滨海海水入侵的水文地球化学过程及数值模拟研究

Seawater intrusion is one of the most wide-spread and important processes that degrades water-quality by raising salinity to levels exceeding acceptable drinking and irrigation water standards, and endangers future exploitation of coastal aquifers. In the process of seawater intrusion, some geochemical processes occur between chemical compositions in seawater and the ambient groundwater or aquifer skeleton (e.g. water-rock interactions, ion exchange, carbonate dissolution/precipitation), especially in the transition zone of the seawater encroachment. Therefore, understanding of these hydrogeochemical processes is of great significance for prediction and management of seawater intrusion into coastal aquifers. The objective of this project is to develop a model to investigate the geochemical characteristics of seawater intrusion in coastal aquifers with a typical study area of the downstream region of Dagu River. In order to deeply investigate the groundwater hydrogeochemical characteristics of the transition zone, field geological survey together with laboratory experiments are carried out. Depending on the collected data, three-dimensional transient model of density-dependent flow of seawater intrusion will be developed. Particularly, the developed model has the capability of describing the effect of the ion exchange reaction on the solute transport process in the course of seawater encroachment. For the identification of hydrogeological parameters, the parameterization optimization software package PEST (Parameter Estimation) is utilized. In addition, related parameters for chemical reactions are obtained from laboratory investigation. Simulations are conducted to predict the dynamics and trends of seawater intrusion in coastal aquifers of the downstream region of Dagu River. The research will not only be helpful for understanding the mechanism of seawater intrusion, but also provide scientific and theoretical basis for properly exploring fresh groundwater resources and controlling seawater intrusion in coastal aquifers.

海水入侵过程中，海水中的化学组分与地下淡水及含水层骨架之间存在着离子交换、溶解/沉淀等化学作用，认识和了解这些水文地球化学过程，对海水入侵的预测和管理具有重要的指导意义。本课题选取青岛市大沽河下游地区为典型研究区，通过野外地质调查和室内试验分析，深入研究过渡带地下水的水文地球化学特征，在此基础上建立三维非稳定流变密度渗流-弥散-反应耦合海水入侵数值模型，使其能够描述滨海含水层海水入侵过程中的离子交换反应等化学变化对溶质运移过程的影响。利用数值反演技术对含水层参数进行识别，并辅以室内试验手段标定离子交换等化学反应的相关参数，模拟和预测青岛市大沽河下游地区滨海含水层中海水入侵的动态和发展趋势，揭示海水入侵的机理和规律，综合评价并提出防治海水入侵的有效措施。本研究为合理优化开采地下淡水资源、定量评价与防治海水入侵提供科学的理论依据。

海水入侵过程中，海水中的化学组分与地下淡水及含水层骨架之间存在着离子交换、溶解/沉淀等化学作用，认识和了解这些水文地球化学过程，对海水入侵的预测和管理具有重要的指导意义。根据海水入侵的机理要根本上解决海水入侵问题必须提高滨海地区的地下淡水水位。地下截渗墙是防治海水入侵较为有效的工程措施，通过切断海水入侵通道和地下淡水排泄通道来防止海水入侵，目前已经存在很多示范工程。本课题选取青岛市大沽河下游地区为典型研究区，通过野外地质调查和室内试验分析，深入研究过渡带地下水的水文地球化学特征，在此基础上建立三维非稳定流变密度渗流-弥散-反应耦合海水入侵数值模型，使其能够描述滨海含水层海水入侵过程中的离子交换反应等化学变化对溶质运移过程的影响。接着，运用该数值模型模拟了地下截渗墙存在情况下的咸水入侵的室内物理模型试验。模拟结果表明：所建模型能够准确描述自然条件下和有地下截渗墙存在情况下的浓度场并跟踪咸淡水分界面随着时间的运移情况。为了更深入地讨论地下截渗墙安装前后咸水入侵的运移规律，本项目模拟了不同的咸、淡水侧水位差、截渗墙高度和截渗墙位置条件下截渗墙右侧残留咸水的消散过程。得出的主要结论如下：（1）保持咸水侧水位不变，淡水侧水位越小，咸水楔向前入侵的距离越大，导致横向距离同一位置咸水楔形体越厚，上覆淡水层越薄，这也正是咸水入侵时抽水井水质变咸的原因。（2）不同的截渗墙高度条件下，淡水沿着混合区流向咸水侧，并越过截渗墙，逐渐稀释补充进混合区的咸水，最终完全冲散截渗墙右侧残留咸水。结果表明，要冲散残留咸水，截渗墙应有最小高度要求，且相对较矮的截渗墙更有利于冲散残留咸水。（3）不同的截渗墙位置条件下，截渗墙离咸水侧距离越远，残留咸水体积越小，全部消散所用的时间越少。本研究为模拟和预测滨海含水层中海水入侵的动态和发展趋势，揭示海水入侵的机理和规律，综合评价与防治海水入侵提供科学的理论依据。