水的密度及電導(dǎo)率，按照每33.4 g NaCl對(duì)應(yīng)1.6 g FD&C red 40的比例配制質(zhì)量濃度為35 g/L的海水。試驗(yàn)裝置主要用于研究垂直海岸線方向的流動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程，不考慮沿海岸線方向的流動(dòng)，可將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為二維模型。

圖1 平板水槽系統(tǒng)布置示意圖(單位：cm)

如圖1所示，水槽左側(cè)(內(nèi)陸方向)為淡水輸入控制裝置，包括淡水箱、流量計(jì)、潛水泵、溢流桶4部分。淡水箱通過(guò)軟管連接流量計(jì)裝置控制淡水輸入，連接淡水區(qū)模擬陸源地下淡水輸入或直接通入海岸水庫(kù)模擬入庫(kù)地表淡水輸入。試驗(yàn)過(guò)程中可控制和調(diào)整固定流量的淡水輸入，用以模擬季節(jié)性流量對(duì)海水入侵的影響。

水槽右側(cè)(海向邊界)設(shè)置100 L的鹽水箱作為模擬海水水源，鹽水箱通過(guò)軟管與鹽水區(qū)連接，并通過(guò)潮波生成器傳動(dòng)裝置循環(huán)交換補(bǔ)充到鹽水區(qū)，模擬海洋邊界條件。潮波生成器通過(guò)變高度溢流柱產(chǎn)生周期性水位，形成潮汐[21]。潛水泵將鹽水箱中的鹽水抽入鹽水區(qū)，構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)，保證鹽水區(qū)內(nèi)上下區(qū)域質(zhì)量濃度基本一致，避免海水鹽度過(guò)度分層問(wèn)題。

充氣式可移動(dòng)擋水堤壩用以模擬海岸水庫(kù)及海岸水庫(kù)防滲墻[22]。試驗(yàn)過(guò)程中主要通過(guò)實(shí)時(shí)24 h不間斷拍照，記錄NaCl和食用色素FD&C red 40示蹤劑的運(yùn)移來(lái)模擬整個(gè)鹽水入侵及污染物云團(tuán)的運(yùn)移過(guò)程。

1.2 工況設(shè)置

影響海岸水庫(kù)海水入侵的陸源淡水主要為地下水和入庫(kù)地表水，分別探究不同流量的地下水與入庫(kù)地表水的影響規(guī)律，分析相同流量的地下水與地表水產(chǎn)生影響的不同之處。試驗(yàn)的流量設(shè)定參考了Kuan等[23]的研究，試驗(yàn)工況設(shè)置見(jiàn)表1，其中工況1～4用于研究陸源地下水流量對(duì)海岸水庫(kù)海水入侵的影響，工況5～8用于研究入庫(kù)地表水流量對(duì)海岸水庫(kù)海水入侵的影響。

表1 試驗(yàn)工況

2 結(jié)果與分析

2.1 海岸水庫(kù)對(duì)海水入侵的影響

海岸水庫(kù)的建設(shè)對(duì)海岸帶區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和地下水資源修復(fù)有一定的影響。選取一典型工況(工況3)，與Kuan等[20]試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析有無(wú)堤壩條件下海水入侵情況。當(dāng)鹽水楔在12 h內(nèi)不再發(fā)生變化時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，圖2為工況3的最終穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 堤壩條件下最終穩(wěn)定狀態(tài)

Kuan等[20]試驗(yàn)在無(wú)堤壩條件下，最終穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，下鹽水楔入侵長(zhǎng)度較長(zhǎng)，整個(gè)海岸帶斜坡區(qū)域均受到海水入侵的影響，上部形成了橢圓狀的上高鹽度區(qū)，下部形成了下鹽水楔以及處在二者之間的淡水排出區(qū)。上高鹽度區(qū)產(chǎn)生原因是海水水位的波動(dòng)引起了地下水位的波動(dòng)，導(dǎo)致地下水在水位波動(dòng)區(qū)域循環(huán)流動(dòng)，在此非飽和區(qū)存在毛細(xì)管力作用，使部分海水在此區(qū)域滯存，形成上高鹽度區(qū)，最終達(dá)到穩(wěn)定[24-25]。

從圖2可見(jiàn)，建有堤壩后，最終穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，下鹽水楔的入侵長(zhǎng)度和高度分別為67.2 cm和18.8 cm，海岸水庫(kù)的海水入侵得到了較好的控制，淡水與海水之間的交換被控制在防滲墻底部的含水層區(qū)域。此外由于防滲墻及海岸水庫(kù)的存在，地下水水位不會(huì)隨海平面發(fā)生強(qiáng)烈波動(dòng)，因此，海岸區(qū)域的海水入侵受到抑制，并且無(wú)上高鹽度區(qū)生成。

2.2 海岸水庫(kù)海水入侵的過(guò)程

圖3為工況1海岸水庫(kù)海水入侵過(guò)程，圖中虛線為水庫(kù)蓄水水位。由圖3可知，試驗(yàn)初始階段，海水通過(guò)防滲墻底部及水庫(kù)底部入滲，下鹽水楔開(kāi)始形成；入侵時(shí)間t=20 min時(shí)，水庫(kù)底部發(fā)生劇烈咸化，并且水庫(kù)底部泥沙區(qū)在海水入侵及庫(kù)底入滲咸水的雙重作用下已有大面積咸化，形成上鹽水楔；t=180 min時(shí)，海水入侵程度進(jìn)一步加強(qiáng)，下鹽水楔長(zhǎng)度繼續(xù)增長(zhǎng)，水庫(kù)底部的泥沙區(qū)整體已表現(xiàn)出明顯的咸化，上鹽水楔和下鹽水楔逐漸連成一個(gè)整體，淡水排出區(qū)逐漸減??；t=900 min時(shí)，上鹽水楔和下鹽水楔兩部分已連為一個(gè)整體，并在淡咸水交界區(qū)域呈現(xiàn)較強(qiáng)過(guò)渡帶。

圖3 工況1海岸水庫(kù)海水入侵的過(guò)程

試驗(yàn)從開(kāi)始入侵到穩(wěn)定階段持續(xù)了60 h，從0～60 h中每10 h選取一組共7組數(shù)據(jù)，記錄其下鹽水楔入侵長(zhǎng)度，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化(將入侵長(zhǎng)度L除以防滲墻底部距水槽底部的距離H(H=0.3 m)，將入侵時(shí)間t除以潮汐周期T)，得到入侵長(zhǎng)度與時(shí)間關(guān)系如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，隨著入侵時(shí)間的延長(zhǎng)，下鹽水楔長(zhǎng)度一直在增加，但入侵速度逐漸變慢直至接近穩(wěn)定值。此外，圖3中下鹽水楔高度始終保持33.4 cm，表明鹽水在整個(gè)入侵過(guò)程中一直會(huì)影響到水庫(kù)底部水體，造成水體持續(xù)咸化。

圖4 工況1入侵長(zhǎng)度-時(shí)間關(guān)系

2.3 陸源地下水流量與入庫(kù)地表水流量對(duì)海岸水庫(kù)海水入侵的影響

圖5為地下水與地表水不同流量Q條件下海水入侵穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)比，圖中虛線為水庫(kù)蓄水水位。

圖5 地下水與地表水不同流量條件下海水入侵穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)比

對(duì)比不同陸源地下水流量條件下的結(jié)果可知，流量為4 mL/min時(shí)，海水入侵程度明顯，引發(fā)海岸水庫(kù)底部大面積咸化，海水可從防滲墻底部滲入，海水入侵區(qū)域影響到整個(gè)地下含水層。流量由4 mL/min增大到8 mL/min時(shí)，海水入侵狀態(tài)減弱，表現(xiàn)為庫(kù)水鹽分減少，地下淡、咸水交界區(qū)域逐漸明顯，過(guò)渡帶逐漸萎縮，上、下鹽水楔逐漸分離；繼續(xù)增大流量至12 mL/min時(shí)，此趨勢(shì)進(jìn)一步加強(qiáng)，上、下鹽水楔區(qū)域逐漸減??；流量為16 mL/min時(shí)，上鹽水楔基本消失，已無(wú)法影響到海岸水庫(kù)內(nèi)水體。但是，海水在潮汐振蕩作用下，通過(guò)防滲墻底部滲入海岸水庫(kù)的現(xiàn)象始終存在，這將持續(xù)影響庫(kù)體鹽度。

對(duì)比不同入庫(kù)地表水流量條件下的結(jié)果可知，入侵區(qū)域主要在防滲墻底部，有鹽水楔形成。入庫(kù)流量為4 mL/min時(shí)，存在水庫(kù)庫(kù)底咸化現(xiàn)象，形成下鹽水楔，庫(kù)底泥沙區(qū)域受到明顯的海水入侵影響。隨入庫(kù)地表水流量增大，水庫(kù)庫(kù)底咸化逐漸消失，上鹽水楔減小、消失，下鹽水楔入侵長(zhǎng)度及入侵高度逐漸減小。

將相同流量地下水及地表水的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)地表水條件下的海水入侵程度更弱。與地下水相比，地表水條件下鹽水楔的入侵長(zhǎng)度平均減少41.6 cm；在地下水條件下庫(kù)體普遍存在咸化現(xiàn)象，上鹽水楔現(xiàn)象明顯，而地表水條件下僅在流量為4 mL/min條件下有少量的庫(kù)底咸化現(xiàn)象。圖5的結(jié)果可解釋枯水期海水入侵嚴(yán)重及海岸水庫(kù)劇烈咸化的原因，與實(shí)際情況類似[26-27]。因此，減少地下水開(kāi)采或采取調(diào)水入庫(kù)能較好地減弱海水入侵，有效防止海岸水庫(kù)水體咸化。

為進(jìn)一步量化海水入侵與流量的關(guān)系，將結(jié)果作無(wú)量綱化處理，得到入侵長(zhǎng)度-流量關(guān)系如圖6所示，其中Qmax為設(shè)計(jì)的最大流量，Qmax=16 mL/min?？紤]到當(dāng)流量趨近于0時(shí)，入侵長(zhǎng)度必定趨近于正無(wú)窮，因此采用對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)入侵長(zhǎng)度-流量關(guān)系進(jìn)行擬合。由圖6可見(jiàn)，對(duì)數(shù)函數(shù)的擬合效果較好；隨著流量的增大，入侵長(zhǎng)度的減少逐漸變緩。因此在實(shí)際工程中，對(duì)于枯水期水庫(kù)水位較低的情況，適當(dāng)采取調(diào)水入庫(kù)的措施會(huì)減弱海水入侵。

圖6 入侵長(zhǎng)度-流量關(guān)系

3 海岸水庫(kù)與海岸帶的室內(nèi)物理模型討論

海岸水庫(kù)的研究是在海岸帶基礎(chǔ)上，在室內(nèi)物理模型的設(shè)定和研究方面，海岸水庫(kù)與海岸帶既有聯(lián)系也有不同。國(guó)內(nèi)外關(guān)于海岸帶的室內(nèi)物理模型研究，一般選取玻璃珠、均質(zhì)泥沙、石英砂等作為含水層填充介質(zhì)置入水槽來(lái)模擬海岸帶的均質(zhì)土壤，模擬海水一般用NaCl和顏色示蹤劑配制。最初，Rumer等[28]設(shè)計(jì)了室內(nèi)物理模型并得出了海水入侵的移動(dòng)速率，但是模型中將淡水流量設(shè)置為0。在此基礎(chǔ)上，Mualem等[29]在模型中采用了固定水頭作為淡水一側(cè)的邊界條件，但是海水一側(cè)仍未考慮潮汐作用。Zhang等[30-31]在對(duì)沿海含水層中的污染物遷移進(jìn)行研究時(shí)，采用的物理模型不僅采用了固定水頭作為淡水側(cè)邊界條件，還在海水一側(cè)考慮了潮汐，用潮波生成器產(chǎn)生周期變化的海水位，將潮汐簡(jiǎn)化為線性變化。此后，Kuan等[20,23]對(duì)物理模型繼續(xù)改進(jìn)，一方面在海水一側(cè)通過(guò)變高度溢流柱產(chǎn)生了正弦潮汐，另一方面在淡水側(cè)使用了固定流量代替固定水頭，以避免潮汐引起的水位過(guò)高對(duì)淡水流量的影響。

海岸水庫(kù)的室內(nèi)物理模型設(shè)定與海岸帶的不同在于：需要在含水層上方設(shè)置水庫(kù)并蓄水，形成地下水-庫(kù)水-海水水體之間互相作用與交換的復(fù)雜水動(dòng)力條件。這個(gè)不同點(diǎn)會(huì)進(jìn)一步引起以下物理現(xiàn)象：①防滲墻的存在阻斷了部分海水與含水層的接觸；②淡水排出區(qū)域發(fā)生后移，由于密度流的作用，地下水會(huì)通過(guò)防滲墻底部區(qū)域排出，并且位于下鹽水楔之上；③海水越過(guò)防滲墻底部進(jìn)行入侵，導(dǎo)致水庫(kù)水體發(fā)生咸化。目前關(guān)于海岸水庫(kù)的室內(nèi)物理模型研究較少。金光球等[17]設(shè)計(jì)了一套完整的室內(nèi)物理模型并研究了海岸水庫(kù)的海水入侵情況，邊界條件采用了固定淡水流量和正弦潮汐。在此基礎(chǔ)上，李夢(mèng)迪[18]通過(guò)改變地下水流量探究了陸源地下水對(duì)海岸水庫(kù)脫鹽的影響，莫玉銘[19]通過(guò)在水庫(kù)底部加入深潭探究了深潭對(duì)海岸水庫(kù)海水水體咸化的影響。目前關(guān)于海岸帶以及海岸水庫(kù)的研究仍然是個(gè)熱點(diǎn)。在未來(lái)的研究中，需要將室內(nèi)物理模型從二維拓展到三維；需要從野外尺度上進(jìn)行深入研究；此外，可采用數(shù)值模擬進(jìn)一步探究其水動(dòng)力及鹽分運(yùn)移的過(guò)程和機(jī)理。

4 結(jié) 論

a.海岸水庫(kù)下鹽水楔入侵長(zhǎng)度與陸源淡水流量呈對(duì)數(shù)關(guān)系，隨著陸源地下水流量、入庫(kù)地表水流量的增加，海水入侵程度減弱，且流量越大，下鹽水楔入侵長(zhǎng)度減弱的趨勢(shì)越平緩。

b.與陸源地下水相比，入庫(kù)地表水條件下的下鹽水楔入侵長(zhǎng)度更小，海水入侵程度更弱，表明入庫(kù)地表水對(duì)海岸水庫(kù)海水入侵具有更顯著的抑制作用。

c.陸源淡水流量的增大會(huì)使海岸水庫(kù)庫(kù)底鹽分減少。流量增大過(guò)程中，上、下鹽水楔分離，上鹽水楔比下鹽水楔先減小、消失，上鹽水楔消失后，已無(wú)法影響到海岸水庫(kù)內(nèi)水體，然而海水在潮汐振蕩作用下，會(huì)通過(guò)防滲墻底部滲入海岸水庫(kù)。

d.可通過(guò)減少地下水的開(kāi)采或采取調(diào)水入庫(kù)的手段抑制海岸水庫(kù)海水入侵，緩解水庫(kù)水體的咸化。