陸源淡水流量對海岸水庫海水入侵的影響

陳鶴翔，金光球，謝天云，張廣明，李 凌

(1.河海大學(xué)水文水資源及水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 3.廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510640； 4.西湖大學(xué)工學(xué)院，浙江 杭州 310024)

我國水資源短缺問題日益嚴(yán)重，尤其在沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。河網(wǎng)調(diào)蓄作為水資源開發(fā)利用的主要方式，雖然在一定程度上利用了水資源，但存在調(diào)蓄時(shí)間短、可調(diào)蓄水量有限等缺點(diǎn)，淡水資源危機(jī)仍然很嚴(yán)重[1]。伴隨內(nèi)陸淡水資源匱乏，向海洋要資源和空間逐漸出現(xiàn)，海水淡化是主要的方式，但技術(shù)限制導(dǎo)致淡水資源供應(yīng)保證率較低[2]，由此海岸水庫應(yīng)運(yùn)而生。

海岸水庫是指建立在河口或海岸，用于存儲河流入海的淡水資源、調(diào)控水量的綜合水利工程[3]。因具有占有土地少，可充分利用灘涂資源，利用海洋空間以獲取較大水庫庫容等優(yōu)勢，海岸水庫在緩解水資源匱乏上發(fā)揮著重要作用[4]。目前，國內(nèi)外已有海岸水庫投入使用，如中國的北塘水庫[5]、韓國的新萬金工程[6]等。然而海岸水庫在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了水庫水體鹽分過高的問題，這嚴(yán)重影響了海岸水庫經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮[7]。在海岸水庫的運(yùn)行過程中如何控制水質(zhì)并減少咸化現(xiàn)象的發(fā)生成為亟待解決的問題。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對海岸水庫展開了一定的研究。海岸水庫的外部邊界包括水庫水面、側(cè)岸、周圍灘涂、入庫地表水、底部邊界以及防滲墻[8]。海岸水庫外部的海水入侵以及內(nèi)部的底泥、深潭中的鹽分釋放是導(dǎo)致水庫咸化的主要原因[9-12]。有研究[13]表明，地表淡水徑流的涌入一方面會(huì)導(dǎo)致水庫蓄水期表層水體鹽度急劇下降，另一方面會(huì)提高庫水的水頭，從而抑制海水入侵；地下水的過度開采會(huì)導(dǎo)致地下水位降低，從而導(dǎo)致地下水相對于海水的水頭降低，引發(fā)海水入侵[14]。Van Pham等[15]對越南南定沿海含水層進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)地下水開采是導(dǎo)致地下水位下降和海水入侵的關(guān)鍵因素。孫波等[16]研究表明，三峽工程枯水期下泄流量增加有利于緩解青草沙水庫的鹽水入侵。然而這些研究對于地下水、地表水影響海岸水庫海水入侵的具體過程和程度尚不清楚。因此，本文開展了室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，考慮了潮汐、陸源地下水及入庫地表水的作用，探究了陸源淡水流量對海岸水庫海水入侵的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

采用自主研發(fā)的一套海岸水庫海水入侵的室內(nèi)模擬裝置[17]，該裝置已成功模擬了海岸水庫的海水入侵、庫水咸化以及脫鹽的過程[18-19]。本文旨在對陸源淡水流量對海岸水庫海水入侵的過程進(jìn)行探究，并不針對具體的工程。因此將試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行概化處理，水庫尺寸及潮汐振幅和周期的設(shè)定參考Kuan等[20]的室內(nèi)物理模型研究。試驗(yàn)在長3.5 m、高0.75 m、寬0.02 m的平板水槽中進(jìn)行(圖1)，水槽采用鋼化玻璃壁面，從而使試驗(yàn)過程可視。以石英砂作為多孔介質(zhì)，泥沙區(qū)的長度和高度分別為3.4 m和0.7 m，泥沙區(qū)底坡的長度和高度分別為0.4 m和0.34 m，坡度為0.324，防滲墻插入泥沙的深度為0.04 m。石英砂分布均勻，中值粒徑d50=0.24 mm，累計(jì)粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到90%、10%時(shí)對應(yīng)的粒徑的比值d90/d10=2.86，通過常水頭滲透試驗(yàn)測得砂的滲透系數(shù)為5.0×10-3m/s，通過測量砂的表觀密度和堆積密度推算出孔隙率為0.46。采用NaCl和食用色素FD&C red 40示蹤劑模擬海水，參考海水的密度及電導(dǎo)率，按照每33.4 g NaCl對應(yīng)1.6 g FD&C red 40的比例配制質(zhì)量濃度為35 g/L的海水。試驗(yàn)裝置主要用于研究垂直海岸線方向的流動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移過程，不考慮沿海岸線方向的流動(dòng)，可將系統(tǒng)簡化為二維模型。

圖1 平板水槽系統(tǒng)布置示意圖(單位：cm)

如圖1所示，水槽左側(cè)(內(nèi)陸方向)為淡水輸入控制裝置，包括淡水箱、流量計(jì)、潛水泵、溢流桶4部分。淡水箱通過軟管連接流量計(jì)裝置控制淡水輸入，連接淡水區(qū)模擬陸源地下淡水輸入或直接通入海岸水庫模擬入庫地表淡水輸入。試驗(yàn)過程中可控制和調(diào)整固定流量的淡水輸入，用以模擬季節(jié)性流量對海水入侵的影響。

水槽右側(cè)(海向邊界)設(shè)置100 L的鹽水箱作為模擬海水水源，鹽水箱通過軟管與鹽水區(qū)連接，并通過潮波生成器傳動(dòng)裝置循環(huán)交換補(bǔ)充到鹽水區(qū)，模擬海洋邊界條件。潮波生成器通過變高度溢流柱產(chǎn)生周期性水位，形成潮汐[21]。潛水泵將鹽水箱中的鹽水抽入鹽水區(qū)，構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)，保證鹽水區(qū)內(nèi)上下區(qū)域質(zhì)量濃度基本一致，避免海水鹽度過度分層問題。

充氣式可移動(dòng)擋水堤壩用以模擬海岸水庫及海岸水庫防滲墻[22]。試驗(yàn)過程中主要通過實(shí)時(shí)24 h不間斷拍照，記錄NaCl和食用色素FD&C red 40示蹤劑的運(yùn)移來模擬整個(gè)鹽水入侵及污染物云團(tuán)的運(yùn)移過程。

1.2 工況設(shè)置

影響海岸水庫海水入侵的陸源淡水主要為地下水和入庫地表水，分別探究不同流量的地下水與入庫地表水的影響規(guī)律，分析相同流量的地下水與地表水產(chǎn)生影響的不同之處。試驗(yàn)的流量設(shè)定參考了Kuan等[23]的研究，試驗(yàn)工況設(shè)置見表1，其中工況1～4用于研究陸源地下水流量對海岸水庫海水入侵的影響，工況5～8用于研究入庫地表水流量對海岸水庫海水入侵的影響。

表1 試驗(yàn)工況

2 結(jié)果與分析

2.1 海岸水庫對海水入侵的影響

海岸水庫的建設(shè)對海岸帶區(qū)域的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和地下水資源修復(fù)有一定的影響。選取一典型工況(工況3)，與Kuan等[20]試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，分析有無堤壩條件下海水入侵情況。當(dāng)鹽水楔在12 h內(nèi)不再發(fā)生變化時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，圖2為工況3的最終穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 堤壩條件下最終穩(wěn)定狀態(tài)

Kuan等[20]試驗(yàn)在無堤壩條件下，最終穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，下鹽水楔入侵長度較長，整個(gè)海岸帶斜坡區(qū)域均受到海水入侵的影響，上部形成了橢圓狀的上高鹽度區(qū)，下部形成了下鹽水楔以及處在二者之間的淡水排出區(qū)。上高鹽度區(qū)產(chǎn)生原因是海水水位的波動(dòng)引起了地下水位的波動(dòng)，導(dǎo)致地下水在水位波動(dòng)區(qū)域循環(huán)流動(dòng)，在此非飽和區(qū)存在毛細(xì)管力作用，使部分海水在此區(qū)域滯存，形成上高鹽度區(qū)，最終達(dá)到穩(wěn)定[24-25]。

從圖2可見，建有堤壩后，最終穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，下鹽水楔的入侵長度和高度分別為67.2 cm和18.8 cm，海岸水庫的海水入侵得到了較好的控制，淡水與海水之間的交換被控制在防滲墻底部的含水層區(qū)域。此外由于防滲墻及海岸水庫的存在，地下水水位不會(huì)隨海平面發(fā)生強(qiáng)烈波動(dòng)，因此，海岸區(qū)域的海水入侵受到抑制，并且無上高鹽度區(qū)生成。

2.2 海岸水庫海水入侵的過程

圖3為工況1海岸水庫海水入侵過程，圖中虛線為水庫蓄水水位。由圖3可知，試驗(yàn)初始階段，海水通過防滲墻底部及水庫底部入滲，下鹽水楔開始形成；入侵時(shí)間t=20 min時(shí)，水庫底部發(fā)生劇烈咸化，并且水庫底部泥沙區(qū)在海水入侵及庫底入滲咸水的雙重作用下已有大面積咸化，形成上鹽水楔；t=180 min時(shí)，海水入侵程度進(jìn)一步加強(qiáng)，下鹽水楔長度繼續(xù)增長，水庫底部的泥沙區(qū)整體已表現(xiàn)出明顯的咸化，上鹽水楔和下鹽水楔逐漸連成一個(gè)整體，淡水排出區(qū)逐漸減?。籺=900 min時(shí)，上鹽水楔和下鹽水楔兩部分已連為一個(gè)整體，并在淡咸水交界區(qū)域呈現(xiàn)較強(qiáng)過渡帶。

圖3 工況1海岸水庫海水入侵的過程

試驗(yàn)從開始入侵到穩(wěn)定階段持續(xù)了60 h，從0～60 h中每10 h選取一組共7組數(shù)據(jù)，記錄其下鹽水楔入侵長度，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化(將入侵長度L除以防滲墻底部距水槽底部的距離H(H=0.3 m)，將入侵時(shí)間t除以潮汐周期T)，得到入侵長度與時(shí)間關(guān)系如圖4所示。由圖4可見，隨著入侵時(shí)間的延長，下鹽水楔長度一直在增加，但入侵速度逐漸變慢直至接近穩(wěn)定值。此外，圖3中下鹽水楔高度始終保持33.4 cm，表明鹽水在整個(gè)入侵過程中一直會(huì)影響到水庫底部水體，造成水體持續(xù)咸化。

圖4 工況1入侵長度-時(shí)間關(guān)系

2.3 陸源地下水流量與入庫地表水流量對海岸水庫海水入侵的影響

圖5為地下水與地表水不同流量Q條件下海水入侵穩(wěn)定狀態(tài)對比，圖中虛線為水庫蓄水水位。

圖5 地下水與地表水不同流量條件下海水入侵穩(wěn)定狀態(tài)對比

對比不同陸源地下水流量條件下的結(jié)果可知，流量為4 mL/min時(shí)，海水入侵程度明顯，引發(fā)海岸水庫底部大面積咸化，海水可從防滲墻底部滲入，海水入侵區(qū)域影響到整個(gè)地下含水層。流量由4 mL/min增大到8 mL/min時(shí)，海水入侵狀態(tài)減弱，表現(xiàn)為庫水鹽分減少，地下淡、咸水交界區(qū)域逐漸明顯，過渡帶逐漸萎縮，上、下鹽水楔逐漸分離；繼續(xù)增大流量至12 mL/min時(shí)，此趨勢進(jìn)一步加強(qiáng)，上、下鹽水楔區(qū)域逐漸減?。涣髁繛?6 mL/min時(shí)，上鹽水楔基本消失，已無法影響到海岸水庫內(nèi)水體。但是，海水在潮汐振蕩作用下，通過防滲墻底部滲入海岸水庫的現(xiàn)象始終存在，這將持續(xù)影響庫體鹽度。

對比不同入庫地表水流量條件下的結(jié)果可知，入侵區(qū)域主要在防滲墻底部，有鹽水楔形成。入庫流量為4 mL/min時(shí)，存在水庫庫底咸化現(xiàn)象，形成下鹽水楔，庫底泥沙區(qū)域受到明顯的海水入侵影響。隨入庫地表水流量增大，水庫庫底咸化逐漸消失，上鹽水楔減小、消失，下鹽水楔入侵長度及入侵高度逐漸減小。

將相同流量地下水及地表水的結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)地表水條件下的海水入侵程度更弱。與地下水相比，地表水條件下鹽水楔的入侵長度平均減少41.6 cm；在地下水條件下庫體普遍存在咸化現(xiàn)象，上鹽水楔現(xiàn)象明顯，而地表水條件下僅在流量為4 mL/min條件下有少量的庫底咸化現(xiàn)象。圖5的結(jié)果可解釋枯水期海水入侵嚴(yán)重及海岸水庫劇烈咸化的原因，與實(shí)際情況類似[26-27]。因此，減少地下水開采或采取調(diào)水入庫能較好地減弱海水入侵，有效防止海岸水庫水體咸化。

為進(jìn)一步量化海水入侵與流量的關(guān)系，將結(jié)果作無量綱化處理，得到入侵長度-流量關(guān)系如圖6所示，其中Qmax為設(shè)計(jì)的最大流量，Qmax=16 mL/min?？紤]到當(dāng)流量趨近于0時(shí)，入侵長度必定趨近于正無窮，因此采用對數(shù)函數(shù)對入侵長度-流量關(guān)系進(jìn)行擬合。由圖6可見，對數(shù)函數(shù)的擬合效果較好；隨著流量的增大，入侵長度的減少逐漸變緩。因此在實(shí)際工程中，對于枯水期水庫水位較低的情況，適當(dāng)采取調(diào)水入庫的措施會(huì)減弱海水入侵。

圖6 入侵長度-流量關(guān)系

3 海岸水庫與海岸帶的室內(nèi)物理模型討論

海岸水庫的研究是在海岸帶基礎(chǔ)上，在室內(nèi)物理模型的設(shè)定和研究方面，海岸水庫與海岸帶既有聯(lián)系也有不同。國內(nèi)外關(guān)于海岸帶的室內(nèi)物理模型研究，一般選取玻璃珠、均質(zhì)泥沙、石英砂等作為含水層填充介質(zhì)置入水槽來模擬海岸帶的均質(zhì)土壤，模擬海水一般用NaCl和顏色示蹤劑配制。最初，Rumer等[28]設(shè)計(jì)了室內(nèi)物理模型并得出了海水入侵的移動(dòng)速率，但是模型中將淡水流量設(shè)置為0。在此基礎(chǔ)上，Mualem等[29]在模型中采用了固定水頭作為淡水一側(cè)的邊界條件，但是海水一側(cè)仍未考慮潮汐作用。Zhang等[30-31]在對沿海含水層中的污染物遷移進(jìn)行研究時(shí)，采用的物理模型不僅采用了固定水頭作為淡水側(cè)邊界條件，還在海水一側(cè)考慮了潮汐，用潮波生成器產(chǎn)生周期變化的海水位，將潮汐簡化為線性變化。此后，Kuan等[20,23]對物理模型繼續(xù)改進(jìn)，一方面在海水一側(cè)通過變高度溢流柱產(chǎn)生了正弦潮汐，另一方面在淡水側(cè)使用了固定流量代替固定水頭，以避免潮汐引起的水位過高對淡水流量的影響。

海岸水庫的室內(nèi)物理模型設(shè)定與海岸帶的不同在于：需要在含水層上方設(shè)置水庫并蓄水，形成地下水-庫水-海水水體之間互相作用與交換的復(fù)雜水動(dòng)力條件。這個(gè)不同點(diǎn)會(huì)進(jìn)一步引起以下物理現(xiàn)象：①防滲墻的存在阻斷了部分海水與含水層的接觸；②淡水排出區(qū)域發(fā)生后移，由于密度流的作用，地下水會(huì)通過防滲墻底部區(qū)域排出，并且位于下鹽水楔之上；③海水越過防滲墻底部進(jìn)行入侵，導(dǎo)致水庫水體發(fā)生咸化。目前關(guān)于海岸水庫的室內(nèi)物理模型研究較少。金光球等[17]設(shè)計(jì)了一套完整的室內(nèi)物理模型并研究了海岸水庫的海水入侵情況，邊界條件采用了固定淡水流量和正弦潮汐。在此基礎(chǔ)上，李夢迪[18]通過改變地下水流量探究了陸源地下水對海岸水庫脫鹽的影響，莫玉銘[19]通過在水庫底部加入深潭探究了深潭對海岸水庫海水水體咸化的影響。目前關(guān)于海岸帶以及海岸水庫的研究仍然是個(gè)熱點(diǎn)。在未來的研究中，需要將室內(nèi)物理模型從二維拓展到三維；需要從野外尺度上進(jìn)行深入研究；此外，可采用數(shù)值模擬進(jìn)一步探究其水動(dòng)力及鹽分運(yùn)移的過程和機(jī)理。

4 結(jié) 論

a.海岸水庫下鹽水楔入侵長度與陸源淡水流量呈對數(shù)關(guān)系，隨著陸源地下水流量、入庫地表水流量的增加，海水入侵程度減弱，且流量越大，下鹽水楔入侵長度減弱的趨勢越平緩。

b.與陸源地下水相比，入庫地表水條件下的下鹽水楔入侵長度更小，海水入侵程度更弱，表明入庫地表水對海岸水庫海水入侵具有更顯著的抑制作用。

c.陸源淡水流量的增大會(huì)使海岸水庫庫底鹽分減少。流量增大過程中，上、下鹽水楔分離，上鹽水楔比下鹽水楔先減小、消失，上鹽水楔消失后，已無法影響到海岸水庫內(nèi)水體，然而海水在潮汐振蕩作用下，會(huì)通過防滲墻底部滲入海岸水庫。

d.可通過減少地下水的開采或采取調(diào)水入庫的手段抑制海岸水庫海水入侵，緩解水庫水體的咸化。