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大连市周水子地区海水入侵问题研究 摘要 海水入侵是指由于陆地淡水水位下降而引起的海水直接侵染地下淡水层的一种环 境地质恶化现象，它是人类在沿海地区的社会活动导致的一种人为自然灾害。海水入侵 是由自然和社会环境中诸多因素长期共同作用的结果，其中最直接的原因是地下水位的 持续下降和降水的严重不足。近年来，我国沿海城市由于过量开采地下水，大多不同程 度的出现海水入侵问题。大连市是海水入侵比较严重的城市，并且已经影向到了国计民 生，海水入侵是该市地下水开发利用出现的主要问题。 本论文主要对大连市周水子区域海水入侵态势进行了模拟研究，应用美国地质调查 局公开发表的s u t r a 地下水质模型进行了模拟计算，以功能强大的科技绘图软件 t e c p l o t 对其模拟结果进行后处理分析。并针对国内外控制海水入侵灾害的技术和方 法，结合我国海水入侵实际情况，探讨了建立淡水帷幕、加设防渗墙等防治措施的对策。 论文第一章文献综述部分首先论述了海水入侵给国际上的许多国家特别是中国带 来的灾害，其次分析了本文的选题背景和意义，然后在此基础上对海水入侵的概况、机 制、海水入侵的基本理论、国内外海水入侵问题研究方法及现状进行了概括，最后提出 了本研究课题的内容及方法。 第二章是本论文的基础部分，论述了本论文研究区域的水文地质条件。第三章介绍 了s u t r a 数值模型基本原理和t e c p l o t 图形后处理软件。 第四章是将模型应用于大连市周水子区域，根据水文院提供的相关地质资料，分析 地质概况，建立概念模型，模拟了三年内海水入侵内陆的态势，并与观测数据进行了比 较。计算结果表明，该模型方法可靠，预测合理，可以对地下水资源的利用与丌发进行 相应的工程规划。在此基础上分析了入侵距离随降雨量的变化趋势、过渡带宽度以及咸 淡水界面的变化规律，为后续的海水入侵防治措施提供了一定的参考依据。 第五章假设了几种回灌一开采方案，定量分析比较了2 5 0 m g l 、5 9 l 、1 0 9 l 浓度 线的运移变化规律，来说明淡水帷幕的作用。在淡水帷幕的形成过程中，回灌流量是主 要的影响因素，回灌流量越大，帷幕作用越显著。然后拟定算例说明回灌位置的优化选 择以及咸淡水界面的变动情况。第六章针对防渗墙对海水入侵的屏障作用进行了分析论 证。第七章扼要的总结了本论文所取得的研究成果，并提出今后进一步研究的方向。 关键词：海水入侵突变界面过渡带淡水帷幕防渗墙 奎堇童旦查些堕壅查垒堡塑整! 蜜 abstract s e a w a t e ri n t r u d i n gi n t og r o u n d w a t e rl a y e rc a u s e db yt h ed r o po ff r e s h w a t e rl e v e lo fe a r t hi saw o r s e n i n g p h e n o m e n o no fe n v i r o n m e n t a lg e o l o g yn a m e ds e a w a t e r i n t r u s i o ni ti sa na r t i f i c i a ld i s a s t e ro fn a t u r e i n d u c e db yh u m a n ss o c i a la c t i v i t i e si nc o a s t a lc i t i e st h el o n g - t e r mc o - o p e r a t i o no fm a n ye n v i r o n m e n t a l f a c t o r so fn a t u r ea n ds o c i e t yh a sr e s u l t e di ns e a w a t e ri n t r u s i o n ，a n dt h em o s td i r e c tc a u s e sa r es u s t a i n e d l o w e r i n go fg r o u n d w a t e rl e v e la n ds e v e r ed e f i c i e n c yo fr a i n f a l l r e c e n t l y , m o s to fc o a s t a lc i t i e s i nc h i n a h a v eb e e nu pa g a i n s ts e a w a t e ri n i r u s i o np r o b l e mt os o m ee x t e n d t h i sp r o b l e mi ni h ec i t yo fd a l i a ni s r e l a t i v e l ys e r i o u s ，a n de v e na f f e c t st h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h ep e o p l e sl i v e l i h o o d i th a sb e c o m et h e l e a d i n gq u e s t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n t a n du t i l i z a t i o no f g r o u n d w a t e r t h es i t u a t i o no fs e a w a t e ri n t r u s i o ni nt h ed i s t r i c to fz h o u s h u i z id a l i a ni ss i m u l a t e da p p l y i n gs u t r a i n t h i sp a p e r t h es o f t w a r et e c p l o tw h i c hs h e w sap o w e r f u lf u n c t i o ni nt e c h n o l o g i c a ld r a w i n g ，i su s e dt o d o p o s tp r o c e s s i n ga n a l y s i st o w a r d st h es i m u l a t i o nr e s u l t s a b o u tt h et e c h n i q u em a dm e t h o dt oc o n t r o l l i n g s e a w a t e ri n t r u s i o nd i s a s t e r si n l a n da n da b r o a d ，s o m ec o n t r o lm e a s u r e ss u c ha s s e t t i n gu paf r e s h w a t e r b a r r i e ra n da d d i n gac u t o f f w a l la r ed i s c u s s e d ，c o m b i n i n gw i t ht h es p e c i f i cf a c ti nc h i n a i nc h a p t e r1 ，d i s a s t e r sb r o u g h tb ys e a w a t e ri n t r u s i o nt om a n y c o u n t r i e s ，e s p e c i a l l yc h i n a ，a r ed i s c u s s e d a tf i r s t ，t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fp r o j e c ts e l e c t i o na r ea n a l y z e d ，t o o t h e n ，0 nt h eb a s i so f t h i s ， g e n e r a lc o n d i t i o n s ，m e c h a n i s m ，b a s i ct h e o r yo fs e a w a t e ri n t r u t i o n ，r e s e a r c hm e t h o d sa n dp r e s e n tc o n d i t i o n s o ns e a w a t e ri n t r u s i o ni n l a n da n da b r o a da r e s u m m a r i z e d f i n a l l y , t h ec o n t e n t sa n da p p r o a c hf o rt h i s r e s e a r c ha r ep u tf o r w a r d c h a p t e r 2i st h eb a s i so ft h i sp a p e ra n dh y d r o g e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h er e s e a r c hr e g i o na r er e v e a l e d h e r e f u n d a m e n t a l p r i n c i p l e o fs u t r an u m e r i c a lm o d e la n dt e c p l o tg r a p h i c a l p o s tp r o c e s s i n g s o f t w a r ea r ei n t r o d u c e di nc h a p t e r3 t h em o d e li sa p p l i e dt ot h ed i s t r i c tb e t w e e nd a l i a nb a ya n dz h o u s h u i z ii nc h a p t e r4 b a s e do nr e l e v a n t g e o l o g i c a ld a t ab yb u r e a uo fh y d r o l o g y , g e n e r a lg e o l o g i c a lc o n d i t i o no ft h er e s e a r c hr e g i o ni sa n a l y z e d ， a n dac o n c e p t u a lm o d e li se s t a b l i s h e d t h es i t u a t i o no fs e a w a t e ri n t r u s i o ni n t oi n l a n da r e ad u r i n gt h r e e y e a r si ss i m u l a t e da n dc o m p a r e dw i t ht h eo b s e r v a t e dd a t a r e s u l t ss h o w t h a tt h em o d e li sr e l i a b l e ，a n dt h e p r e d i c t i o ni s r e a s o n a b l e s oi tc a nb eu s e dt om a k ep r o j e c tp l a n n i n gf o ru t i l i z a t i o na n de x p l o i t a t i o no f g r o u n d w a t e rr e s o u r c e s i na d d i t i o n ，t h ev a r i a t i o nt e n d e n c yo fi n t r u s i o nd i s t a n c ea l o n gw i t hp r e c i p i t a t i o n a m o u n ta n dt h ev a r i a t i o nl a wo f t h ew i d t ho f t r a n s i t i o nz o n ea n ds e a w a t e r - f r e s h w a t e ri n t e r f a c ea r ea n a l y z e d ， p r o v i d i n gs o m e r e f e r e n c e sf o re s t a b l i s h i n gc o n w o lm e a s u r e s s u b s e q u e n t l y , i n c h a p t e r5 ，s e v e r a l s o r t so fb a c kp o u r - e x t r a c t i n gs c h e m e sa r e s u p p o s e da n dt h ev a r i a t i o nl a wo f 2 5 0 m g l ，5 9 l ，l o g lc o n c e n f f a t i o nc o n t o u r sa r ea n a l y s e dq u a n t i f i c a t i o n a l l yt oi l l u s t r a t et h ef u n c t i o no f f r e s h w a t e rb a r r i e r d u r i n gt h ef o r m i n g p r o c e s so ff r e s h w a t e rb a r r i e r , b a c kp o u ra m o u n ti st h ek e yf a c t o r t h eh i 【g h e rt h ea m o u n ti s ，t h em o r er e m a r k a b l et h ef u n c t i o ni s , t h e n ，o p t i m u ms e l e c t i o no f t h eb a c kp o u r p l o t sa n dt h ev a r i a t i o ns i t u a t i o no fs e a w a t e r - f r e s h w a t e ri n t e r f a c ea r ee x p l a i n e db yd e s i g n i n gp r o j e c t s t h e i 大连市周水子地区海水入侵问题研究 s h i e l d i n ge f f e c to fc u t o f fw a l l t os e a w a t e ri n t r u t i o ni s a n a l y s e da n dd e m o n s t r a t e di nc h a p t e r6 f i n a l l y c o n c l u s i o n sa n dr e s e a r c ht e n d e n c ya r es u m m a r i z e db r i e f l y k e yw o r d s ：s e a w a t e ri n t r u s i o n ；a b r u p ti n t e r f a c e ；t r a n s i t i o nz o n e ：f r e s h w a t e rb a r r i e r c u t o f f w a l l i i 大连市周水子地区海水入侵问题研究 0 前言 海水入侵是由于滨海地区地下水动力条件变化，引起海水或高矿化咸水向陆地淡水 含水层运移而发生的水体侵入的过程和现象。沿海城市是人口高度集中和经济快速发展 的地区，对淡水资源的过度需求导致超量开采，地下水水位持续大幅度下降，造成咸、 淡水界面发生变化，海水向淡水含水层侵入，地下水矿化度增高，水质恶化。海水入侵 已成为沿海地区的一种重大灾害现象，海水入侵的发生机理决定了此类灾害发展的复杂 性、隐蔽性和多变性，这些特点又决定了海水入侵防治的艰巨性。海水入侵造成的危害 和损失是巨大的，已成为制约沿海地区社会经济发展的重要因素，引起了世界各沿海国 家的充分重视【l 】。海水入侵现象在全球各大洲的沿海地区广泛存在。美国的长岛、墨西 哥的赫莫斯城，以及日本、泰国 2 1 、以色列、荷兰、澳大利亚等国家的滨海地区都存在 海水入侵的问题。， 中国海岸线长达1 8 1 0 4k m ，沿海地区是中国经济快速发展的地区，淡水资源供 需矛盾突出【3 】。由于海水入侵，地下淡水水质恶化，致使大量水井报废、粮食绝产、果 园被毁，严重阻碍了当地的工农业生产和旅游业的发展。 辽宁省是一个拥有广阔海域的省份，全省海岸线从鸭绿江口至山海关老龙头全长 2 1 7 8 3k m ( 4 。从7 0 年代末开始，辽宁沿海地区海水入侵现象目益严重。1 9 9 1 1 9 9 3 年监测结果表明，辽宁沿海地区的大连，锦州，葫芦岛等地海水入侵总面积已达7 6 6 k 群，其中侵及耕地3 8 6 万h m 2 ，并使海侵区5 8 0 眼机电井报废，减少水田面积2 0 万h m 2 ，每年减产粮食13 0 0 万公斤：工业上因地下水水质下降，水中含氯度高，生产 设备受腐蚀，更新年限明显缩短。总之，随着海水入侵形势的加剧，给工农业生产和人 民生活造成了较严重的影响嗍。因此，开展海水入侵研究，制订滨海与海岛地区合理的 地下水开发利用与管理方案，防止和减轻海水入侵的危害，具有重要的理论意义和科学 价值。 早在7 0 年代末，范家爵m 等学者针对大连大魏家一个水源地的地下水质情况，建立 了忽略密度影响的平面二维对流溶质运移模型，用不规则网格有限差分进行了海水入侵 求解模拟，取得了较好的模拟结果。本文是在前人研究的基础上，对大连市周水子部分 区域在纵向剖面上的海水入侵态势进行了模拟，进一步探讨海水入侵、咸淡水界面的运 移变化规律，为建立更好地反映实际情况的大连市海水入侵预报模型进行有益的探索。 大连市周水子地区海水入侵问题研究 1 文献综述 1 1 开展海水入侵研究的背景及重要意义 大连市海水入侵地段( 7 】主要有南关岭、周水子、革镇堡、营城子和中山区滨海地带， 如2 0 0 0 年丰、枯水期大连市区海水入侵形势图所示( 见图1 1 、1 2 ) 。大连市，6 0 年代中期开始发生海水入侵，但面积仅为4 2 k m 2 ；1 0 年后，市辖的金州湾、大连湾及其 它一些小型海湾沿岸，海水入侵迅速发展。据1 9 8 1 年资料统计，面积已达1 7 8 5 k m 2 ， 海水入侵距离一般5 0 0 - - 7 5 0 m ，最大逾1 0 0 0 m 。到1 9 8 6 年，海水入侵面积很快扩展到 2 8 8 6 k m 2 ：受海水的污染，地下水中氯离子含量高达3 0 0 - - 1 0 0 0 m g l ， 1 1 最高为7 0 0 0 m g l 。 海水入侵使地下水水源地遭到严重破坏，加剧了大连市水资源的供需矛盾。此间，随着 地下水开采量的逐年增加，地下水水位不断下降，地下水漏斗区出现并逐渐扩展，海水 入侵面积相继扩大。“七五”期间，由于大连市政府采取了有力措掩，限制地下水的开 采，使海水入侵初步得到了控制。“九五”期间，“引碧入连”三期工程的竣工，使城市 用水紧张的形势有所缓解，地下水不再作为饮用水使用，减少了地下水的开采量，又由 于郊区菜地搬迁、郊区用水采用自来水等原因，地下水开采量大减，导致海水入侵面积 减少。海水入侵的危害主要表现q 为： 1 、对工业生产的影响 海水入侵使部分 工厂的自各水井遭到 破坏而不能使用，或 因使用了海水入侵的 地下水，使工厂的设 备、管道严重腐蚀， 使用寿命缩短，增加 了企业的经济负担。 2 、对农业的影响 由于南关岭、营 城子及革镇堡一带菜 地长期使用遭海水入 图1 - 1 大连市海水入侵形势图( 2 0 0 0 年丰水期) 侵地下水井浇地，致 i g1 1s l t u 融i “o f 8 。8 ”。i “i o “i “d a l i a n ( i n 。a i n ys e a s o n o f 2 0 0 0 ) 使土地板结、盐碱化， 蔬菜产量逐年下降， 奎兰童塑查丝垦塑查垒堡塑整堑窒一一 部分菜地不得不改为旱田或建设用地。 3 、对人民生活的 影响 海水入侵使地下 水氯离子浓度上升，水 质咸化，部分民用饮水 井报废。南关岭、营城 子一带居民因常饮用 苦咸水，致使该地区居 民肠胃病发病率逐年 升高，影响了人民身体 健康。市政府为解决郊 图i 2 大连市海水入侵形势图( 2 0 0 0 年枯水期) 区居民饮水难的问题， f i g1 28 i m a t o no f s 。”咖i “n n i o “i 1 1 d a l i “( i n d r y8 。a s “o f 2 0 0 0 ) 耗费了大量的资金安 装了自来水，给国家增 加了经济负担。 从以上各类问题中，可以看出研究滨海城市陆地与海洋相互作用，尤其是由于地下 水开发引起的海水入侵问题具有十分重要的科学意义和经济价值。 1 2 海水入侵概况及海水入侵机制 1 。2 。1 海水入侵的基本内涵 1 对海水入侵的界定 目前，人们对海水入侵的定义还没有取得一致的意见，甚至对这现象的称谓及其 涵盏的范围都存在着不同的认识。国外文献一般称之为盐水入侵( s a l i n i t yi n t r u s i o n ) ，国 内文献除称其为海水入侵外，还有海水侵染、海水内侵、海水地下入侵、咸水入侵、咸 水侵染、卤水侵染等名词，但相对而言，接受“海水入侵”这一名词的人数更多。薛禹 群认为( 1 】，如果淡水抽水量超过了它的补给量，使海岸带附近地下水水头下降到出现淡 水体的水头低于附近海水楔形体的水头时，咸淡水界面就要向陆地推进，直至形成新的 平衡，这就是海水入侵。姜嘉礼认为m 】，海水入侵是指滨海地区由于超量开采地下水， 导致地下水埋深持续下降，咸淡水的动态平衡被破坏，引起海水直接入侵淡水含水层的 现象；王秉忱认为h 3 】，海水入侵是沿海地区由于陆地地下淡水水位下降所引起的海水直 接侵染淡水层的自然现象。其他学者也曾发表过类似的定义。从许多文献给出的定义看， 虽然字面表达上不尽一致，但从中可以抽象出海水入侵的本质是：由于自然因素或人为 活动的影响，滨海地区地下含水层水动力条件发生改变，使淡水与海水之间的平衡状态 查薹皇旦查量些墨查堡垒堡塑璧翌堑一 遭受破坏，结果导致海水或与海水有直接动力联系的高矿化度地下水沿含水层向陆地方 向侵入、成淡水界面不断向陆地方向移动，从而使淡水资源遭到破坏的过程和现象c 换 句话说，海水入侵是人为园索引起的，自然因素只是对海水入侵起一定的影响和控制作 用。 2 海水入侵区的界定 ，一格讲凡是由于海水入侵而使地下淡水的矿物成分增高的地区，都应视为海水入侵 发生区。c l 一为海水的表征性元素，且c l 一是保守元素，测定方法简单，根据其含量比值 较容易计算其它主要化学元素的含量，故采用统一的c l - 叁量标准作为海水入侵地评判 依据，既方便又可信。按照辽宁省地下水资源保护区规划工作技术大纲 1 4 1 要求，本 次将氯离予含量大于2 5 0 毫克升的地区划定为海水入侵区。所以在地下水质监测中即通 过水质分析，测定地下水的c l 一离予的含量，当含量大于2 5 0 m g l 时，水质属于海水范 围，依此确定咸淡水界面和海水入侵范围m 】。 3 海水入侵的分类 ( 】) 根据入侵水体的来源分类 狭义的海水入侵：是指滨海地带地下淡水水位下降后，海水向地下淡水含水层扩侵， 使地下淡水资源遭到破坏的现象。 盐水入侵：是指滨海地带地下淡水水位下降后，淡水水体下部或旁侧与海水有一定 联系的地下成水体向上方或侧方扩展，使地下淡水资源遭到破坏的现象。 在多数地区，这两种入侵活动常常混合发生或连续发生，凼此不易区分。 ( 2 ) 根据含水层岩性特征分类 孔隙水含水层海水入侵：岩溶水含水层海水入侵：裂隙水含水层海水入侵。其中以 孔隙水含水层海水入侵的发生几率最大；岩溶水含水层次之，裂隙水含水层最小。 ( 3 ) 按入侵方式分类 直接入侵：指滨海地区水位下降后，地下水与海水之间的补排关系发生逆转，海水 或深部威水体向陆地方向运移扩侵，使地下淡水咸化。 潮流入侵：指在潮汐作用下海水沿滨海河谷上溯，并从河流两侧渗入补给地下水， 使地下淡水咸化。 减压顶托入侵：是指滨海地区地下淡水水位下降后，倾伏在下部的高矿化赋水向 二 发生顶托或越流扩侵，使地下淡水成化。 4 大连海水入侵的主要形式 海水入侵大体可分为两种形式：均质介质的均匀入侵和非均质裂隙岩溶的线状及管 道状入侵。 ( 1 ) 均质介质的均匀入侵 主要发生在松散堆积层内，当含水层内的地下水超量开采，孔隙水趋于疏千的情况 下，海水便向内陆均匀蔓延，海水呈面状均匀地向含水层侵入。 大连市周水子地区海水入侵问题研究 ( 2 ) 非均质裂隙岩溶的线状及管道状入侵1 1 6 】 主要分布在裸露、半裸露的基岩裂隙及裂隙岩溶分布区。前者主要分布在大连地区 南部，石英岩、泥质灰岩呈东两向条带状展布，海水入侵非常缓慢；后者则广泛分布在 周水子以北的地区，海水入侵是不均匀的，其表现无论在水平方向上还是在垂直力向f ： 都有差异性，多呈线状及管道状入侵，为此表现 5 入侵面参差不齐的形态。在非均质的 线状入侵巾，水平方向有距海近氯离子含量高，距海远氯离子含量低的特点；垂直方向 表现为上淡下成的趋势。 1 2 2 海水入侵的机制与影响因素 1 海水a 侵的机制 海水入侵地下水实现淡水相互作用、相互制约的复杂的流体动力学过程。存自然状 态下，含水层中的咸、淡水保持着某种平衡，滨海地带地下水水位自陆地向海洋方向倾 斜，陆地地下水向海洋排泄，二者维持相对稳定的平衡状态。在这种情况下，滨海地带 密度相对较小的地下淡水浮托在密度较火的海水或成水之上，含水层保持较高的水头， 而月二者问形成宽度1 i 等的过渡带或临界面。在咸、淡水平衡状态下，这个过渡带或临 界面基本稳定，可以阻止海水入侵。然而，这种平衡状态旦被破坏，咸淡水临界面就 要移动r 以建立新的平衡。如果大量开采地下水使淡水压力降低，临界面就要向陆地方 向移动，原有的平衡被破坏，含水层中淡水的储存空间被海水取代，于是就发生了海水 入侵m j 。 关于海岸带含水层中海水一淡水关系的基本理论，在国内外已进行了广泛的研究。 2 0 世纪初，欧洲的某些滨海地区，在开发地下水的过程中率先发现了海水入侵闽题，即 在含水层中出现了盐水。吉恩和赫兹伯格分别对这一现象进行了分析，他们认为，在天 然条件下海岸带附近咸、淡水分界面的埋深相当于淡水位高出海平面高度( h r ) 的4 0 倍。丌采地下淡水时，经常在开采井附近形成降落漏斗和咸水侵入的反漏斗；如果丌采 量过大，则咸水反漏斗扩大上升，使咸水进入丌采井中而污染水源。 2 海水入侵的影响因素 海水入侵的内在原因是沿海地区含水层中的地下淡水与海水之间存在着良好的水 力联系。导致成、淡水平衡状态遭受破坏的外在冈素有水文、气象、海平面变化、咸淡 水密度比、淡水入海径流量、地下水天然补给量等自然原因和人类活动对天然水资源的 开发与利用。 ( 1 ) 水文地质条件 滨海地区地下淡水与海水之间存在的水力联系是海水入侵的物质基础。如在滨海平 原地区，颗粒较粗的第四系砂质沉积物透水能力强，地下淡水与海水之间缺乏稳定的隔 水层，是海水入侵的主要通道。在基1 l a , ，1 一：一x ：，如果地层中发育构造裂隙或溶孔、溶 大连市周水于地区海水入侵问题研究 洞等导水通道，当陆地地下水水位卜降到海甲面以下时，海水就通过这些通道迅速向内 陆入侵。 影响海水和淡水z 问水动力平衡的因素是多方面的。 ( 2 ) 气候条件 自然方面的原因主要是t 候变化。由于气候持续干早，河水径流量不断减少甚或断 流，从而导致河流入海水量和地下水补给量减少。全球气候变暖引起的海平面e 升可增 大潮水沿河流的上溯距离，结果也可诱发海水入侵。 ( 3 ) 人类活动 人类活动对地f 淡水资源的开发利用是滨海地带咸、淡水平衡状态遭受破坏的重要 因素。沿海地区水资源供需矛盾门趋尖锐，许多地区长期超量开采地下水，使滨海地带 地下水水位大幅度下降，形成低于海平面的地下水位负值区，海水沿含水层侵入地下淡 水含水层而发牛海水入侵。海水养殖和引潮晒盐等经济活动把大量海水引入陆地也扩大 了海水向地下淡水的补给范围。此外，在入海河流的一卜：游地区修建水库、塘坝等水利设 施，均可使河流入海水量普遍减少，或在河f _ | 地区大量挖沙降低河床标高等人为活动加 剧了潮水上溯的距离，使河流曲侧发生海水入侵。 总之，在影响海水入侵的因素中，干旱少雨、水资源不足是背景条件，含水层导水 性等水文地质特征是基础条件，不合理的人类活动是诱发条件。三者共同作用的结果可 能导致沿海地区出现大范围的海水入侵。 1 2 3 海水入侵的特点 l 由点裂面速度很快 中国许多沿海城市最初的海水入侵只在孤立的个别点卜发展，范围很小。如果地下 水丌采量继续增加，则逐渐由点到面，最终发展为沿海岸带呈连续的面状入侵。如大连 1 9 6 9 年发现海水入侵面积仅4 。2 k m 2 , 1 9 7 71 9 8 8 年由8 4 k m 2 扩大到4 2 7 ，8 5 k m 2 ，最大入 侵陆地的距离为7 2 5 0 m 。如山东莱州，2 0 世纪7 0 年代中只出现零星的海水入侵，7 0 年 代末入侵面积达到1 5 8 k i n 2 ，8 0 年代初期增到3 9 2 k m 2 ，8 0 年代中期为7 1 1 k n l 2 ，连续 成片，波及整个沿海地区，到8 0 年代末期已达到1 9 6 2 k m 2 。海水入侵速度很快，进入 9 0 年代，随着当地降水量的增加，海水入侵才明显减缓，海水入侵速度主要取决于地下 水丌采量和补给量。 2 海水s 淡水闯有过渡带 滨海区淡水含水层中的水力梯度通常倾向海，海是含水层剩余淡水的“收容器”。由 于在海底下而的含水层中赋存着海水，因而在流入海的淡水与卜j 伏海水之间形成一接触 带。淡水和海水实际上是可溶混的流体，因此，由于流体动力弥散作用，它们之f l j j 的接 触带将以混合水的过渡带形式出现。越过这个过渡带，密度将从混合水变到海水。过渡 大连市周水子地区海水入侵问题研究 带的宽度取决_ f 二海水区与淡水区之问的水头差及含水层的渗透系数、弥散系数、含水层 的补给量、抽水量的变化、潮汐及抽水井的位置等各种因素。我圈沿海地区多数存在一 宽广的过渡带。大连的过渡带宽度超过7 h n ，山东莱州过渡带宽2 4 k m ，龙口过渡带 宽1 5 2 ，5 k m 。最大宽度3 5 k m 。由海向陆过渡带水体的c ! 浓度由3 4 9 , l ( 个别达到 8 t g l ) 逐渐减少到2 0 0 m g l 。 3 水岩润存在阳离子交换1 9 在海水入侵淡水层的过稗中，水一岩间存在阳离予交换作用。阳离子交换作用以n a + 与c a ”交换为主【2 0 i ，其次是m g ”与c a 2 交换；咸、淡水混合过程中高浓度的n a + 、m ，。 将含水介质所吸附的c a 2 + 替换下来，使得海水入侵区的地卜水中c a 2 + 含量比当地地下淡 水及海水中的c a 2 _ 含量都高，导致海水入侵区地下水的硬度发生变化。海水入侵过程中， 含水介质对水中的k + 则表现为较强烈的化学吸附，水一岩问k 一与c a 2 + 交换量非常小。 侄岩土巾，只有当咸淡水界面移动时，离了交换作用才会出现。这个过程主要在 咸一淡水过渡带中出现。旦条件发生了变化，交换就会终止。 1 。3 海水入侵的基本理论 ( 1 ) 静力学阶段1 ：j c o m m u n ( 1 8 2 8 ) 、b o d o n g h y b e n ( 1 8 8 9 ) 、h e r z b e r g ( 1 9 0 1 ) - - - x 独市给出海水入侵时咸淡水界面卜任一点存海平面卜i 深度z 的表达式： z = 卫矗，( 11 ) p 5 一p i 。 式( 卜1 ) 中，h 广淡水水头，即淡水面高度；z 淡水区海平面以下淡水水深，即海 平面以下界面任意点的深度；p ；一淡水比重；p 。一海水比重。 h u b b e r t ( 1 9 4 0 ) 其后又给出海水入侵时咸淡水界面 任一点在比较平面j 二高度z 的 表达式： z = j l 吃一l h ， ( 1 2 ) p ：一p ； p s p ? 式( 卜2 ) 巾，h s _ 成水水头，其余同式( 卜1 ) 。不难看出，式( 1 1 ) 是取海平面为比 较平面时式( 卜2 ) 的特殊情况，比式( 12 ) 更为简洁，所以更常用；式( 卜2 ) 是式( 卜1 ) 的 推广，仍属静力学阶段的产物。 ( 2 ) 渗流阶段：为书写简洁起见，令式( 卜1 ) 中的旦一：6 ，代入反映质量守恒的 p ：一p 。 水流连续原理和反映能量0 。厘和转化的达西定律，即得潜水含水层单宽排泄入海量： 脚21 + 占聊 g2 = 一了一= -( 卜3 )1 2 z 矗2 2 承压含水层单宽排泄入海量 大连市周水子地区海水入侵问题研究 玎：竺k 2 1 2 6 l 、 式中卜一海水入侵带宽度或入侵距离。 ( 3 ) 渗流与弥散联立阶段：g l o v e r ( 1 9 5 9 ) 、c o o p e r ( 1 9 5 9 1 、h e n r y ( 1 9 6 2 ) 等研究了荷兰、 以色列、美国等地的咸淡水混合带或过渡带，用可混溶流体的对流弥散方程代替1 i 可混 溶流体的突变界面表达式。3 0 多年来沿这方向做了大量的工作，但都把弥散视为与渗流 并存的现象，从数学上联立求解渗流微分方程和弥散微分方程。这两个微分方程适用于 所有地区，其在海水入侵地区的边界条件和初始条件下的解( 般用数值法求熊) 可间接 展示海水入侵过程，为此需要对具体研究区不同时刻的求解结果进行追踪对比。这样， 海水入侵的特殊规律隐藏在这组微分方程的解之中，普遍适用的方法反而掩盖了特殊规 律。 ( 4 ) 渗流与弥散耦合阶段：这一阶段的研究把弥散视为与渗流对立的冈素，从物理 上分析渗流与弥散互相抗衡或迭加的关系，两者问平衡的破坏和晕建构成海水入侵全过 程的本质，直接讨沦咸淡水过渡带运动的动力和过程，显示海水入侵的特殊规律，使之 具有直观的性质，故称为海水入侵的动力学理论。在这一基础上建立了海水入侵的基本 理论。 关于海水入侵的基本事实，可以归结为：c1 ) 天然状态下，海水存淡水体f 入侵内 陆：( 2 ) 咸淡水之间有或宽或窄的过渡帝，当过渡带厚度远小于含水层厚度时，可把过 渡带视为咸淡水间的突变界面；( 3 ) 淡水开采使此过渡带或界面上升，特别是在集中开 采的井群处旱圆锥状上升，称为升锥，还使海水入侵内陆的距离( 即入侵带宽度f ) 增大； ( 1 ) 大量开采使淡水面低于海平面( 地下水位高程取负值) 时，入侵带宽度小于水位高 程负值带宽度：( 5 ) 刮强劲的海风时，入侵距离增大，风向相反时则减小。 海水入侵的动力有二： ( 1 ) 咸淡水密度差引起的咸水向陆渗流：由于水的压强p - pg h ，因此，即使咸淡水 界面两侧相距很近的两点上成水和淡水具有相等的压头h ，但咸淡水具有不同的密度p ， 故这两点卜 的咸水和淡水具有不同的压强p ，这个压强差使咸水向陆渗流。在刮强劲的 海风时，海面上和淡水浅埋区( 在承压水则为补给区) 的气压差通过在水体内的传递也能 引起成水向陆渗流。 ( 2 ) 咸淡水中盐的浓度差引起的咸水向陆弥散：浓度差直接引起咸水向陆扩散，在 扩散过程中由介质通道不均一性引起力学弥散，扩散和力学弥散合称为弥散。正是这个 弥散造成了咸淡水之间的过渡带( 第二个基本事实) 和入侵海水向大海的回流。 海水入侵之所以不会无限发展，是因为除上述两个动力外，还有一个阻力，即成淡 水水位高程差引起的淡水向海渗流( 在向海刮强劲的风时，海陆面上的气压差也能引起 淡水向海渗流) 。一般情况下，淡水位高于海水位，淡水向海渗流对海水入侵起到抗衡 与抵御作用，使入侵和反入侵因子间达到平衡。海水入侵发展全过程的本质，就是这个 大连市周水子地区海水入侵问题研究 平衡的破坏和重建。 在滨海地带，海水入侵的天然过程与人为过程相复合。在此带内大量开采地_ f 水以 前，海水入侵已经存在并产生变化。海水入侵的静力学理论，实质上是忽略了海水入侵 的第二动力( 弥散) ，只对比海水入侵的第一动力( 向陆渗流) 和阻力( 向海渗流) ，得出式 ( 1 一1 ) ，即咸淡水界面深度z 与潜水面高度h f 成正比。天然状态f 淡水入海h f 向海递减 即向陆递增，据式( 11 ) z 也向陆递增，敝碱淡水界面倾向内陆，即海水在淡水体下入 侵内陆( 第一个基本事实) 。式( 卜1 ) 、( 卜3 ) 、( 卜4 ) 也解释了第三个基本事实。刮大风 时海陆面上气压差引起的向陆或向海渗流，则解释了第五个基本事实。 存滨海地带内大量丌采地下水以前，古时即有少量开采，凼此海水入侵变化以天然 过程为土，不能完全排除人为过程。由于年景的丰枯变化和采水的多少变化，以及潮汐 涨落和构造升降引起的不同时间尺度内的海水面升降，h f 有所变化，淡水面围绕图卜1 上的a b 线摆动，z 也有所变化，咸淡水界面围绕图1 3 卜i 的a w 线摆动。h ，的变化引 起淡水入海流量q 的变化，据式( 卜3 ) 、( 卜4 ) 海水入侵距离，也有增有减，海水入侵有进 有退，是为其摆动阶段。 在滨海地带大量开采地下水以后，海水入侵的变化以人为过程为主( 由经济发展、 人l i 增长引起并与年景有关的地下水超采) ，当然不能完全排除天然过程( 降水、潮汐和 大风引起的水位高程差和气压差变化) 。随着地r 水的过量开采，海水入侵进入发展阶 段，这个阶段又可分为初始、加剧、减缓t 个小阶段。 在海水入侵发展的初始阶段，淡水大量开采形成的地下水位下降漏斗边缘到达海边 a 点，引起该点淡水水力坡度的减小和淡水向海渗流的减弱，而咸水向陆渗流和弥散基 本未变，引起海水入侵内陆。 淡水面由a b 线下降至a c 线，咸淡水分界面由a w 线向陆移动至d x 线，d 点水 zy xw“ 图1 3 海水入侵发展阶段示意图 f i g 1 3s t a g e s i n t h e p r o c e s s o f s e a w a t e r i n t r u s i o n 力坡度为零。入侵发展的原凶是入侵阻力 的减弱以及动力与阻力问原有动态平衡 的破坏。在海水入侵发展的加剧阶段，咸 淡水分界面由d x 线向陆移动至e y 线， e 点具有最大的向陆水力坡度。入侵加剧 发展的原冈是淡水渗流的反向，原来海水 入侵的阻力异化为动力，与原有二动力合 而为三。 在海水入侵发展的减缓阶段，咸淡水分界面由e y 线向陆移动至g z 线，g 点具有 相当于摆动阶段平均水力坡度的向海水力坡度。入侵减缓发展的原因是：在e f 段淡水 渗流虽仍反向，但由阻力异化成的动力减弱至零，而在f g 段恢复正向渗流，海水入侵 阻力重新出现，并加强到与两个动力重新建立平衡的程度。 在地下水集中开采带中心位置f 点不变的条件下，海水入侵的发展将在g 点终止， 大连市周水子地区海水入侵问题研究 凶此入侵带宽度必然小于水位高程负值带宽度( 第四个基本事实) 。 海水入侵发展行将终止前，集中丌采带中心处已为咸水所占，采出咸水无法利用， 可能导致水源地的报废。如果把水源地向陆内迁，则上述各阶段将重新出现。然而由于 咸淡水过渡带有厚度存在，而在此厚度内淡水逐渐变咸，故在恰当地限制丌采井深度 和开采量的条件下，有可能持续开采可供利用的微咸水，用降低水质要求的代价来换取 所需的水量。 ， 这样，海水入侵具有下列四个基本特征1 2 ：i ： ( 1 ) 天然过程和人为过程的复合性：在以天然过程为主的入侵摆动阶段，影响入侵 的因素有潮汐、降水、采水、大风，构造升降等，在以人为过程为主的入侵发展阶段， 影响入侵的冈素有经济、人口、降水、采水、潮汐、大风等： ( 2 ) 过程的阶段性； ( 3 ) 一次人为过程的有限性； ( 4 ) 一次人为过程终止后持续开采微咸水的u 能性。 显然，研究史上不同阶段的海水入侵理论可视为上述基本理论在不同条件下的特 殊形态( 如表1 1 ) 。 表1 1 海水入侵理论的发展历史 t a b 1 1d e v e l o p m e n t h i s t o r y - o f s e a w a t e r i n t r u s i o n t h e o r i e s 理论发展阶段基本理论特殊形态存在的条件 静力学忽略 对比咸淡水密度差引起的咸水向陆渗流和咸淡水 弥散 水位高程差引起的淡水向海渗流 渗流考虑淡水向海渗流的有芙参数 渗流与弥散联立把弥散视为与渗流并存的现象 考虑 渗流与弥散耦合弥散 把弥散视为与渗流对立的因素，两者间平衡的破 坏和重建构成海水入侵发展全过程的本质 1 。4 海水入侵问题的研究方法及目前的发展水平 1 4 1 海水入侵模型 海水入侵研究经历了从理想假定到合理概化，从室内实验模型、理想模型到数值模 型这一发展过程1 2 3 ，。数值方法已成为模拟和求解海水入侵问题的最有力工具。概括起来， 研究海水入侵的模型按研究对象可分为突变界面模型与基于海水淡水以弥散带接触的 过渡带模型。海水入侵的过渡带模型成为主要的研究方向。 1 突变界确模型 早存1 9 世纪末，人们开展了以海水和淡水为不混溶流体这一假设基础上的突变界 大连市周水子地区海水入侵问题研究 面模型研究。g h y b e n i ，一 ( 1 8 8 8 ) 和h e r z b e r f ( 1 9 0 1 ) 假设海水和淡水为非混溶流体，将淡一咸 水平衡作为静平衡来研究，由静水压强分布求解突变的界面问题。实际上，该甲衡为动 平衡，咸水和淡水都是流动的，其流动速度淡水远大于咸水。这种研究有一定的