（市政工程专业论文）地下坝防治海水入侵室内试验与数值模拟研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着人口和经济社会的迅猛发展，淡水资源的供需矛盾更加突出，滨海平 原地区的海水入侵现象越来越受到人们的普遍关注。地下坝是防治海水入侵较为有效的 工程措施，通过切断海水入侵通道和地下淡水排泄通道来防止海水入侵。国内外很多专 家已经做过模拟海水入侵的室内试验，但模拟地下坝的室内模型试验较少。本文通过室 内沙箱模型模拟了有无地下坝时海水入侵界面的动态变化情况，为揭示海水入侵机理、 入侵的规律和发展趋势以及地下坝防治海水入侵提供了理论基础；并采用地下水流动及 溶质运移模拟软件f e f l o w 对室内试验内容进行数值模拟，并与物理试验结果进行拟 合，以修正部分参数，从而为建立三维饱和介质、非稳定流和瞬变溶质迁移模型，模拟 大尺度海水入侵过程提供依据。 本研究主要做了以下工作： ( 1 ) 着色示踪剂的选择。试验初选了一种吸附性较小的食用色素胭脂红拟作为着色 示踪剂，通过着色示踪剂干扰试验和运移速率试验验证胭脂红是否满足着色剂的要求。 ( 2 ) 模拟参数的确定。试验确定试验介质的相关参数，包括渗透系数、弥散度、孔 隙度等。设计了一维柱状模型，通过渗透试验和弥散试验测得了试验介质的渗透系数和 弥散度。测量试验介质的孔隙度。 ( 3 ) 无地下时海水入侵室内试验。通过室内沙箱模型模拟无地下坝时海水入侵界面 的动态变化。运用着色技术、图像处理技术和水质检测技术，分别试验了咸淡水水位差 和浓度差对入侵界面运移速率的影响。 ( 4 ) 地下坝防治海水入侵试验。试验了不同渗透系数的地下坝对海水入侵的防治效 果。 ( 5 ) 数值模拟。对室内沙箱模型试验的内容进行数值模拟，并通过模拟结果与试验 结果的拟合和人工调参调整部分试验参数。 通过以上研究得到如下结论： ( 1 ) 胭脂红可以作为着色示踪剂用于海水入侵试验中。 ( 2 ) 确定了试验参数，渗透系数为0 2 2 c m s ，水平弥散度为0 0 0 8 3 m ，孔隙度为 3 2 8 6 。 ( 3 ) 无地下坝时，每个海水入侵过程，运行时间越长海水入侵速率越慢；咸水与淡 山东建筑大学硕士学位论文 水的水位差越大，海水入侵速率也越大；海水浓度越大海水入侵界面的运移速率越大； 从海水入侵界面运移速率的变化趋势可以预测水位差越小越早到达平衡状态；且随着时 间的推移，浓度引起的入侵界面运移速率的差距随着时间的推移不断缩小。 ( 4 ) 地下坝的渗透系数对海水入侵的影响较大，渗透系数越小对海水的拦截作用越 明显，当渗透系数达到1 0 击c t l l $ 这个数量级时，防治效果非常明显。 ( 5 ) 通过对室内试验内容的数值模拟和试验结果的拟合，调整试验介质的部分参数， 水平渗透系数调整为1 1 0 c m s ，垂向渗透系数调整为0 1 1 0 屹c m s 。 关键词：海水入侵，沙箱模型，地下坝，数值模拟 山东建筑大学硕士学位论文 l a b o r a t o r yt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h ep r e v e n t i o no f s e a w a t e ri n t r u s i o nb yu n d e r g r o u n dd a m h el i ( m u n i c i p a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yl if u l i na n dz h a n g k e f e n g a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o p u l a t i o na n de c o n o m yr e c e n t l yh a v eb r o u g h ts o m es e r i o u s c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nf r e s h w a t e rr e s o u r c e ss u p p l ya n dd e m a n d s a l t w a t e ri n t r u s i o ni nl i t t o r a l p l a i na r e a sh a sa b s o r b e du n i v e r s a la t t e n t i o na l lo v e rt h ew o r l d t h eu n d e r g r o u n dd a mi so n eo f e f f e c t i v ee n g i n e e r i n gm e a s u r e sf o rt h ep r e v e n t i o no fs e a w a t e ri n t r u s i o n i tc a l lp r e v e n t s a l t w a t e ri n t r u s i o ne f f e c t i v e l yt h r o u g hc u t t i n gi n t r u s i o nc h a n n e l so fs e aw a t e ra n dd i s c h a r g e p a s s a g eo ff r e s hw a t e r i n t e m a t i o n a le x p e r t sh a v e d o n el a b o r a t o r yt e s t so ns a l t w a t e ri n t r u s i o n , b u tf e ww a sa b o u tu n d e r g r o u n dd a m i nt h i ss t u d y , w es i m u l a t e dp r o c e s s e so fs a l t w a t e r i n t r u s i o nw i t hu n d e r g r o u n dd a ma n dw i t h o u t a l s oan u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sp r e s e n t e do n s e a w a t e ri n t r u s i o np r o c e s sb yu s i n gf e f l o w , s oa st og u i d et h ep r e v e n t i o na n dt h el a r g es c a l e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs e a w a t e ri n t r u s i o na n d t h em a i nw o r k i n gc o n t e n t si nt h i ss t u d ya sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ec h o i c eo fc o l o r a n t c a r m i n ew i t hl o wa d s o r b a b i l i t yw a ss e l e c t e dp r e l i m i n a r i l ya s t h ec o l o r a n tf o rt h i ss t u d y t h e ni n t e r f e r e n c et e s ta n ds o l u t et r a n s p o r tw e r ec a r r i e do u tt oj u d g e i fc a r m i n ew a sa r es u i t a b l e ( 2 ) d e t e r m i n a t i o no fs i m u l a t i o np a r a m e t e r s r e l a t e dp a r a m e t e r so ft h et e s tm e d i u m ， s u c h a sp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ，d i s p e r s i v i t y , p o r o s i t y , w e r ed e t e r m i n e db ye x p e r i m e n t s i nt h i s s t u d y , o n e - d i m e n s i o n a lc o l u m nm o d e lw a sd i s i g n e dt od i ：t e r m i n ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ta n d d i s p e r s i v i t y t h e np o r o s i t yw a sd e t e r m i n e d ( 3 ) l a b o r a t o r y t e s t so fs a l t w a t e ri n t r u s i o nw i t h o u tu n d e r g r o u n dd a m d y n a m i cc h a n g e so f s a l t w a t e ri n t r u s i o ni n t e r f a c ew e r es i m u l a t e dw i t h o u tu n d e r g r o u n dd a mb yu s i n gl a b o r a t o r y s a n d b o xm o d e l c o l o r i n gt e c h n o l o g y , i m a g ep r o c e s sa n dw a t e rq u a l i t yd e t e c t i o nw e r eu s e dt o i i i 山东建筑大学硕士学位论文 s i m u l a t ee f f e c t so ft h ew a t e rh e a d sa n dc o n c e n t r a t i o n so fs a l t w a t e ro nt r a n s p o r tv e l o c i t yo f f l e s h w a t e r - s a l t w a t e ri n t e r f a c e ( 4 ) l a b o r a t o r yt e s t so fs a l t w a t e ri n t r u s i o nw i t hd i f f e r e n tu n d e r g r o u n dd a m s c o n t r o l e f f e c t so f u n d e r g r o u n dd a m sw i t hd i f f e r e n tp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tw e r es i m u l a t e d ( 5 ) n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s a n d b o xm o d e le x p e r i m e n t sw e r en u m e r i c a ls i m u l a t e dt h e n c a r r i e do nt h ef i n i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t ea n ds i m u l a t e dd a t at oa d j u s tp a r a m e t e r s t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r ed r a w ni nt h ep a p e r ( 1 ) c a r m i n ew a s s u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o nt ol a b o r a t o r yt e s t so fs a l t w a t e ri n t r u s i o n ( 2 ) s i m u l a t i o np a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e d p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tw a s0 2 2 c m s ； v e r t i c a ld i s p e r s i v i t yw a s0 0 0 8 3 m ；p o r o s i t yw a s3 2 8 6 ( 3 ) w h e nt h e r ew a sn ou n d e r g r o u n dd a m ，t h er a t eo fm o v e m e n to fr e s h w a t e r - s a l t w a t e r i n t e r f a c ed e c r e a s e dw i t ht i m ei ne a c hs a l t w a t e ri n t r u s i o np r o c e s s ；t h eh i g h e rt h es a l t - w a t e r h e a do rt h es a l t w a t e rc o n c e n t r a t i o n , t h eh i g h e rt h er a t eo fi n t r u s i o nw a s ；i tc a nb ep r e d i c t e d t h a tt h es m a l l e rt h es a l t - w a t e rh e a d ，t h em o r es h o r t e rt h et i m er e a c h e de q u i l i b r i u m ；t h el o n g e r t h et i m e ，t h el a r g e rt h et r a n s p o r tv e l o c i t yd i f f e r e n c ec a u s e db ys a l t w a t e rc o n c e n t r a t i o n ( 4 ) p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n th a dg r e a ti n f l u e n c eo ns a l t w a t e ri n t r u s i o n t h es m a l l e rt h e p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ，t h em o r eo b v i o u st h ee f f e c tw a s w h e np e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t r e a c h e d10 - 6 m so ra b o v e ，t h eu n d e r g r o u n dd a mc a nc o n t r o ls a l t w a t e ri n t r u s i o ne f f e c t i v e l y ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h ef i t t i n gs i t u a t i o no fe x p e r i m e n t a ld a t aa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s o m e p a r a m e t e r sw a sa d j u s t e dt h eh o r i z o n t a lp e r m e a t i o nc o e f f i c i e n tw a s1 10 2 c m s ；t h ev e r t i c a l h y d r a u l i cc o n d u c t i v i t yw a s 0 1 10 一c m s k e yw o r d s ：s e a w a t e ri n t r u s i o n ，s a n d b o xm o d e l ，u n d e r g r o u n dd a m ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取 得的成果。除丈中已经注明引用的内容外，论文中不合其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使 用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： 至与益1 3 日期加归6 、12 ， 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师签名： 日期加勿厶i 乙 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 研究的目的意义 近年来，随着人口和经济迅猛发展，淡水资源的供需矛盾更加突出。滨海地区由于 超量开采地下水，地下水埋深持续下降，咸淡水的动态平衡被破坏，进而使得海水通过 各种可能的途径不断产生向内陆淡水体渗流、机械弥散和分子扩散的水动力过程，直接 表现为咸淡水界面向淡水区的不断推移，即，海水入侵。海水入侵主要分布在社会经济 发达的滨海平原、河口三角洲平原及海岛等地区。因地质条件的不同，海水入侵有多种 方式：发育于第四纪沉积物区，有统一水力联系地区的“面状 入侵；沿古河道深入的 “指状刀入侵；在基岩地区，沿发育稀疏的构造裂隙或断裂带发育的“脉状 入侵；沿 岩溶系统发育的状如树枝的“树枝状 入侵【l 】。山东半岛的龙口、莱州的大部分海水入 侵区都属于面状入侵；青岛胶州的海水入侵则为海水沿北胶来河上溯引起的指状入侵。 海水入侵问题在各滨海国家和地区广泛存在。目前，全世界已经有几十个国家和地 区的几百个地方发现了海水入侵现象，如荷兰、德国、意大利、比利时、法国、希腊、 西班牙、葡萄牙、英国、澳大利亚、美国、墨西哥、以色列、印度、菲律宾、印度尼西 亚、巴基斯坦、日本、中国、埃及等【2 1 。中国海岸线长达1 8 1 0 4 k m ，沿海地区大都经 济发展比较迅速、人口密集、淡水资源供需矛盾突出，北起辽宁，南至广西至少1 1 个城 市和地区发生了不同程度的海水入侵现象【3 】。其中山东省和辽宁省滨海地区是中国较早 发现海水入侵也是最严重的地区之一。1 9 9 2 山东省海咸水入侵面积为9 8 2 4 k m 2 ，1 9 9 9 年山东省海咸水入侵面积为1 1 7 3 5 5 k m 2 ，至2 0 0 2 年山东省海咸水入侵总面积达到了 1 6 5 3 3 k m 2 4 1 。平均入侵速度达6 7 0 9 k m 2 a 。莱州湾南岸地区咸淡水界面 ( t d s o ，称为超饱和；田 o ，称为未饱和；s i = o ，称为饱和。一般0 5 s i o 5 为近饱和状态。通过分析每一种溶质组分的饱和指数，确定水化学类型，进而判断是否 发生海水入侵。 表1 1 - 海水入侵水化学监测指标与入侵程度等级划分 等级 指标 ii ii i i c l 一浓度 矿化度 b r - 浓度 钠吸附比 咸化系数 入侵程度 水质范围 2 5 0 1 0 o 5 5 3 0 3 1 5 7 3 5 严重入侵 咸水 ( 2 ) 物探监测 物探方法是依据咸淡两种不同类型的水对人工电场不同的电导反映来确定海水入侵 界面。通常和化学指标共同使用。常用的方法有垂向电阻率法、瞬变电磁法和激发极化 法。其指标分别为电阻率、电阻率和充电率。除此之外还有地电剖面法、电磁剖面法、 地震反射法以及探地雷达等多种监测方法。 垂向电阻率法是根据含水层中的咸淡水会对供电场产生不同的反应，计算各测点的 视电阻率值风，进而测得海水入侵界面的分布规律。可以把以为2 0 f m 作为咸淡水界 面的特征指标值。对比不同时期的探测结果，就可清楚看到该地区海水入侵的动态发展 变化情况且具有较高的灵敏度。此外，垂向电阻率法探查到的咸淡水界面的深度与混合 区域的上端一致，能够对海水入侵及早做出预警l 。 瞬变电磁法是一种时问域电磁感应方法，通过测定感应电压便可了解地下介质电阻 率变化的信息，从而可以作出各测点的视电阻率曲线。由于能够有效地确定不同深度的 9 o j 7 5 侵 k m a o 1 = ； a 入 泐 肛 小 纷 肛 小 鹿 婀 一 一 一 一 一 一 山东建筑大学硕士学位论文 导电层，适用于多层含水层的海水入侵监测，但其曲线解译比较复杂。视电阻率和c l 。 浓度的对应关系因所在区域的地质条件不同而存在一定的差异。在我国的广饶县电阻率 2 lq m 对应的c 1 浓度为5 0 0 m g d 4 ”，电阻率1 51 2 m 相当于矿化度2 0 0 0 m g l f 5 1 。而在美 国加州的s l i n a s 谷地，c l 浓度为5 0 0 m g l 对应的电阻率值是8f z m 4 5 】。 激发极化法是以充电率作为海水入侵的监测指标。发生海水入侵的地区地下水充电 率与未发生的地区有很大差别，因此可以通过充电率来界定是否发生了海水入侵。入侵 区充电率与视电阻率呈正相关。如某沿海地带海水入侵区的充电率一般为1 - 3 m v n ，而 未受海水入侵影响的地区充电率为扣8m v n 。因此，可以以充电率值4 m v n 作为海水 入侵界面指标值。 ( 3 ) 同位素监测 由于现代海水和古咸水的化学成分相近但其同位素组分却相差很大，可以通过检测 海水入侵区地下水中的同位素组分来研究和确定海( 咸) 水入侵的原因和来源。比较常 用的同位素指标有2 h ，1 8 0 ，3 4 s ，s r ，c ，b 。 1 2 5 数值模拟软件 近年来，随着计算机技术的快速发展地下水运移的数值模拟软件开发和应用越来越 普遍，下面简单介绍一下几个常用的地下水数值模拟软件。 ( 1 ) v i s u a lm o d f l o w ：是目前世界上应用最广泛的三维地下水流和溶质运移模拟 的标准可视化专业软件系统，该系统在美国地质调查局m o d f l o w 软件的基础上应用可视 化技术开发研制的。具有强大的图形可视面和新颖的菜单结构，能够以平面和剖面两种 方式彩色立体显示模拟模型的剖分网格、输入参数、输出结果。包含水流模块和水质模 块。 ( 2 ) g m s ：g r o u n d w a t e rm o d e l i n gs y s t e m ( g m s ) 是地下水模拟软件，支持差分和 有限元模型。可以进行二维或三维的地下水数值模拟。 ( 3 ) f e f l o w ：是功能最为齐全的地下水模拟软件包。该软件包具有图形人机对话、 地理信息系统数据接口、自动产生空间各种有限单元网、空间参数区域化及快速精确的 数值算法和先进的图形视觉化技术等特点。在f e f l o w 系统中，用户可以很方便迅速地 产生空间有限单元网格，设置模型参数和定义边界条件，运行数值模拟以及实时图形显 示结果与成图。 1 0 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 6 海水入侵防治对策 海水入侵的本质原因就是滨海地区人为超量开采地下水，引起地下水位大幅度下降， 海水与淡水之间的水动力平衡被破坏，从而导致咸淡水界面向陆地方向移动【i 】。国内外 对海水入侵的治理主要是控制海水入侵的进程，缓解海水入侵的危害。此外，海水入侵 面积与地下水漏斗负值区的面积成正相关性，负值区面积越大海水入侵面积越大。因此， 要防治海水入侵作重要的还是提高地下水水位。目前，防治海水入侵的措施归纳起来可 以分为四个方面：补源措施、节流措施、节水措施和生态措施。 ( 1 ) 补源措施 补源措施就是通过补充地下水，提高淡水水位以改善海水入侵状况。主要有地下水 回灌补源和拦蓄补源。 地下水回灌补源，采用满足地下水回灌水质要求的水源通过坑塘、回灌井、渗渠等 补充地下水，以提高地下淡水水位。回灌水源一般为清洁水、雨水或再生水。国外再生 水回灌已有几十年的历史了，例如美国、以色列、德国、荷兰等国家在这方面做了大量 的研究和实践。实践证明，采用符合地下水回灌水质标准的再生水进行回灌补源，可以 有效的增加地下水资源量，缓解由于地下水超采引起的地质灾害，还可以起到防治海水 入侵的作用。各国对回灌水质标准要求相当严格，甚至有的国家再生水水质高于饮用水 标准。因此，再生水回灌其水质至关重要。在我国回灌水源多采用地表水、雨洪水，很 少采用再生水。当采用洁净的地表水或雨洪水进行回灌补源时，常用回灌井、渗渠等。 当采用再生水进行回灌时，为保证地下水安全一般采用渗塘、湿地等措施。山东广饶县 进行的地下水回灌补源的野外实验研究和数值模拟，引用黄河水和汛期雨洪水通过回灌 井、渗渠、坑塘等进行回灌补源，经实践证明，可以有效地阻止海水入侵，逐步改善区内 的地下水环境【4 5 1 。坚持引黄於源可以阻止开采区地下水降落漏斗急剧下降，从而减缓海 水入侵速度【47 1 。 拦蓄补源是指增加滨海地区河流中下游的拦蓄和入渗工程，如拦河闸、拦河坝等拦 蓄工程，坑塘、沟渠等小型蓄渗工程以及渗渠、渗井、渗坑等入渗工程，蓄渗结合以达 到利用汛期洪水补充地下水提高淡水水位的目的。谈水湿地也可以作为一种拦蓄补源措 施，兼具回灌补源功能。不同的是，淡水湿地对水有一定的净化能力因此对水源的要求 较低，可以利用不适宣回灌补源的再生水作为淡水湿地的补充水源，但是不能超过淡水 湿地的处理能力。自2 0 世纪5 0 年代以来，莱州市加大了海水入侵防治力度。先后修建 了大量拦蓄、渗蓄、回灌工程，综合治理海水入侵，取得了良好的效剁4 8 1 。 山东建筑大学硕士学位论文 为了缓解地下水的超采的状况，也可以引调客水，以减少地下水开采量，从而达到 提高地下水水位的目的。 ( 2 ) 节流措施 节流措施旨在通过工程措施建立一个防渗体阻止海水向内陆的入侵水，有水力防渗一 帷幕( 即水力帷幕) 、地下坝、气体防渗墙等。 为了防止海水入侵在咸淡水界面的淡水一侧打一排水井，用注水抬高局部地下水水 位形成水力屏障，或在咸水一侧用抽水形成水位低谷以防止海水入侵的措施，即水力帷 幕。可分为注水帷幕，抽水帷幕和两者结合的抽注水帷幕。通过对水力帷幕防治海水入 侵的过程进行数值模拟，结果显示注水帷幕和抽水帷幕都可以有效的防治海水入侵【4 9 】。 其中，抽水帷幕适用于缺乏足够的淡水用于地下水回灌的地区；注水帷幕适用于拥有足 够的淡水用于地下水回灌的地区。 地下坝最早于二十世纪初提出用于建设地下水库，储蓄地下水。指在含水层下游修 建一条弱透水或不透水的地下坝体来拦截向海洋的地下径流，既能在坝体上游形成地下 水库防止地下水的流失，又能阻止海水向内陆的入侵。通常采取高压喷射灌浆、静压灌 浆等方法。具有提高地下水位，防治海水入侵、扩大淡水供应、不占耕地、无垮坝风险、 投资小等优点。国外已有很多成功实践。在日本地下坝防治海水入侵应用比较广泛，如 冲绳宫古岛皆福、长崎县野母崎町桦岛和神井三方町常福等地修建了地下坝形成三座地 下水库，起到了增加地下水资源和防止海水入侵的良好效果【矧。 目前国内修建的地下坝坝体渗透性较小，且多建在不透水基岩上形成“封闭式或 “贮存型”地下水库。因此，地下坝的建设会造成地下水在库内循环速度变缓，一旦上 游遭受污染，水质的恢复周期较长。为有利于地下水的循环和物质交换最好设计建设“开 敝式”、“半封闭式刀或“径流调控型的地下水库。根据地质条件不同，地下水库还 可以分为以下几种构造类型：沙砾石层冲积平原蓄水构造和山间河谷蓄水构造、河口蓄 水构造、滨海及岛屿地区蓄水构造。其中河口及滨海地区的地下坝蓄水构造兼具蓄水和 防治海水入侵的作用。我国第一座地下坝建于黄河营，坝体长6 k m ，宽2 - 3 m 引。目前山 东省已建有八里沙河、黄水河、白沙河、大沽河、外夹河和王河等不同规模的河口地下 坝工程6 座【5 】。其中，位于山东莱州王河下游的王河地下水库属于沙砾石层冲积平原蓄 水构造。库区含水层为冲洪堆积或洪积堆积物为主，主要岩性为微含土砾质中砂、中粗 砂，空间上分布3 0 层，砂层总厚度为5 1 5 米，最大埋深2 3 7 米。水库总容积0 5 9 6 亿立方米。黄水河地下坝建成以后形成的地下水库最大调节库容达4 0 0 0 万立方米，不仅 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 防治了海水入侵还促进了库区的生态环境恢复【5 1 l 。1 9 9 8 年大沽河下游胶州市麻湾的位置 修建了一道长4 k m 的地下坝，形成了一个容积近1 亿立方米的永久地下水库。经监测发 现，地下坝上游的海水入侵状况得到了有效控制，但水质出现了变差的情况【5 2 】。因此， 地下坝建成后要加强监测和管理，保证地下水库在生态水位的同时还要实时监测水质情 况。 气体防渗墙依据是向含水层注入空气后，就会在充气孔附近或四周形成人工的非饱 和带或包气带，包气带中渗透系数k 随含水率降低，当含水率低到一定的值就会形成一 道空气墙从而阻止海水的入侵及淡水向海洋的渗流。 ( 3 ) 节水措施 节约水资源可以有效的减少地下水的消耗，缓解地下水超采的现状。节水措施主要 有非常规水的利用、农业、工业和城市节水技术。 滨海地区的非常规水主要有雨水和微( 咸) 水。城市雨水利用是指在城市范围内， 有目的地采用各种措施对雨水资源进行保护和利用，主要包括收集、调蓄和净化后的直 接利用；利用各种人工和自然水体、池塘、湿地或低洼地对雨水径流实施调蓄、净化和 利用，改善城市水环境和生态环境；通过各种人工或自然渗透设施使雨水渗入地下，补 充地下水资源【5 3 】。可以分为直接应用和间接应用。直接应用就是收集雨水，然后经过简 单的处理作为杂用水，如绿化、道路喷洒、洗车、景观等等。间接应用，通过有效的雨 水截留、入渗，可以补充地下水，提高地下水位。人类对雨水的利用最早始于公元前6 0 0 0 多年前【矧。到了2 0 世纪8 0 年代，各种雨水收集系统、蓄水设施和利用设备得到迅速的 发展。日本、德国、英国、丹麦、荷兰等是雨水利用方面做的比较出色的几个国家，其 雨水利用的法律法规比较完善、技术成熟、应用广泛。近年来，由于我国水资源短缺的 形势愈加严峻，雨水利用再次成为一个研究和应用的热点。其中比较典型的雨水利用工 程有甘肃的“1 2 1 雨水收集工程 ，内蒙古的“1 1 2 集雨节水灌溉工程 ，宁夏的“窖水 工程 ，陕西的“甘露工程，山东的长岛、大连的獐子岛和浙江的舟山市等地的雨水集 流利用工程等【5 3 1 。近几年，北京市着力开展雨水利用研究，成果比较突出。 矿化度为2 5g l 的含盐水称之为微咸水【5 5 1 ，大于5g l 的则为咸水。微咸水利用 主要集中在农业灌溉、水产养殖业、工业、咸水淡化饮用等方面。试验证实，采用矿化 度小于3g l 的微咸水进行农业灌溉，产量和淡水灌溉相近【5 6 1 。在天津市静海县5 7 1 、宁 南山区【5 8 】、山东省乐陵市【5 9 1 和河北盐山县都进行了微咸水灌溉试验及示范，结果显示， 用微咸水灌溉比旱地增产效果显著。此外，利用微咸水灌溉会对土壤造成一定的影响【鲫， 1 3 山东建筑大学硕士学位论文 因此需要配合增施有机肥、地膜覆盖、秸秆还田等措施，不仅增产【6 l 】还能有效的改善土 壤。而矿化度较高的地下咸水由于其化学成分与现代海水基本相同可以作为海水养殖的 替代水体，既可以防治海水入侵又可增加经济效益，具有很好的应用前景【6 2 1 。但是开采 滨海地下咸水的位置和养殖区的位置均要在咸淡水界面的近海一侧，以免加剧海水入侵。 抽水量要适当，以免引起地面沉降。天津市区以及河北部分地区由于地下水的过量开采 引发了大面积的地面沉斛6 3 1 。微咸水还可以用作对水质要求不高的工业用水，如用于造 纸厂作为冷却水。制碱厂也可以使用微咸水，既做冷却水又可作为制碱原料，经济效益 相当可观。采用微咸水淡化的方式获取淡水资源的应用也比较多。目前，我国约有5 0 余 家采用电渗析法进行微咸水淡化的生产厂，日产水量约6 0 万t ，解决了部分滨海地区饮水 难的问题【矧。 节水技术近年来发展迅速。由于农业灌溉用水量约占总用水的7 0 左右，成为节水 的重点。常用的农业节水工程包括渠道衬砌、低压管灌、喷灌、滴灌等工程类型，有效 的提高了各地区灌溉水综合利用系数。工业方面，主要是提高水资源重复利用率和污水 处理及回用率，以降低单位产值的水耗。城市节水，则以推广节水器具，加强市政水网 建设、提高中水综合利用率等为主。 ( 4 ) 生态措施 所谓海水入侵的生态防治，就是兼顾海水入侵防治和海岸及其周边生态环境的保护 与恢复要求，根据遭受海水入侵影响的程度划分防治区，以滨海流域为单元，综合运用 各种工程的和非工程的手段，使之集成一个立体的防治体系，最终把海水入侵控制在一 个可容忍的程度，此时，咸淡水界面达到一种动态平衡的状态【4 】。主要措施有海岸带功 能区划分，构建生态型海水入侵防治工程，海岸带生态恢复区，开展生态农业等生态防 治措施。我国滨海地区在生态农业建设方面也做了很多研究和示范，效果显著。如莱州 市和寿光市近年来在海水入侵区进行了各种生态恢复试验研究，运用生态学原理，有效 地保持了生态稳定和持续高效功能的农业生态系统，改善了生态环境【5 1 1 。此外，莱州还 在广饶自北而南分别建立荒碱地农牧区、桑基塘开发区、中部节水农业区和南部高效区， 在寿光海水入侵区实行林果。旱生作物套种等生态农业措施，均取得了明显的效果【6 5 1 。 1 2 7 室内模型实验 通过室内模型实验对海水入侵进行模拟和研究的并不多。国外一些专家学者在海水 入侵室内实验研究方面也做了一些工作，得到了许多很有价值的结果。r u m e r 和 1 4 山东建筑大学硕士学位论文 h 砌锄锄【6 6 】采用长1 5 0 c m 、高6 0 e m 、宽1 5 2 c m 的实验装置，测量了采用不同含水介质 时咸淡水界面的运移速率。b e a r 和d a g a n ( 1 9 6 4 ) t 6 7 】以及m u a l e m ( 1 9 7 4 ) 嘲】应用室内模型 实验结果来检验突变界面的解析解。c o l l i n s t 6 9 】等1 9 7 2 应用模型对纽约长岛的海水入侵作 了研究。a a 库瓦耶夫等采用长高宽分别为的1 1 6 8 c m 、7 1 c m 、5 c m 的模型，应用着色 技术，以玻璃珠作为试验介质进行咸水入侵室内试验。 国内进行海水入侵室内模型试验的有清华大学的唐杰、中国科学院南京地理与湖泊 研究所的张奇、大连海事大学的唐晓红等人。虽然模拟的同为海水入侵，但其试验内容、 技术手段都有所不同。唐杰1 7 0 1 等利用大型移流弥散砂槽，应用电导率法成功预测到了混 合带，并对混合带及其动态特性进行了观测、分析和研究。槽体为有机塑料板，长2 0m 、 宽o 8 0n l 、高o 6 01 1 1 。砂槽采用s 形回旋加长，折转四次，实际有效长度9 0 5m ，即相 当于9 0 5m 0 1 5n l 0 6m 的狭长砂槽。咸水浓度的测量采用电导率法。在总体水头的 水平梯度方向与浓度的水平梯度方向相反的条件下，得到了咸水入侵进慢退快、混合带 发展演化过程中有回咸现象以及介质分层、高浓度等实验的部分规律。张奇【7 1j 采用玻璃 珠作为多孔介质含水层，水槽由透明有机玻璃组成，介质充填区长1 6 5 c m ，高6 0 c r n ，宽 1 0 c m 。通过室内模型实验模拟了潮汐、水位、浓度等对海水入侵的影响。文中用着色了 的海水和图像处理的方法获得入侵界面的形态以及动态变化情况，此种实验方法先进， 所得的数据整体性强，精度高，而且观测方法对流场没有干扰，比传统的提取水样进行 化验的方法更有效。刘晓红f 嘲在其硕士论文中进行了砂土中海水入侵速率的实验研究。 实验中采用了石英砂作为含水介质，利用着色技术和图像处理技术模拟了不同咸水浓度、 不同咸水水位和不同渗透系数的含水介质的条件下海水入侵速率的变化规律。沙箱为一 透明有机玻璃砂槽，长1 2 0 0 m m ，宽2 0 m m ，高为5 0 0 m m ，介质充填区长为1 0 0 0 m m ， 两边各有长l o o m m 的淡水与咸水控制水室。 本文在上述试验成果的基础上进行沙箱模型的设计制作，试验介质的选择，综合运 用海水着色技术、图像处理技术和水质检测技术进行试验研究。 1 3 研究内容 ( 1 ) 建立模型 借鉴国内外专家学者研究海水入侵的沙箱模型的构造并结合本课题海水入侵研究对 模型的要求设计、制作沙箱模型；制作一维柱状模型用于渗透试验、弥散度试验和着色 示踪剂选择的相关试验试验；进行沙箱模型的试运行，对不满足要求的地方进行改善。 1 5 山东建筑大学硕士学位论文 ( 2 ) 试验研究 1 ) 着色示踪剂的选择。分别利用一维柱状模型进行着色示踪剂的干扰试验和运移速 率试验，以确定试验所采用的着色示踪剂是否满足试验要求。 2 ) 参数的确定。利用一维柱状模型进行渗透试验和弥散试验，分别测得含水介质的 纵向弥散度和渗透系数，并测定含水介质的孔隙度。 3 ) 无地下时海水入侵室内试验。通过室内沙箱模型模拟无地下坝时海水入侵界面的 动态变化。运用着色技术、图像处理技术和水质检测技术，分别试验咸淡水水位差和浓 度差对入侵界面运移速率的影响。 4 ) 地下坝防治海水入侵试验。试验不同渗透系数的地下坝对海水入侵的防治效果。 ( 3 ) 数值模拟 采用f e f l o w 软件对室内沙箱模型试验的内容进行数值模拟，并通过模拟结果与试 验结果的拟合和人工调参调整部分试验参数。 1 4 本章小结 本章主要阐述了海水入侵的研究背景、海水入侵的研究进展以及此次研究的内容。 海水入侵的研究背景概述了研究的目的意义和课题来源。 研究进展包括海水入侵机理、数学模型、海水入侵监测、数值模拟软件、海水入侵 防治以及室内模型试验等方面。结合国内外对海水入侵的研究成果及工程实例等，阐述 了海水入侵的发现、研究历史、目前所处的研究阶段；总结了海水入侵数学模型不同的 分类方式并对常用的突变界面模型和过渡带模型自2 0 世纪6 0 年代至今的发展情况进行 了阐述；海水入侵的监测方面，海水入侵的监测方法大体可以分为三类，化学法，物理 法和同位素法，着重对化学法和物理法的监测指标、监测方法及其划分海水入侵的量值 范围进行了描述；数值模拟软件，列举了近年来常用于海水入侵数值模拟的几种软件， 并对各软件的功能进行了简单介绍；总结了海水入侵防治的各种工程措施和生态措施， 并结合研究或工程实例阐述了其防治海水入侵的效果；列举了国内外进行海水入侵室内 模型试验的研究情况，对其模型、试验内容、试验方法及其成果进行了介绍。 同时，简单介绍了此次研究的主要内容、研究的技术手段和方法，为更好的完成论 文打下了基础。 1 6 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章着色示踪剂的选择及参数确定 2 1 着色剂示踪剂的选择 本研究应用海水着色技术，- 作为海水示踪物质的着色剂通过对海水的着色来直观的 标示海水的运移过程。着色示踪剂必须满足三个条件：一是着色剂对含水介质没有吸附 作用，这使得着色剂与n a c i 在运移过程中始终保持恒定的质量比例。二是着色剂不会 对氯离子的检测产生影响同时氯化钠也不会对着色剂的检测产生影响。三是着色示踪剂 必须与c l 。以相同的速率在试验介质中运移。本文初步选取了一种吸附性比较小的水溶性 食用色素胭脂红作为海水入侵室内试验研究的着色示踪剂，并通过着色剂干扰试验和着 色剂运移速率试验来验证其是否满足干扰性和溶质运移的一致性要求。 2 1 1 着色剂干扰性试验 ( 1 ) 试验原理 作为着色示踪剂必须要求在和c l 同时存在时，彼此不会对其检测产生干扰。这样检 测数据才能代表真实浓度，该数据才能作为试验结果分析的依据。 ( 2 ) 试验仪器和药品 试验中使用的药品有胭脂红1 ( 4 磺酸1 萘偶氮) 2 羟基6 ，8 萘二磺酸三钠盐；氯化 钠；硝酸银等。试验仪器主要有z d 2 a 型自动电位滴定仪和7 2 3 可见分光光度计。z d 2 a 型自动电位滴定仪用于测定着色海水中氯离子浓度。试验中在自来水中加一定量的n a c i 来模拟海水，然后加入一定量的色素胭脂红配制成着色海水。选择c r n 定水中的n a c i 。 c 1 的检测方法有化学滴定法、沉淀法、离子色谱法和电位滴定法。化学滴定法采用指示 剂指示终点，由于红色着色示踪剂的存在不能采用化学滴定法。沉淀法，经试验胭脂红 对沉淀的干扰明显故不予采用。离子色谱法由于有机物胭脂红的存在故不能采用。因此， 采用电位滴定法测定着色海水中的n a c l 。胭脂红的测定方法【7 3 1 有三氯化钛滴定法和分光 光度比色法等，本实验采用的是分光光度比色法，仪器采用7 2 3 可见分光光度计。 ( 3 ) 试验方案 目前，海水入侵室内试验研究中一般采用的海水浓度都在1 0 6 0 9 1 的范围内。本试 验拟采用的海水浓度为1 5 9 1 、2 5 9 1 和4 0 胡，因此在干扰试验中n a c l 浓度梯度必须包含 这三个浓度。胭脂红拟采用的浓度为0 5 9 1 、1 0 9