地下水数值模拟

对海水入侵问题的认识
摘要：随着地下水的超采，我国许多沿海城市都出现了海水入侵的现象，严重影响到了自然生态环境及人们的生活，本文介绍了关于海水入侵的一些概念，如何运用数值模拟的方法对该现象进行预测分析，以及据此得到的防治对策。

关键字：海水入侵，数值模拟，防治对策
一、海水入侵的概念及现状
海水入侵是由于滨海地区水动力条件发生了变化，引起高盐度的海水或者咸水向淡水含水层运动，从而发生水体入侵，造成水质恶化，土壤次生盐渍化的现象。

海水入侵现象与岩相及构造、地理环境、气象条件，以及人类的活动密不可分。

自然条件固然是造成这一现象的基本因素，但是在许多地区，人类对地下水的过量开采是最直接的诱因。

沿海地区，海水与淡水之间存在一个咸淡水接触面，当淡水位高于海水位时，淡水向海中流动，淡水不会被咸化。

但是人类过量开采地下水，直接导致地下水位下降，水压降低，海水向淡水含水层进行入侵。

海水入侵在中国沿海城市是一个非常普遍且严重的问题，由于经济的发展和人类生活的需求，许多沿海城市都存在地下水超采的问题，地下水的补给速度远小于开采速度，水位不断下降，海水入侵问题也愈演愈烈。

海水入侵对自然环境和人类生活都造成了非常巨大的危害，海水入侵使得地下水盐分增加，在入侵区域的工业设备容易受到腐蚀，使用寿命减少，产品质量降低，因水质处理或远距离调水增加了生产成本，甚至导致工厂不堪重负，搬迁或者倒闭，减缓了经济的发展；长期用咸水灌溉，会导致土壤发生盐渍化甚至板结，肥力下降，粮食减产；海水入侵还会导致居民的饮用水咸度增加，水质变差，包含更多对人体有害的元素，对人类的身体健康造成危害，许多淡水源地更因此受到影响，严重者甚至被废弃，大大干扰了人们正常的生活饮水，造成用水紧缺，降低了人们的生活质量。

20世纪60年代初期，中国的大部分沿海城市还处于天然的水动力条件下，很少发生海水入侵的现象，水质良好。

20世纪70年代开始，由于国家经济的发展，地下水开采量渐渐增大，咸淡水平衡遭到破坏，海水入侵的现象变得越来越普遍，辽宁、河北、天津、山东、江苏、上海、浙江、海南、广西9个省份的沿海地区都有不同程度的海水入侵现象发生，其中最严重的是山东、辽宁两省，入
侵总面积已超过2000平方公里。

由于有限的地下水资源与人类日益增长的水量需求之间的矛盾难以得到缓解，海水入侵的现象还在频繁发生着，好在人们逐渐认识到了其造成的危害以及解决这一问题的重要性，越来越多的学者开始着手研究海水入侵现象的相关问题，各种各样的对策浮出水面，有待实践和考证。

二、海水入侵的数值模拟
面对海水入侵现象越发严重的境况，人们逐渐开始研究数值模拟在这一领域的应用，我们可以通过海水入侵区的水文地质数据模拟出入侵的速度以及地下水含水层中含盐量或者其他矿物元素含量的变化等，并在不同开采条件以及不同防治措施的情况下对其进行模拟，从而能对假设的情况进行一个预测，对海水入侵的原因以及防治起到了非常重要的指导以及预测作用。

现在用于海水入侵数值模拟的比较常见的有FEFLOW以及MODFLOW等软件，可进行三维水流模拟、溶质运移模拟和反应运移模拟等。

海水入侵区域的水文状况往往非常复杂，面积也相当大，因此地下水数值模拟的基本思路是把入侵区域复杂的问题分解，将该区域通过不同的标准剖分成尽量小的区域，如：如参数分区，行政分区，地表水体，断层等，这么小一个区域就不会有太复杂的问题，但是这个小区域的问题的解又会影响与它相邻的区域，这样就会出现误差的传递叠加，为了控制这种情况，可以用一些已知的大范围都适用的基本的水力公式对其进行限制，校正，比如水量平衡方程，同时也需要测量定解出一些关键性的参数来控制误差的传递，再结合计算机的能力，对小区域问题定解，再综合，最终求解出我们需要的大区域复杂问题的解。

海水入侵数值模拟的一般步骤如下：
1、建立地质概念模型
对研究区域的资料收集是数值模拟是否准确的一个重要因素。

收集海水入侵地区的地形地貌、水文地质、构造地质、水文地球化学、岩石矿物、气象以及工农业利用情况等资料，从而确定该研究入侵区的大小，含水层层数，维数(一维、二维、三维)，水流状态(稳定流和非稳定流、饱和流和非饱和流)，介质状况(均质和非均质、各向同性和各向异性、孔隙、裂隙和双重介质、流体的密度差)，边界条件和初始条件等。

根据评价的目的和要求，所概化的水文地质概念模型应简单明了，反映地下水系统的主要特征，并且要能够被用于进一步的定量描述，
以便于建立描述符合海水入侵区域地下水运动规律的微分方程的定解问题。

必要时需进行一系列的室内试验与野外试验，以获取有关参数，如渗透系数、弥散系数、分配系数、反应速率常数等，进行模型的概化。

2、建立数学模型
数学模型分为线性模型与非线性模型，静态模型与动态模型，集中参数模型与分布参数模型，决定性模型与随即性模型。

而数学模型的选择取决与地质概念模型，比如地下水流的类型，饱和流还是非饱和流，层流还是紊流，稳定流还是非稳定流，地下水的贮存形式，以及是一维流还是二维流，三维流等等。

对上述海水入侵区域的概念模型建立适当的数学模型进行描述。

绝大部分数学模型是无法用解析法求解的。

利用数值化将数学模型转化为可解的数值模型。

常用数值化方法有有限单元法和有限差分法。

数值模型的建立，实质是借助于计算机利用先进的数值方法和处理工具对建立的数学模型进行求解。

3、参数调整与模型验证
将通过软件得到的模拟结果与实测结果相比较，调整参数，使模拟结果在给定的误差范围内与实测结果相吻合，所调整的参数必须符合海水入侵区域的自然条件，这样构建的模型才能具备水文意义。

灵敏度分析就是为了确定参数值的时空分布、边界条件、水流状态等不确定度的对校正模型的影响程度。

模型验证则是在模型校正的基础上，进一步调整参数，使模拟结果与第二次实测结果吻合，以提高模型的置信度。

4、模型预测
经过参数校正和模型验证，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。

5、模型后续检查及再设计
后续检查在模拟研究结束数年后进行，收集新的野外数据以确定预测结果是否正确。

如果模拟结果精确，则该模型对该海水入侵区域来说是有效的，这一检查应在预测结束足够长的时间后进行，以便有足够的时间发生明显的变化。

一般情况下，后续的检查会发现系统性能的变化，从而导致概念模型和模型参数的修改。

三、海水入侵的防治对策
1、合理适量开采地下水
引发海水入侵的一个最重要的因素是人类对地下水的过量开采，导致水位降低。

针对这一直接原因，最好的解决方法莫过于控制地下水开采量，比如可以调整开采时间和间隔，丰水年份多开采地下水，而枯水年份可以相对少开采地下水，给地下水恢复的机会；调整开采井布局和水井密度，避免集中开采地下水造成局部降落漏斗的现象，实行分散开采，尽量避开海水入侵通道。

由此保证淡水含水层的水位，缓解海水入侵的趋势。

2、提高行业水资源利用率
农业是用水较大的产业之一，由于中国的很多地区种植灌溉水平相对比较落后，用水浪费率很高，可以推广先进的灌溉方式，比如微灌、喷灌、管灌、田间地面灌水以及关键时期灌水等节水灌溉方式。

许多工业用水的水资源循环率较低，用水量巨大，可以通过改良工艺，改进设备的方式对用水量进行削减，尽量减少地下水的抽取量，提高水位，缓解海水入侵问题。

3、建筑水利工程设施
人工补给地下水是提高地下水水位，缓解海水入侵现象的有效措施之一。

拦蓄降水和地表径流补充地下水，如修建橡胶坝、渗井、渗渠回灌工程。

沿海地区河流通常独流入海，源短流急，雨后河水暴涨暴落，所以拦蓄工程起到补源与兴利的双重效果。

适当拦蓄地下径流，减少地下淡水入海通量，在滨海构筑地下阻咸帷幕，建筑地下水库，既起到拦截地下水径流的作用，又起到阻止海水入侵的作用。

在近海地带采用适当处理后的污水、废水回灌地下水，构筑水力帷幕，既利用了污水、废水，又阻止了海水入侵。

4、建立适应性生态改良措施
适应性生态改良是指为适应海水入侵，在入侵区种植耐盐作物，利用地下微咸水或与淡水混合利用浇灌这些作物，从而能够保证作物的产量，发展农业以及经济。

原则上根据海水入侵区具体的海水入侵现状、发展趋势、地表景观，采取统筹规划分区治理的方法，由海岸向内陆腹地分区开发利用。

5、动态监测
对海水入侵要积级开展动态监测工作，实时观察淡水和咸水的地下水位以及
沿海地带地下水的含盐量，特别对已入侵地段实施重点监测，对超采地区的地下水开采要进行限制，确定有效的保护措施，以缓解海水入侵程度，逐渐恢复淡水资源。

在水资源管理上，除了适度压缩地下水开采量，提高水资源利用率，建筑水利工程设施，建立适应性生态改良措施，实行对海水入侵带的动态监测等措施，还应该积极推行水法，在行政上和舆论道德上树立合理利用水资源的意识，植树造林，搞好绿化，增加降雨入渗补给量，把水资源开发与生态环境建设统一起来，这样才能从根本上解决海水入侵的问题。

参考文献：
[1].郭占荣,黄奕普. 海水入侵问题研究综述[J]. 水文2003,23(3);10-15.
[2].薛禹群,吴吉春,谢春红等. 莱州海沿岸海水入侵与咸水入侵研究[J]. 科学通报，1997,42(22):2360-2367.
[3]张永,何宏谋,侯红雨. 地下水数值模拟模型应用实例分析[J]. 人民珠江,2006,1；50-52.
[4]卢薇,朱照宇,刘卫平. 基于FEFLOW的海水入侵数值模拟[J]. 地下水,2010,32(3);19-21.。