地层对海水入侵的控制作用和地下水管理意义

［美］TracyNishikawa和A.J.Siade等冯翠娥译；李烨、段琦校译在美国加利福尼亚州的洛杉矶，抽取地下水导致大范围的地下水水位下降和沿海地区的海水入侵。本研究开发了基于SUTRA的溶质运移模型，来测试DominguezGap区域地层序列模型的水力特征，并评价地下水管理方案的影响。模型是二维垂直流的，遵循从太平洋通过DominguezGap的近似流线。结果表明，新识别的断层系统可以提供海水的运移途径，位于BentSpring和UpperWilmington的地层界线可以控制海水的垂直运动。考虑了3种50年的水管理方案：（1）水管理方法没有变化；（2）修建了地下连续墙；（3）使内陆水位增加至海平面以上7.6m。采用方案（1）和（3），对海平面瞬间上升1m的影响进行了测试。根据两个100年的模拟结果表明，当海平面上升1m时，采用方案1，可能会加速海水入侵，而方案3对控制海水入侵比较有效。一、概述20世纪，在美国洛杉矶沿海广泛开发利用地下水，导致地下水位下降和海水入侵等相关问题（Poland等，1959；Land等，2004）。从上世纪50年代以来，已经采取了许多措施来解决这些问题，包括划定流域范围和建立南加州盆地水补充管区（WRDSC），负责保护和管理该地区的地下水，采取的具体行动包括减少抽水和增加人工回灌。特别是为了避免海水入侵，在西海岸盆地、Dominguez海峡和Alamitos海峡建了三个控制井，沿海岸注入水，营造海水入侵水力帷幕（Reichard等，2003）。目前，每年大约有3.7×107m3的水被注入到3个控制井。虽然控制井对于减少海水入侵具有重要作用，但在DominguezGap仍有这一现象发生（Land等，2004）。美国地质调查局（USGS）与WRDSC合作，对洛杉矶沿海的地下水系统进行区域分析（Land等，2002；Reichard等，2003；Land等，2004；Reichard和Johnson，2005）。近年来，美国地质调查局、WRDSC和洛杉矶公共建设局（LACDPW），在洛杉矶沿海DominguezGap区域进行了广泛的钻探研究工作（Hillhouse等，2002）。该研究的目标是确定这一地区详细的地层层序，地层对海水入侵的控制作用和地下水管理意义以改进海水入侵控制战略。这一工作建立的顺序地层层序模型是基于由USGS建造的5口钻井资料，并由该地区现有的钻井资料进行补充（Ponti等，2007；Edwards等，2009）。（一）地质环境和水文地质洛杉矶盆地西南的Dominguez海峡地区，包括与SanPedro海湾毗邻的洛杉矶县的沿海平原一部分、长堤市和托兰斯（地处长堤市西北）。地质构造方面，DominguezGap总体位于Wilmington的掩埋背斜，东北和西南边界分别为Newport-Inglewood断层系统和PalosVerdes断层。洛杉矶河的侵蚀河道有30m厚的全新统河流冲积物和河口沉积物，除此以外的大部分地区，地表出露有晚更新统冲积物、崩积物和近海沉积物。许多研究已经描述过DominguezGap地区的含水沉积层，其中最重要的是Poland和Piper（1956）、Poland等（1959）、加利福尼亚水资源部（1961）和Zielbauer等（1962）的工作。在Woodring（1946）的工作之后，所有这些研究均将该地区的全新统和更新统沉积物分为3个基本系列。采用加利福尼亚水资源部（1961）的定义，下更新统系列由SanPedro地层组成，这是位于Wilmington背斜以上的海相单元，沿PalosVerdes和Newport-Inglewood隆起出露。SanPedro地层由3个主要的含水单元组成，从老到新分别为（1）Sunnyside含水层；（2）Silverado含水层，这是该地区的富水含水层，局部厚度可以达到的200m；（3）Lynwood的上覆含水层。所有含水层主要由海砂组成，含细砂透镜体。Reichard等（2003）最近将这些含水层重新划分为下SanPedro（Sunnyside）含水层和上SanPedro上含水层（Silverado和Lynwood）系统。认为晚更新统Lakewood地层是不整合的上覆于SanPedro地层，由一系列浅海、河口、河流、和崩积沉积物组成，在托兰斯和长堤市地表出露。在Lakewood地层，识别出一个主要的含水单元，即Gage含水层（Reichard等，2003），该含水层主要由互层的细到中砂组成，局部有粗粒透镜体，一般较薄，与SanPedro含水层相比，岩性更为均质。在Lakewood地层之上，是全新统系列，主要由洛杉矶河流沉积物组成，夹细粒河口淤泥。上部的岩石地层单元与下层岩性和地层具有一定的关联，虽然这种方法对于确定含水层物质存在的地下区域比较有用，但无法明确由于沉积单元相变造成的岩性侧向变异，不能准确代表真正的连续性粗粒含水相，或不同单元之间含水层相之间的相互关系。相比之下，Ponti等（2007）近期的工作纳入了层序地层学的概念，这是一种将尽管岩性在侧向和垂向上具有变异，但具有某种内存联系，且在特定的时间间隔沉积的沉积物综合在一起的方法。层序及其垂直叠加受基准面（海平面）变化、沉积物补给和所提供容纳空间的控制。在这些沉积体系中，各相具有侧向联系，可以进行填图和预测，因此考虑了含水层的侧向分布，而且很好地界定了细粒隔水层。采用Ponti等（2007）的方法，识别了DominguezGap地区全新统和更新统沉积物的7个地层序列，3个上新统序列和1个第三系系列，这些系列组成了地下水流系统的某些部分。由Ponti（2007）确定的这些序列，加利福尼亚水资源部（1961）和Reichard等（2003）确定的含水层系统如表1所示。每个序列代表了系统中一种岩性，岩性划分为4类：中到粗砂和砾石、细到中砂、粉细砂至粉砂以及粉砂和粘土为主。Ponti等（2007）的研究还发现存在影响含水层相关性和连续性的近期褶皱和断层系统（太平洋沿海Highway断层或PCH断层）。Ponti等（2007）假设褶皱和断层营造了海水进入浅层沉积物进而进入到深部含水层的通道。PCH断层如何影响含水层的关系和连续性的实例之一是，在PCH断层北部的上Wilmington序列为砂岩，归于Silverado含水层（见表1），与Ponti等列出的断层南部的上新统A和B序列中的砂共存。表1加利福尼亚DominguezGap区地层序列与含水层之间的关系地层（DWR，1961）序列（Ponti等，2007）太平洋沿海Highway断层北部含水层太平洋沿海Highway断层南部含水层DWR（1961）Reichard等（2003）DWR（1961）Reichard等（2003）全新统DominguezGaspur最近Gaspur最近LakewoodMesaGageLakewoodGageLakewoodPacificSanPedroHarborLynwood下SanPedroBentSpringSilveradoLynwood下SanPedro上Wilmington下WilmingtonSunnyside下SanPedroSilverado上新统APico上新统BPico下SanPedro上新统C水井未穿透水井未穿透Pico第三系未分化水井未穿透水井未穿透水井未穿透水井未穿透（二）研究方法本研究的工作目标是：（1）定量评价Ponti等（2007）和Edwards等（2009）采用溶质运移模型提出的层序地层学的水力影响；（2）利用校准运移模型评价不同管理战略的可能影响；（3）利用校准运移模型评价由于气候变化导致海平面上升1m的可能影响。采用SUTRA模拟溶质运移（Voss和Provost，2002），包括二维、三维、有限元、基于密度、地下水流和溶质运移模型。在19世纪中期，洛杉矶沿海开始开发利用地下水，根据模拟结果，可以估计太平洋（SanPedro海湾）到DominguezGap区的地下水流和氯化物（Cl）运移。采取的方法是模拟准稳态条件，假定代表1849年的情况，然后模拟1850～2004年的瞬时流动和运移。模型认为沿近似流线流动和运移，然而，真正的地下水流动和运移系统是三维的。Nishikawa（1997）采取类似的方法来确定不同假设的有效性，考虑了加利福尼亚州Ventura郡的海岸水文地质条件。在模型中没有明确考虑该地区的断层，即假定断层对水压和氯离子浓度的影响通过断层造成的地层分层引起。二、地下水流和运移模型（一）空间和时间离散采用有限元网格来离散层序地层剖面，模型的横向和纵向范围分别为15,800m和900m左右。区域的顶部海拔为低于海平面20m（bsl）至高出海平面13m（asl），底部海拔为900m（bsl）。在本研究中，海平面参照北美垂直基准88（NAVD88）。网格包括87191个节点和86643个单元，按照水平和垂直变量划分。模拟的断面宽度为1m，在模拟时采用不规则的四边形有限元。栅格大小在浅层较小（5m×25m），到接近底部较大（20m×100m）。栅格越小，越可以更好地表征低渗透性的薄层，可以准确计算压力和浓度的敏锐时空变化。确定初始条件的模拟期是10000年，步长为10年。对于数值稳定性模拟，采用155年的瞬态，2周为步长。（二）初始和边界条件按照任意初始条件，进行长期（10000年）的瞬态模拟，可以达到稳定态条件。采用得到的压力和氯离子分布作为历史（1849）和瞬态模拟时的初始条件。一般来说，在模拟时，采用无流量或固定压力（FP）、进入流域内水中氯离子浓度特定。而且，流域内的固定压力垂直海岸边界顶部为120m（bsl），反映了低于这一高度的沉积物远离海岸。而且，FP水平海岸边界相应于海洋底部从0～8020m（x轴方向）的大概位置。FP内陆边界从地表（海拔约13masl.）延伸到流域的底部，用于稳定态模拟，时间变化作为瞬态模拟。FP-内陆边界是反映这一位置压力对水位总体影响的简化，然而，在模拟结果中，可能无法反映当地具体的抽水和注水的影响，因为难以明确界面上的压力。沿底部边界和120～900mbsl的海岸边界沿线，是无水流边界。对于稳定态模拟，FP-海岸边界是静水的，采用海水密度1024kg/m3，并假定海平面相当于0m，边界的氯离子浓度是19,000mg/L。FP-内陆边界也是静水的，但是采用淡水密度1000kg/m3，并假定水头为7.6m（asl.）。Mendenhall（1905）研究表明，断面内陆位置附近的水位约为6m，假定当前水位略高于50年前，即1849年的水位。边界的氯离子浓度设置为0mg/L。对于瞬态模拟，FP-海岸边界与稳定态模拟边界保持一致。FP-内陆边界也是静水的，但将其划分为两个不同的时间边界。FP-内陆边界的上半部分从地表延伸到124m（bsl），并由1849年的初始水位（稳定态）线性变化至2004年的0m。采用2004年的0m比较合理，因为这些水位数据是从3口浅井收集的，这些浅井位于内陆模拟边界向海方向1500m处。这些水井（889T，898W和898X）由LACDPW负责，顶部和底部射孔范围为8～31m（bsl）。根据自1938年来附近水井（4S/13W-23B2）的水位观测资料，来确定内陆边界下部随时间变化的水压。井23B2深度为325m，射孔范围为195～270m（bsl）。对于1850～1938年之间缺失的数据，以及任何其他缺失的数据，根据线性插值来确定（图1）。在124m（bsl）处划分内陆边界，对应于最浅的低渗透性层。三、系统参数模型属性，包括渗透性（k）、流体压缩性、流体密度、流体粘度、孔隙度（n）、固体基质的压缩性、固体颗粒密度、弥散性（α）和扩散系数（af），会影响模拟水通过含水层的速度和范围、储水量变化、由于应力变化造成的地下水位变化和溶解盐的迁移。流体压缩性、弥散系数、海水密度、淡水密度、流体粘度、固体基质压缩性与固体颗粒密度是根据公开数据确定的，分别为4.47×10−7m2/