王天宝 戴维 白莹
摘要：莱州湾地区受海水入侵的影响，水质咸化、土壤盐碱化、农业减产等问题严重。本文根据实际调查和水文地质资料，对莱州湾东岸典型地区海水入侵现状进行评价分析，基于VisualModflow-SEAWAT和MT3DS模块建立地下水数值模型和溶质运移模型，模拟海水入侵发展趋势。经预测，未来10年该区海水入侵速率逐渐减弱，呈衰退趋势，研究区海水入侵基本得到控制。
关键词：莱州湾；海水入侵；数值模拟
海水入侵是指滨海地区地下水位大幅度下降出现的海水和淡水交融界面向陆地方向移动的现象[1，2]。近30年来，中国至少有十几个滨海城市地区发生了海水入侵[3]，海水入侵已经成为沿海城市急需解决的热点问题[4]。莱州湾地区作为山东重要的渔业基地，海水入侵问题也较为严峻[5]。海水入侵造成了地区海水倒灌，引发土壤盐渍化，造成了滨海农田减产显着[6，7]。莱州湾东岸平原区地下水矿化度、Cl-浓度等随海水入侵而不断升高，部分地区水质已远不符饮用甚至灌溉标准，而因工农业需水量大及水文地质条件限制，地下咸水的持续开采造成了恶性循环[8]。针对莱州湾地区海水入侵问题，黄磊[3]、陈广泉[9]等学者近几十年持续进行调查评价。
本文以实际调查和水文地质资料，对当前海水入侵造成的地下水咸化现状进行评价，利用VisualModflow建立地下水数值模拟对莱州湾东岸地区海水入侵未来发展趋势做出预测，为今后当地的生产发展及用水提供一定参考。
1.研究区概况
研究区（37°10′～37°20′N，119°46′～120°00′ E）位于山东省莱州市西北部莱州湾东岸，程郭镇以西至莱州湾沿岸，莱州市区以北到过西地区（图1）。
研究区地势南高北低，东高西低，以构造剥蚀丘陵和冲积海积平原为主[10]。区域平均降水量619.1mm，各类含水层发育厚度不大，区域自然地理状况、水文地质背景及人类生产生活等因素共同影响着地下水的循环。根据赋存条件对区内地下水分区，北部和莱州湾沿岸大部分地区为孔隙水含水区，东南部莱州市区附近为基岩裂隙含水区。
2.研究区海水入侵现状
2.1莱州湾地区海水入侵发展史
莱州湾地区海水入侵始于1976年，随后十几年海水入侵发展迅速，在降水剧减、地下水人为超采、工程活动等因素共同影响下[5，11]，80年代末莱州湾地区成为国内极为典型的海水入侵严重地区。海水入侵速度随时间呈现先增后减的发展趋势，恶化阶段入侵速度可达153km2/a，面积达627.3km2，虽然20世纪90年代以来海水入侵呈现缓解趋势，但入侵面积仍在扩大[12]。
2.2研究区海水入侵现状
本次调查根据研究区内不同水文地质单元的不同地质情况设置了16个检测点（图2），其中JC14、JC15监测碳酸岩岩溶裂隙水含水区，JC7、JC9监测基岩裂隙水含水区，其他监测点监测海水入侵较为严重的孔隙水含水区，分别取样进行水质分析。
参照研究区地下水实际情况结合Cl-的特征性和稳定性，采用单因子评价法选取Cl-作为评价因子。以地下水中250mg/LCl-浓度作为识别海水入侵海咸水交换的界面，氯度低于250mg/L的区域即为淡水，大于250mg/L为受海水入侵影响，超过1000mg/L为海水入侵严重的咸水区。调查结果（图2）显示，研究区当前受海水入侵影响范围约54.37km2，沿海岸线地区受海水入侵影响较为严重，西北部沿海松散孔隙水含水单元崔家、东方养虾池等氯度超过1000mg/L，为严重影响区；沿岸向内陆氯度呈阶梯状逐渐降低，龙王河流域中下游海水入侵沿河岸呈带状分布；大原地区因印刷等工业大量开采地下水，受海水入侵影响较为严重；南部基岩裂隙含水区和碳酸岩岩溶裂隙含水区受海水入侵影响较小。
3.研究区海水入侵发展趋势模拟预测
3.1水文地质概念模型及数学描述
根据区内的自然地理状况、水文地质条件以及含水层流场的分析结果，依照含水层渗透性等因素概化实际水文地质状况，建立概念模型（图3）。区内地下水主要自东向西入海，北侧与地下水流线重合，近似概化为第二类零流量边界；东侧与南侧均接受区外地下水侧向补给，为第二类流量边界；西侧沿海，近似为第二类定流量边界；将-70m处作为模拟区底面，因海水入侵对深层含水层影响甚微，概化为第二类零流量边界。
根据上述概念模型，将实际地下水流概化为三维非稳定地下水系统，可用下述数学模型来描述：
3.2数值模型结构及其识别与检验
依据上述概念模型及数学模型，利用VisualModflowSEAWAT模块建立数值模型并求解。研究区约长22.7km，宽19.2km，大地坐标X为20743737m～20766484m，Y为4118556m～4137727m，总陆地面积约220.23km2。受地层结构及其分布特征限制，将模型在垂直面上共分四层，对研究区进行100m×100m等间距剖分，东西向分227列，南北向分192行。
根据研究区水文地质条件，确定模型参数分区。第一层渗透系数K1为0.3433m/d，Ss取0.07；后三层K均取0.18m/d，Ss取0.01。模型侧向径流补给以pumpingwell形式加入模型，补给量按照达西定律计算所得。
将2016年3月～2017年3月作为模拟期模型的识别期，对比模拟计算水位与实际观测水位值，进行多次调试，优选参数，尽可能使结果与实测值误差在允许范围内，监测点拟合如图4。模型计算所得地下水水位与实测水位基本拟合，误差小于0.5m，符合精度要求（图4）。
根据模型计算结果，在现有补给开采条件下，区内地下水水均衡状况（表1）处于正均衡状态。
3.3模型预测
3.3.1预测方案
在识别验证模型的基础上，以标准海水中Cl-浓度19354mg/L加入到模型MT3DMS模块，进行10年变密度非稳定流模拟，预测正常用水条件下海水对区内地下水造成的影响。结合当地的氯度背景值，将海水与地下淡水互溶的咸淡水混合区和咸水区，统一划分为海水入侵影响范围，靠内陆为淡水区，以氯度是否超过250mg/L作为判定标准，大于等于250mg/L区域为海水入侵影响区，小于250mg/L为淡水区。
3.3.2预测结果及分析
结果表明，360天后研究区内海水入侵范围为58.92km2，1000天后增大至64.57km2，3600天后为76.85km2。可见，当前条件下研究区海水入侵范围仍然呈增加趋势，但入侵速率逐年降低，3600天后速率由4.55km3/a衰减到0.88km3/a，海水入侵基本得到控制（表2）。
4.结论与建议
4.1结论
（1）现状
当前研究区西北侧渤海沿岸受海水入侵影响较为严重，沿海岸线呈线状分布，向内陆递减，龙王河水系沿岸、大原工业区受影响较严重，呈点状侵入，两翼不断呈面状扩散。研究区受海水入侵影响总范围约54.37km2，受影响程度从沿岸至内陆呈阶梯状递减。
（2）发展趋势
根据VisualModflow建立的地下水数值模型的模拟情况，研究区未来10年受海水入侵的影响范围仍在缓慢扩大，但速率呈衰退趋势，可见区域海水入侵基本得到控制，在当前地下水均衡条件下，海水入侵速率逐渐衰减未来可能会出现负增长。海（咸）水入侵主要发生在以砂层、粘土层为主的孔隙水含水层中，对基岩裂隙水含水区和碳酸岩基岩裂隙水含水区的影响较小。
4.2建议
当前水均衡状态下，该区海水入侵基本得到控制，这与控制地下水开采有密切关系，但该区受气候、水文等因素制约，作为地下水主要补给来源的大气降水随季节、年际变化具有不均衡性，因此应合理规划地下水开采，避免枯水期、枯水年份超采地下水使地下水位迅速下降而加剧海水入侵。此外，结合水文地质条件建立地下水库，采用帷幕注浆方法建立地下隔水屏障等方式均可以减缓地下水咸化。
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