余海忠 冯书才 曾 奇
(1.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074； 2.深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518029)
深圳西部地区海水入侵趋势预测研究
余海忠1，2冯书才2曾 奇2
(1.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074； 2.深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518029)
通过采用FEFLOW软件，对深圳西部地区的海水入侵趋势进行了预测研究，预测结果表明，在保持地下水现状开采量和常年平均降雨量的条件下，深圳西部地区海水入侵程度呈逐年递减趋势。
海水入侵，地下水，趋势，预测
0 引言
自改革开放以来，深圳经济飞速发展，随之而来的大量地下水开采、高位海水养殖、填海工程以及入海河流水位变化加快了海水入侵的速度，对经济生产和人民生活产生了很大的影响[1-4]。深圳西部地区海水入侵的程度尤为严重，最新研究成果[5]表明，深圳西部地区主要有三块海水入侵区，第一块是宝安西海岸及南山西海岸，入侵面积约109.053 km2，第二块是南山东海岸，入侵面积约69.255 km2，第三块是福田罗湖的深圳河沿岸，入侵面积约11.421 km2。进入21世纪以来，深圳市政府部门认识到了入侵的严重性，陆续采取了一系列措施来减缓海水入侵的速度，如减少地下水开采量、防风暴潮及海平面上升、防止海水沿河上溯、对现存养殖区的引水渠及养殖水池进行改造等措施。这些措施的采取，在一定程度上减缓了海水入侵的速度，取得了一定的成效。为了评估这些措施带来的影响以及更好地采取措施来应对将来的海水入侵，需要对未来的海水入侵趋势进行预测。预测的结果可以进一步地指导如何采取更加经济有效的防治海水入侵措施。
1 研究区概况
1.1 研究区范围
本次研究的深圳西部地区，北边以滨海平原与山区边界为界，西边以珠江河水为界，南边以深圳湾海水为界，东边以布吉河为界，研究区总面积330.92 km2。
1.2 概化的含水层系统结构
本次研究所涉及的地层包含第四系地层和基岩强风化层(基岩主要为花岗岩和砂岩)。基岩全风化和强风化层属于裂隙含水层，基岩强风化层以下为隔水层。根据所收集到的钻孔资料，依据地下水的水文地质特性和含水介质的物质组成特点，可将本研究的含水层内部结构概化为4层。根据钻孔资料和剖面地层的分布区域，确定各层的厚度变化情况如下：
1)人工填土层和弱透水层。上全新统和中全新统，包括人工填土层和粉砂淤泥、砂质淤泥、淤泥质细砂、淤泥质粘土以及砂质粘土层，隔水或弱透水性，厚度范围在1 m～10 m，最大厚度可达23 m。
2)第四系含水层(第一含水层)。下全新统和中全新统，包含砂砾层夹砂、中砂、中粗砂、粗砂和粘性土中粗砂。该层地层呈空间分布，含水层分布不稳定。
3)弱透水层。对于本区未分的残破积的粉质粘土，基本没有缺失，属于隔水层、弱透水层，比较稳定。该层厚度较大，一般都在5 m～12 m，最大可达29 m。
4)风化裂隙含水层(第二含水层)。基岩包含片麻岩、黑云母花岗岩及混合花岗岩，由于裂隙发育，抽水试验证明有一定的透水性。
因此本研究区可概化成非均质各向异性、非稳定地下水流系统的三维空间结构概念模型。同时根据溶质传输的特性，将溶质的传输过程概化成瞬变溶质运移模型。
2 模拟方法及过程
2.1 模拟软件的选择
数值模拟是目前揭示海水入侵动态变化的最为有效的一种技术手段。本次研究采用FEFLOW(Finite Element Subsurface Flow System)系统作为海水入侵数值模拟的软件。FEFLOW系统由德国柏林水资源规划与系统研究所(WASY)开发，可以对地下水水量及水质进行模拟。该系统可成功解决追溯污染物的来源、判断污染物迁移途径、海水入侵预测等等一系列与地下水有关的问题。该系统功能齐全，经过了大量的测试和检验。
2.2 模拟方法
在海水入侵的含水层中，淡水与海水的浓度和密度均存在差异，密度差和浓度差就会引起分子扩散过程和水流的弥散过程。淡水与海水的密度差比一般为0.025，淡水与海水之间存在过渡带。因此，在描述溶质运移时，应同时考虑密度和浓度差异对水流的影响，建立三维变密度过渡带模型，以正确反映海水入侵的过程。
对此三维变密度过渡带模型，密度不断改变的咸淡水混合液体的流动可以用地下水流连续性方程及其定解条件式来描述，混合液体中盐分的运移可以用瞬变溶质运移方程及其定解条件式来描述。建立研究区地下水数值模型，选择地下水模型软件FEFLOW，用Galerkin有限单元法求解该定解问题。综合考虑因时间和空间的离散化而产生数值弥散与数值震荡的关系，采用Shock Capturing(SC)+Forward Euler(FE/BE) predictor-corrector的数值方法进行运算。
2.3 模型的建立
模型采用不规则三角剖分法建立，除了遵循常规的剖分原则外，还考虑了以下三种情况：
1)充分考虑工作区的边界、行政分区的边界以及岩性分区边界；
2)将水系河流放在剖分单元的结点上；
3)海水入侵范围线放在结点上。
由于海水淡水浓度梯度大，浓度变化趋势较大，在海水入侵界线和河流地段剖分时自动进行了加密，如图1所示，研究区剖分后共有94 775个结点，148 256个单元格。
2.4 定解条件
1)边界条件。
工作区的北部边界可以作为定流量和定溶质的通量边界(第二类边界)；东部为布吉河和深圳河，作为定水头边界和定浓度边界；南部和西部主要是临海，作为已知水头、定浓度的一类边界；根据收集的潮汐资料，可以推算出每天平均海平面，将其作为水流的第一类边界值，由此可知一类边界随时间的变化而变化；海水只是切割孔隙含水层，未达到裂隙含水层。
含水系统顶部接受降雨入渗补给、潜水蒸发，概化为第二类边界；下部以花岗岩中风化层底板为底部边界，处理为零通量边界。
2)初始条件。
根据2012年6月统测的地下水水位，然后采用内插法和外推法进行计算，获得含水层的初始水位。地下水Cl-浓度采用2012年6月取样监测成果，按照内插法和外推法获得第四系孔隙水和基岩裂隙水的初始浓度。
2.5 水文地质参数
根据已有的研究成果以及研究区水文地质条件，可以将第一含水层(第四系含水层)和第二含水层(基岩裂隙含水层)的水文地质参数进行分区，第四系含水层水文地质参数通过对白石洲抽水试验成果(中国地质大学(武汉)完成的《深圳沿海典型地段水文地质试验报告》)，结合本次研究的抽水试验结果，再根据含水层岩性初步进行渗透系数和弹性释水系数分区，通过数值模拟对参数进行校核，最终确定合理的参数。基岩裂隙含水层水文地质参数通过对沙咀村抽水试验成果(中国地质大学(武汉)完成的《深圳沿海典型地段水文地质试验报告》)，再根据含水层岩性初步进行渗透系数和弹性释水系数分区，通过数值模拟对参数进行校核，最终确定合理的参数。
白石洲试验点位于南山区沙河东路，井深31 m，含水层厚度为8.5 m，抽水层为8 m～15 m。白石洲抽水试验求取的渗透系数为50.63 m/d，弹性释水系数为0.007 55。
中国地质大学(武汉)完成的《深圳沿海典型地段水文地质试验报告》弥散试验成果，白石洲试验孔孔隙含水层的纵向、横向弥散度分别为αL=1.53 m，αT=0.12 m，具有较明显的各向异性。
沙咀村试验点位于福田区沙咀路的金地花园前面。该井为一承压裂隙水，井深40 m，32.5 m以上部分下φ140 mm的钢板管，其余部分下φ127 mm的钢花管，从所揭露岩性看，已基本揭穿基岩裂隙含水层，所以可作为完整井。观测孔深度为35.0 m～42.0 m，其中在残积土以上部分用PVC塑胶管封闭，其余部分下有网眼塑胶管。进行了4 h的单井抽水试验，求取沙咀村试验点渗透系数。通过已有的求参成果，沙咀村试验点渗透系数为2.3 m/d。
中国地质大学(武汉)完成的《深圳沿海典型地段水文地质试验报告》成果，沙咀村试验孔裂隙含水层的纵向、横向弥散度分别为αL=0.21 m，αT=0.09 m。
3 模拟预测结果
根据国家建材局地质工程勘查研究院提供的《深圳市地下水资源调查与评价报告》成果，该研究区目前每年的地下水开采量为2 000×104m3，多年平均年降雨入渗量为2 312×104m3，可以看出地下水资源处于正均衡状态，在此条件下预测2020年和2030年海水入侵趋势。
在预测时降雨量采用多年平均降雨量，其月份分配如表1所示，开采量本次模拟采用人为给定开采井的位置和开采量。周边基岩侧向补给量的给定是通过水均衡计算得到，河水位和海水位采用多年观测资料平均值，模拟预测的时段为2012年—2030年，预测现状开采条件下的海水入侵趋势。
表1 深圳市年平均降雨量年内分布成果表
3.1 第四系含水层海水入侵预测
通过模拟结果表明：在现状开采量条件下(2 000×104m3/年)，第四系海水入侵程度将逐步缓解。如表2所示，到2020年，第四系含水层海水入侵面积为106.83 km2，到2030年，第四系含水层海水入侵面积为101.04 km2。
表2 第四系含水层海水入侵面积预测表
表3 基岩裂隙含水层海水入侵面积预测表
3.2 基岩裂隙含水层海水入侵预测
通过模拟结果表明：在现状开采量条件下(2 000×104m3/年)，基岩海水入侵程度将逐步缓解。如表3所示，到2020年，基岩裂隙含水层海水入侵面积为82.76 km2，到2030年，基岩裂隙含水层海水入侵面积为79.27 km2。
4 结论与认识
通过以上研究，得出结论如下：
1)在保持地下水现状开采量和常年平均降雨量的条件下，深圳西部地区海水入侵程度呈逐年递减趋势。
2)预测到2030年，第四系含水层海水入侵面积将减少至101.04 km2。
3)预测到2030年，基岩裂隙含水层海水入侵面积将减少至79.27 km2。
[1] 赵锐锐，成建梅，刘 军，等.基于GIS的海水入侵危险性评价方法——以深圳市宝安区为例[J].地质科技情报，2009，28(5):96-100，108.
[2] 殷建平，谢 强，孙宗勋，等.深圳沿岸海水入侵灾害现状研究[J].海洋环境科学，2011，30(40):541-545.
[3] 耿雪峰，肖林超，汪 磊.深圳市海水入侵成因分析[J].山西建筑，2014，40(13)：68-70.
[4] 余海忠，冯书才.深圳填海工程对海水入侵的影响研究[J].山西建筑，2015，41(4)：56-58.
[5] 余海忠，冯书才，曾 奇.采用物探方法研究深圳西部地区海水入侵现状[J].山西建筑，2015，41(14)：56-58.
Prediction of seawater intrusion trends in west Shenzhen
Yu Haizhong1，2Feng Shucai2Zeng Qi2
(1.ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074,China；2.ShenzhenMunicipalDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Shenzhen518029,China)
By using FEFLOW software, the trends of seawater intrusion in western Shenzhen were predicted. The prediction results show that in maintaining the present situation of groundwater exploitation and the average annual rainfall conditions, seawater intrusion degree in western Shenzhen is decreasing.
seawater intrusion, groundwater, trend, prediction
2015-06-29
余海忠(1971- )，男，在读博士后，高级工程师； 冯书才(1954- )，男，高级工程师； 曾 奇(1987- )，男，硕士，工程师
1009-6825(2015)25-0069-03
X145
A
