基于遼寧南部海水入侵修復(fù)試驗及咸水淡化優(yōu)化模式探析

張 偉

(桓仁縣水務(wù)移民服務(wù)中心，遼寧 本溪 117200)

我國是沿海國家，海岸線總長3.2萬km，其中陸地海岸帶全長1.8萬km，島嶼海岸線全長1.4萬km[1]。從北向南依次是渤海、黃海、東海和南海。陸地地質(zhì)作用和海洋作用共同控制海岸帶形成、發(fā)育和演化，陸地地質(zhì)作用占主導(dǎo)地位。海岸帶地表水流特征不僅決定了海岸的地貌和巖性，而且控制著海域的水下地貌和地質(zhì)巖石成分[1]。

沿海省市地理位置優(yōu)越，是主要的工業(yè)和居民聚集地。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、居民生活都離不開淡水資源，隨著工農(nóng)業(yè)日益加劇的水資源需求，沿海地區(qū)地下水開采力度加大，引發(fā)了一系列的地下水環(huán)境問題，如海水入侵，地面沉降等。

1 海水入侵修復(fù)試驗

以遼寧南部為例，試驗?zāi)Ｐ凸┧b置示意圖如圖1所示，模型主體為有機玻璃中空圓筒(外徑7cm，內(nèi)徑5cm，高120cm)，兩端用橡皮塞密封，以保證試驗的氣密性，上下橡皮塞用針頭刺穿，作為進水口和出水口，內(nèi)部充滿水介質(zhì)區(qū)，含水試驗砂柱采用標(biāo)準(zhǔn)砂填充，砂柱頂?shù)變蓚?cè)采用單層土工布墊層[2]，確保面狀進水的同時砂粒不堵塞進出水口。

在有機玻璃管的側(cè)壁每30cm設(shè)置可以控制開閉的監(jiān)測孔A、B、C，監(jiān)測模型內(nèi)流體的濃度場變化情況[2]，供水裝置由蠕動泵控制，可以在恒定流量下向試驗砂柱中注入淡水。

圖1 試驗?zāi)Ｐ褪疽鈭D(單位：cm)

2 試驗方案

砂樣直徑選擇為2～3mm，用滲透儀測得滲透系數(shù)為2.2×10-4m/s，淡水是由實驗室的去離子水制成，濃度為0g/L，密度為1.00×103kg/m3，電導(dǎo)率為0uS/cm。咸水由去離子水和氯化鈉制成，濃度為9.0g/L，密度為1.01×103kg/m3，電導(dǎo)率為15.13uS/cm。通過改變注水方向，進行了2組對比試驗，注水方向分別設(shè)置為順重力方向和逆重力方向(從上向下注水和從下向上注水)[3]。每組對比試驗的注水流量分別為2、5、8、10、20、40mL/min，共進行了6次試驗。試驗過程中每隔5～30min收集側(cè)壁監(jiān)測孔與出水口處的水樣，實際試驗過程中當(dāng)注水速率為40mL/min時，由于取樣間隔時間太短而未能收集監(jiān)測孔處的水樣，故只取得出水口的水樣。具體試驗方案見表1。

表1 試驗方案

3 試驗數(shù)據(jù)分析

通過改變注水方向和注水速率，得到每組6次試驗的觀測數(shù)據(jù)(共2組12次)，繪制穿透曲線如圖2—3所示。

從以上各組試驗的穿透曲線可知，從不同方向以不同速度向地下咸水體注入淡水時，各監(jiān)測孔和出水口的濃度變化趨勢一致，即在試驗開始的一段時間內(nèi)各點Cl-濃度變化不大，隨著淡水的增加，各監(jiān)測孔和出水口的Cl-濃度從進水口向出水口方向依次降低，最后趨近于零，其變化趨勢與穿透曲線的濃度降低過程相一致[4]。這表明海水與淡水之間存在過渡帶，且過渡帶的寬度和恢復(fù)時間成正比。觀察每個點的濃度變化過程，可以發(fā)現(xiàn)Cl-濃度先快后慢，即下降曲線前半部分斜率較大，當(dāng)Cl-濃度下降到約1g/L時，Cl-濃度變化較緩，曲線斜率逐漸減小[5]。隨著注水方向和注水速率的改變，對比試驗的穿透曲線也不同，需要進一步分析。

3.1 單次試驗分析

3.1.1順重力方向

觀察圖2(b)，當(dāng)注水速率為5mL/min時，從進水口向出水口方向上各點濃度分別從45、90、150、195min開始下降，在75、135、210、255min達到1g/L的修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，修復(fù)用時分別為30、45、60、60min。

也就是說，每個監(jiān)測孔的修復(fù)時間依次增加，并在出水口達到穩(wěn)定，這表明在順重力方向注水修復(fù)地下咸水體的試驗過程中[5]，隨著淡水的不斷推進，咸淡水之間的過渡帶變得更寬、更穩(wěn)定。

3.1.2逆重力方向

觀察圖3(b)，當(dāng)注水速率為5mL/min時，從進水口向出水口方向上各點濃度分別從30、75、105、135min開始下降，在105、165、225、315min到達到1g/L的修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，修復(fù)用時分別為75、90、120、180min。這表明在逆重力方向注水修復(fù)地下咸水體的試驗中，隨著淡水的推進，咸淡水的過渡帶變得越來越寬。

3.1.3不同注水方向?qū)Ρ?/p>

比較圖2(b)和圖3(b)，可以發(fā)現(xiàn)，逆重力方向注入水時，觀測點的濃度沿注水方向和出水口開始集中的時間變化比順重力方向早15～60min，修復(fù)完成時間較順重力方向延遲30～60min；順重力方向注入水時，每個觀測點的修復(fù)時間在30～60min之間，相對于整個測試持續(xù)時間變化不大；逆重力方向注入水時，沿注水方向的各觀測點修復(fù)時間隨著淡水的推移而增加，在75～180min之間，是順重力方向的2～3倍左右。

為排除時長對試驗對比結(jié)果的影響，以試驗總時長和咸水最大濃度為極值，將注水速率為5mL/min的試驗結(jié)果的時間和濃度無量綱化[6]，結(jié)果如圖4所示。觀察各觀測點和出水口的穿透曲線，當(dāng)順重力方向注水時，各點濃度基本為陡直下降，斜率隨淡水的推移并無太大變化；當(dāng)逆重力方向注水時，各點濃度隨淡水的推移逐漸變緩，出水口濃度變化曲線斜率是監(jiān)測點A曲線的一半左右。這表明在順重力方向注水修復(fù)時，水動力彌散作用相對較弱，導(dǎo)致過渡帶在試驗過程中變化不大；逆重力方向注水時，水動力彌散作用較順重力方向強，各點濃度下降早，修復(fù)完成慢，下降曲線斜率變小，過渡帶在試驗過程中逐漸變寬。

3.2 注水速率對穿透曲線的影響

3.2.1順重力方向

比較圖3中不同注水速率的滲透曲線，并分析不同注水速率順重力方向?qū)ι爸邢趟兓挠绊懣芍谧⑺俾蕿?、5、8、10、20、40mL/min時，對應(yīng)的試驗時長為690、265、160、130、55、28min。也就是說，注水速率越小，測試時間越長，這是因為砂柱中鹽分的恢復(fù)主要由水力驅(qū)動，當(dāng)注水量變小時，實際流量也會減少，并且水力驅(qū)動的鹽水運動會變慢，淡水推進速度降低，導(dǎo)致試驗總體用時變長。

順重力方向注水時不同注水速率條件下各對比試驗出水口處修復(fù)時間分別為270、60、30、30、15、6min，占總試驗時長的39%、23%、19%、23%、27%、21%。可以看出，在注水速率大于2mL/min時，各對比試驗出水口處修復(fù)時長占比均在20%左右，即順重力方向注水時過渡帶寬度隨注水速率變化不大；當(dāng)注水速率為2mL/min時，由于分子擴散作用變得明顯，使得此時過渡帶寬度增加。

圖2 順重力方向各分組試驗監(jiān)測孔與出水口Cl-隨時間變化曲線與擬合結(jié)果

圖3 逆重力方向各分組試驗監(jiān)測孔與出水口Cl-隨時間變化曲線與擬合結(jié)果

圖4 5mL/min無量綱變化曲線

圖5 各對比試驗出水口濃度變化無量綱曲線

3.2.2逆重力方向

對比圖3中不同注水速率的穿透曲線，分析逆重力方向注水速率對砂柱內(nèi)咸水變化規(guī)律的影響。可以看出，在注水速率為2、5、8、10、20、40mL/min時，對應(yīng)的試驗時長為780、330、170、140、60、34min。這說明逆重力方向注水時試驗用時同樣隨注水速率的減小而增長。

逆重力方向注水時不同注水速率條件下試驗出水口修復(fù)時間分別為510、195、80、60、20、12min，占總時長的65%、59%、47%、43%、33%、35%。可以看出，在逆重力方向注水時，注水速率越小，咸淡水之間的過渡帶越寬，修復(fù)用時越長。

3.2.3不同注水方向?qū)Ρ?/p>

在不同的注水方向下，不同的注水速率對咸水恢復(fù)具有不同的影響，從上面分析可以看出，當(dāng)注水速率大時，在測試時間內(nèi)2個方向之間的差異不大[7]；隨著注水率逐漸變小，使用時間的差異就會逐漸變大；當(dāng)注水率為2mL/min時，差異最大，最大差異為13%。這表明注水試驗在逆重力方向上的時間通常比在順重力方向上的時間長，并且隨著注水速率的逐漸降低，二者之間的差異越來越明顯。

為排除時長對試驗對比結(jié)果的影響，選取20、10、5、2mL/min時出水口的濃度變化，將時間和濃度無量綱化，繪制曲線如圖5所示。由圖5可以看出，當(dāng)注水速率為20mL/min時，2種方向曲線區(qū)別較小；隨著注水速率的不斷減小，2種注水方向的曲線差別越來越大，可以清晰地看出逆重力方向曲線開始下降時間早，下降速率慢，達到修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)晚，說明逆重力方向注水時水動力彌散現(xiàn)象相對明顯，過渡帶較寬，且隨著注水速率的減小而不斷增加。但是當(dāng)注水速率達到并超過2mL/min時，由于分子擴散作用的影響變得相對突出，使得2種注水方向的曲線差別開始變小，逐漸靠近。

4 咸水淡化優(yōu)化模式

為了探討注水率和注水時間對咸水淡化試驗的影響[8]，找到優(yōu)化咸水淡化效率的修復(fù)方法，選擇試驗?zāi)Ｐ偷南嚓P(guān)參數(shù)進行模型計算，見表2。

從表2中可以看出，算術(shù)平均值用于表示要計算的模型，所得結(jié)果與觀測值非常吻合，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差低于1.5g/L，最大標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過2.0g/L，因此，算術(shù)平均值可以用來表示計算模型。

由圖6可以看出，僅考慮機械的彌散性時，從用水的角度來看，隨著注水率不斷提高，用于修復(fù)地下咸水的總水量也隨之增加，并且隨著水的注入而改變，當(dāng)流量較小時，其變化幅度較大[9]。這是因為隨著注水率的增加，由流體動力作用引起的機械彌散作用也得到增強，這促進了咸水和淡水之間的濃度交換，就時間而言，隨著注水速度的不斷增加，淡水的推進速度也增加，并且修復(fù)所需的時間大大減少。

表2 標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)誤差分析

圖6 修復(fù)用時和用水量隨流量變化模擬

5 結(jié)語

地下水資源的過度開采則引發(fā)了一系列環(huán)境地質(zhì)問題。由于不同的地理位置，水文地質(zhì)條件也不相同，因此誘發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題也不相同。在距離海岸帶20km范圍內(nèi)，地下水過度開采易引發(fā)海水入侵問題；遠離海岸帶的地方，過度開采地下水又沒有補給來源，由于土體水分的疏干導(dǎo)致地面沉降，甚至地面塌陷。從以上試驗可以看出，當(dāng)滲透速度較小時，分子擴散效應(yīng)相對突出，不能忽視，并且彌散度的值受尺度效應(yīng)的影響[10]，因此，在實際應(yīng)用中，考慮合適的施工周期和研究區(qū)域的大小，選擇合適的注水速率可以減少機械彌散并削弱分子擴散的影響，同時最大程度地提高修復(fù)效率。