举世闻名的秦皇岛港是中国北方天然不冻不淤良港, 以能源输出为主, 兼营杂货和集装箱, 年吞吐量过亿吨, 同世界上100多个国家和地区保持经常性贸易往来, 跻身世界大港行列[1]。
1 水文地质特征
1.1 含水层特征
按照不同的地质赋存条件, 秦皇岛可划分为花岗岩安山岩基岩裂隙含水组、片麻岩风化裂隙含水组、碳酸盐岩裂隙岩溶裂隙含水组和松散岩类孔隙含水组。洋河和戴河平原区属于松散岩类孔隙含水组。平原区的基底以太古宙片麻类和早元古代混合花岗岩为主[2]。
1.2 地下水补给、径流、排泄特征
(1) 地下水补给量的确定。
根据秦皇岛市抚宁县洋河水库水文站实测降水量资料, 采用统计法进行统计分析, 多年降水量平均值为642mm, 按照包气带的不同岩性, 进行入渗条件分区, 计算研究区年降水入渗补给量为855万m3, 年地下水侧向径流流入量为460万m3, 其它项年补给量为510万m3, 地下水总排泄量1930万m3[3]。
2 海水入侵现状调查
唐秦水文水资源勘测局2008年对秦皇岛市海水入侵情况进行全面调查, 其中涉及洋河和戴河平原区地下水水质基本监测井2处, 辅助监测井6处, 为研究区海水入侵情况分析提供依据。研究区域见图1。
3 海水入侵数值模拟
3.1 建立数学模型
对于上述非均质、各向异性、空间一维结构、非稳定地下水流系统模型, 可用地下水流连续性方程及其定解条件式及溶质运移方程及其定解条件用式来描述。
3.2 海水入侵数学模型的概化
含水层的概化, 研究区含水系统内部结构可概化为五层, 由上至下分别为:中细砂潜水含水层;淤泥、淤泥质亚粘土及亚粘土, 为弱透水层;中粗砂及砾砂层, 为承压含水层;淤泥、淤泥质细砂及亚砂土, 为弱透水层;砂卵砾石层, 为承压含水层。自上而下分为潜水含水层、第Ⅰ承压含水层、第Ⅱ承压含水层。
模型边界概化, 为研究方便, 选择比海水入侵影响区大的区域, 即上述完整水文地质单元作为模拟区。
3.3 模型的离散
根据计算区域的形状、地质条件、含水层特性和边界等的性质, 将研究区采用不规则三角来剖分, 剖分后的研究区共1050个不规则三角形单元。在本模型中, 剖分单元加密地段主要为海水入侵界线、水力梯度大的区域及浓度大的区域。
3.4 海水入侵数学模型的定解条件
模型的初始流场和浓度场选择1998年的实际观测值进行分析。在求解海水入侵模型的定解时, 需要注意几个特殊问题的处理, 如地表水与地下水相互作用界面、水动力参数、模型的边界条件和约束条件等, 如果处理不好将会对结果产生很大的偏差。
3.5 模型的识别和校验
模型的识别是利用研究区内特征点、线、面、体上已知的地下水动态观测资料与模型在该点上的计算值进行对比, 以此判断数值模型对地质体的仿真程度, 通常要进行反复的修改参数和调整某些源汇项才能达到较为理想的拟合结果。本模型选择水力传导率、孔隙率、贮水系数、地下水流场、浓度场等参数进行识别, 经过多次运行、调参、优化, 最终确定了模型结构、参数和均衡要素, 使模型计算水位、浓度动态变化与观测水位、浓度动态变化达到最佳拟合状态。经分析发现:模型计算水位与观测水位的绝对误差在0.3m以内的点占70%, 可以作为研究区海水入侵动态的模型。
3.6 海水入侵现状分析
利用上述8个水质监测站的资料, 运用三维溶质模型分析, 研究区域海水入侵时地下水Na+、Cl-含量增加, 监测点距离海岸线的距离与Ca2+、Na+、Cl-等的含量没有呈现递增或递减的规律, 而且从浅层地下水到深层地下水之间Cl-含量也不是呈现规律性的增减, 说明海水入侵不是沿着含水层整体向前推移, 而是沿构造或地下水水势较大的方向侵入, 地下水在垂向上的不规则分布也说明了这一点, 另外也说明地下水开采量较大的地区易增加局部海水入侵速度。此区域海水入侵面积约为28.3km2。经过模型的识别和检验, 证明所建立的数学模型能够较真实地反映研究区地下水系统的实际情况, 可以用其对研究区未来海水入侵的运动状态进行预报。通过对海水入侵模型的研究, 我们可以进一步了解海水入侵的发展规律, 使我们可以更加有效防治海水入侵。
4 海水入侵灾害防治对策
以防治海水人侵和生态恢复为双重目标, 综合运用各种工程的和非工程的措施, 维持咸淡水界面的平衡。海水入侵防治的主要内容为: (1) 地下水限采工程。 (2) 拦蓄补源工程。 (3) 调水工程。 (4) 抽咸补淡工程。
5 结论与建议
现状条件下, 研究区海水人侵范围总体上没有进一步扩大, 但是局部区域海水入侵的范围却在增长, 研究区部分深层地下水已经收到海水入侵的影响, 从长期来看, 研究区的生态地质环境非常脆弱, 完全修复还需要较长的过程, 需要政府各部门的共同努力。
摘要：本文根据海水入侵实测监测资料, 建立了海水入侵三维溶质模型, 利用三维溶质模型进行模拟, 用地下水位和浓度的动态观测资料对模型进行了识别和校验, 进行海水入侵分析。
关键词：海水入侵,三维溶质模型,数值模拟
参考文献
[1] 孙娟, 杨燕雄.秦皇岛市海水入侵特征[J].中国环境管理干部学院学报, 2007, 17 (2) :51～53.
[2] 刘艾礼.秦皇岛市水文手册[M].秦皇岛市水务局, 1999:1～5.
[3] 刘艾礼.秦皇岛市沿海地区海水入侵灾害研究[M].秦皇岛市水务局, 2004:41～78.
[4] 张建伟.胶州湾地区海水入侵现状、机理及数值模拟[D].吉林:吉林大学, 2010.