充气法治理海水入侵的探索研究

1、充气法治理海水入侵的探索研究孙冬梅（天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072）摘要：海水入侵是沿海地区主要的地质灾害z,探索经济、安全而有效的海水入侵防治对策对于沿海地 区的水资源开发利用与保护具有重要意义。本研究采用地下水气-液二相流及溶质运移模型模拟分析了充气 法治理海水入侵的效果。利用该模型模拟了滨海承压含水层（henryk问题）的咸淡水静力平衡借况，并 将计算结果与莫他文献的计算结果进行了对比，验证了模型的有效性。然后以咸-淡水静力平衡情况作为充 气的初始条件，模拟了高压空气作用下含水层的盐度、水相和气相压力及地下水流和气流的变化悄况，结 果表明含水层中的海水入侵体在

2、充气的作用下向海水方向撤退，盐度逐渐减小，初始的海水入侵环流消失。 关键词：地下水；海水入侵；人工充气法；气液二相流及溶质运移模型 中图分类号：tv213exploratory research on air injection method to mitigateseawater intrusionsun dongmci（state key laboratory of hydraulic engineering simulation and safety, tianjin university, tianjin 300072）abstract: seawater intrusi on is

3、a serious environ mental geologic disaster in coastal areas .it is very significant to explore an economic, effective and safe measure to control seawater intrusion for water resoureces development, utilization and protection in coastal areas in this paper, a 3d liquid-gas twophase flow and solute t

4、ransport model is employed to simulate the efficiency of air injection method in the control of seawater intrusion. the model was used to simulate the static balanee condition between fresh water and salt water in coastal confied aquifer, which was used to validate the the model by comparing the res

5、ults of the model predictions with those of previously published simulations for henry's problem the static balance condition between fresh water and salt water will be used as initial condition in the case of simulating the influence of air injection method on the movement of salt-fresh water i

6、nterface and the variations of liquid and gas phase pressure, groundwater and air flow in the aquifer. the results show that the volume of seawater intrusion wedge becomes smaller with the duration of the action of compressed air injection and the initial saltwater circulation disappears.key words:

7、groundwater; seawater intrusion; air injection method; liquid-gas two-phase flow and solute transport model0引言在滨海地区，山于地下水的过量开釆导致海水入侵灾害频发。海水入侵对环境、人类健 康及社会生活等多方面带來不利影响，主要包括地下淡水变咸不适于饮用、抽水井报废、土 壤盐碱化、生态环境退化筹。如何有效的控制海水入役的进一步发展是有关领域的专家、 学者及管理人员所面临的严峻挑战。ri前，防治海水入侵的方法的有许多种，主要可归纳为两大类a】：一类是开源节流， 即增加地下淡水的补给量，减少

8、地f淡水的排泄量，限制地下水的开釆，包括人工冋灌法、 口然回灌法、降低抽水速率，及修建跨流域调水工程等;另一类是工程措施,即修建阻挡海 水的水利工程，包括实体帷幕、水力屏障和地下充气墙等。研究表明，每一种方法均有各自基金项目：高等学枝博士学科点专项科研基金（20090032120049）作者简介：孙冬梅（1978-）,女，副教授，主要研究方向为饱和非饱和渗流；水文学及水资源 e-mail:sundongmei 的适应条件及各白的优缺点，均能在一能程度上阻挡海水入侵的进一步发展，但没有一种方 法能够彻底的、冇效的防治海水入侵，只能尽可能地克服现冇方法存在的不足。例如近年來 javadi等提出的

9、adr （abstraction, desalination and recharge）方法，该方法包扌舌开采咸水, 对开釆的咸水进行海水淡化，并将淡化的咸水回补禽水层以控制海水与淡水z间的平衡，是 现今控制海水入侵效率较髙的方法z。本研究基于地下充气墙的思路提出了人工充气法，该方法是利用钻孔向地下含水层注入 高压空气，在空气超压与钻孔周围孔隙水压力间的压力差的作用下形成水气二相流，改变 了含水层屮的渗流场状态，形成指向海水侧的压力梯度，从而驱替咸水达到防治海水入侵的 目的。该方法最大的优点是空气资源充足而h无毒，无需注水或泥浆等，不会引起二次污染， 但是该方法在实际应用中的可行性尚需很多研究

10、，鉴于试验性研究的费用较高、耗时较长等 问题，木研究釆用数值模拟的方法研究人工充气法的控制效果。为了模拟高压空气的注入过 程及其对咸淡水交界面运移的影响，本文利用地下水气液二和流及溶质运移模型来定量分 析充气法防治海水入侵的效杲。1模型的建立1.1 基木控制方程地下水气液二相流及溶质运移模型的基本控制方程包括水、空气、海水的质量守恒方 程門(1)式中，必为任意的控制单元，n为控制单元体的封闭表而，m为单位体积的累积质量项,k为组分水、空气或海水，f为流量项，g为源汇项，.n为表面单元dg的单位法向量，指 向控制单元体内为正。式（1）中累积质虽项的表达式为：mk=工x卩（|）s卩0式中，卩为气相

11、或液相，（|）为孔隙率，s卩为0相的饱和度，p卩为卩的密度,x卩k为组分占卩相的质量白分数。式（1）中的流量项为平流流量与分子扩散流量之和：fk = fk | +fk kdiffu式（3）中，平流的流量项表达式为：f' ldv =若丈丽f卩为p相的平流流量，符合达西定律，其多相流形式的表达式为:p(l kr| ( sw )(5)式屮，u卩为卩和的达西流速，k为固有渗透系数，加为p和的和对渗透系数，皿为卩和的粘滞性系数,式(3)屮,p卩为相的孔隙压力，g为重力加速度矢量。 分子扩散流量的表达式为：式(6)中,工卩为有效多相流分子扩散系数，其表达式为:fk l = -svx/k-x.vx,

12、k式中，/p氷组分在卩流体中的分子扩散系数；兀卩为迂曲度，英中s是多孔介质特性参 数，“=工卩(sb)是饱和度的颁1.2模型的求解本研究釆用tough2软件中的eos7模块对上述地下水气液二相流及溶质运移模型进 行求解。tough是非饱和地下水流及热流传输(transport of unsaturated groundwater and heat)的英文缩写，是一个模拟一维、二维和三维孔隙或裂隙介质中多相流、多组分及非等温 的水流及热量运移的数值模拟程丿认tough2是英后续版本，英中eos7模块可以模拟水 (water)、卤水(brine)和空气(aii*)的混合，将液和作为纯水和某特定卤水

13、的混合物，卤水 山液相流体的质量分数为xb ,占气相流体的质量分数等于零，详细介绍见冇关参考文献。 地下饱和-非饱和含水层的海水入侵系统中，存在两和流体，即液和和气相。液和流体中包 含纯水，海水(一种特定卤水)和溶解的空气三种组分，气相流体中包含空气和水蒸汽两种 组分。在饱和的承压含水层屮，气相消失，是气液二相流系统的特殊情况。因此，本研究 屮要模拟在恒温的地下水系统(25°c)中，充气作用下的气液二和流动过程及其对咸淡水 交界面运移的影响，可采川tough2/eos7來定量分析充气法防治海水入侵的效果。2模拟分析2.1算例说明本算例描述的是承压含水层未受污染的淡水受海水入侵的情况，

14、即经典的henry's问题。 上、下两层不透水顶板、底板z间的含水层均质、各向同性，内陆侧边界上冇恒定的淡水流 入量(或者等效的淡水作用下的静水压力)，海水侧边界上分布着密度较大的海水作用下的 静水压力，见图1。1964年，henry首先给出了该海水入侵问题的半解析解，随后又有许多 学者对henry问题进行了进一步的研究心。为了便于将计算结果与以往文献中的结杲进行 对比，模型研究范囤及和关参数取值与文献相一致。模型计算参数见表1。105110、200 m图1 henryk问题的研究范围与边界条件fig. 1 the geometry and boundary conditions of

15、 henry's problem表1模型计算参数tab. 1 the parameters used for numerical simulation参数名称取值分子扩散系数cfl 孔隙率（|） 水力传导率k 固有渗透率k 海水密度p$ 淡水入流速率vin18.8571 x0-2（m2/d）0.351.0 （m/d）l18xl0i2（nu）1025（kg/m3）6.6><103（m/d）2.2咸淡水静力平衡情况含水层受咸、淡水共同作川下的静力平衡情况可利川模型进行初次计算,直到计算稳定。 初次计算时首先对计算域迹行网榕剖分，含水层被划分5mx5mxlm的8节点的均匀六而 体

16、单元，共800个单元，1722个节点。初次计算的边界条件为：淡水侧（左侧）作用淡水 源汇项，将qm=vind （d含水层厚度100m），等于6.6x10-1 iw/d均匀分布在左侧边界上，115xb=0.0；海水侧（右侧）受海水作用下的静水压力作用，xb=1.0；上、下底板为不透水边界，设置为不透水边界。初次计算的初始条件为：所有单元水相饱和，压力均为大气压力（等 于1.013xl05pa）与静水（淡水）压力之和，xb=0.0o山于稳定计算条件卜含水层恒处于 饱和状态，毛细压力可以忽略，相对渗透系数収值可设置为l-oo图2为静力平衡情况下相对（海水）盐度x/,=0.5的等值线位置及英与已有文献

17、的计算120 结果的比较图。山图可见，本研究的计算结果与其他文献的结果基本一致，从而验证了木研 究采用的计算模型模拟海水入侵问题的有效性。图3图5为静力平衡情况下滨海含水层的相对盐度、地下水流速及水压力水头分布情 况。可见，含水层在淡水和咸水的共同作用下达到静力平衡，海水沿临海（右）边界上的下 半部分大约048m的范围内流入含水层，与地下淡水混合形成楔形的咸水入侵体，并在淡125 水压力作用下沿临海边界上的上半部分大约49100m的范围流出，形成一个海水入侵环流。在含水层的右上角处地下水流速最大，约为1.59x10.6m/s。地下水流速为零的等值线反映 了海水的入侵范由，其与不透水底板的交点约

18、为x=92.0m,即海水入侵含水层的最远距离约 为1080m°10080-presented an a lysis abd-elhamid et al. (2011) -*- che ng et al. (1998) -huyakorn et al. (1987) liu et al (2001) frind (1982)z40-20406080100120160200x (m)130图2相对盐度为0.5的等值线位置及其与其他文献结果的对比图fig. 2 the 0.5 isochlor distribution and comparison with previous publis

19、hed solutions100150200图3相对盐度等值线135fig. 3 seawater-nonnalized salt concentration0.001 m/sx(m)图4地下水流速分布，水平流速为零的等值线fig. 4 the velocity distribution of groundwater. the solid line represents the location of the zero horizontal velocityfig. 5x(m)图5水压力等势线isopotential lines of pressure head人工充气的效果模拟根据静力平衡情

20、况下的相对盐度分布情况，将实施人工充气的钻孔设置在距离海水侧边 界120m处，即x=80.0m处。钻孔的直径设置为1.0m,利川空气压缩机在钻孔中作川高压 空气，钻孔中的空气在压力差的作用下向含水层流动，形成水气二相流。山于空气的密度 小丁水的密度，因此气流将向上流动，为了使气流能够充分地驱替咸水，将注气的位置尽量 靠近含水层底部，本研究将注气的范围设置为距离不透水地板的垂直距离为1530m之间。 根据静力平衡情况下的水压力水头分布情况，压缩空气的压力应大于注气范围底端处的最人 孔隙水压力，因此设置的注气压力恒为900kpa,约90.74m的淡水水头。在数值模拟中，对 研究区域巫新离散，在钻孔

21、附近将网格加密，列宽度范围为1.05.0m,钻孔的注气范围部分 设置为空气单元，非注气部分设置为不透水边界，初始条件为静力平衡情况下的结果。充气 作用的时间设置为一年（365天）。由于空气的注入，土体的毛细压力及相对渗透率与饱和度的关系需耍首先确圧。本研究 屮，土体的毛细压力饱和度关系采用leverett模型来表征g；液相和气相的相对渗透率饱 和度关系采用fatt and klikoff模型來表征g。主要参数的取值为剩余水饱和度sk = 0.15,表 160 面张力丫在7=25 °c的值为0.072 nim,进气值=苗沪540 kpa。图6为注气过程中相对盐度为0.25. 0.5和0

22、.75的等值线与不透水底板的交点(图中的 纵坐标为入侵的距离=200x交点)随时间的变化过程。山图可见，海水入侵的范围逐渐减少， 充气结束时，相対盐度为0.25. 0.5和0.75的等值线与不透水底板的交点向海水侧撤退的距 离分别约为53.1m、51.3m和43.3m。100- 9080- 7060- 5040-30-20-(lu) paprulu-o0ussq6306090120150180 210 240 270 300 330 360time (day)图6相对盐度为0.25. 0.5利0.75的等值线与不透水底板的交点的变化情况fig. 6 transient position of

23、the intersection of the 0.25, 0.5, and 0.75 isochlors with the base of the aquifer图7为充气作用下，相对盐度为0.5的等值线从开始0d到365d每隔60d的位置变化情 况。由图可见，咸水入侵体在高压空气的作川下逐渐向海水方向撤退，盐度为0.5等值线以170下的海水入侵楔形体的体积逐渐减小，注气作用停止时海水入侵楔形体的体积已经缩小到静力平衡情况下的1/7。x(m)图7相对盐度为0.5的等值线位置的变化情况fig. 7 transient distribution of the 0.5 isochlor from

24、initial to t=365 days175图8a-b为充气作用结束时，含水层的水压力水头、气压力水头、地下水流及气流的分布情况。由图8a可见，水压力水头在钻孔附近及含水层顶部增人较多，随着距离钻孔越远 水压力水头逐渐减小，地下水流在充气作用下由钻孔附近向四周流动，原来的海水入侵环流 消失，在海水侧边界上水流均流向外部。由图8b可见，气压力水头分布与水压力水头分布 基木相似，在钻孔附近及含水层顶部增大较多，窩压空气在钻孔的注气段流入含水层后垂直 180 向上流动，在含水展顶部聚集进而向两侧扩散。185190195200u50too1500x(m)(b)气压力水头及气流分布图8充气作用结束时

25、的含水层水压力和气压力水头，地下水流和气流的分布悄况fig. 8 distributions of waler and air pressure head, groundwaler flow and air flow at the end of air injection3结论本研究提出了一种新型的防治海水入侵的方法一充气法。为了研究该方法的有效性，釆 用气液二相流及溶质运移模型对充气法作用下海水入侵过程进行了模拟研究。通过模拟经 典的henry问题，将模拟结果与解析解的对比，验证了模型的准确性和有效性。然后以咸 淡水共同作用下的静力平衡情况作为初始条件，施加充气作用，计算结果显示滨海含水展中

26、 的海水入侵楔形体在高压空气的作用下向海水方向撤退，含水层的含盐度降低，在充气作用 下初始的海水入侵环流消失，所形成的水力梯度驱替含水层中的咸水向海水侧流动，该研究 结果表明充气法防治海水入侵的效果比较明显。与it前常川的防治海水入侵的地下水人工回灌法相比较，空气资源充足，不易引起淡水 含水层的次生污染，可以考虑将人工冋灌法和充气法结介起來，充分发挥各自的优点，在 早季水资源匮乏的时期采用压缩空气驱替咸水，而在雨季水资源较为丰富的时期回灌淡水， 从而也作到了雨洪水的资源化利用。但是，人工充气法应用于实际工程还需要很多工作，包 括人工充气法的适用条件、成木及其可能存在的风险等等。205210参考

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