一种用于量化含有截水墙的沿海含水层中海水入侵的新分析方法

《Advances in Water Resources》：A novel analytical solution for quantifying seawater intrusion in coastal aquifers embedded with a cutoff wall

本研究提出无需实验室验证的新型解析解，模拟沿海含水层中截断墙对海陆淡水界面的影响，并通过数值模型验证准确性。结果表明：截断墙位置和开口高度显著影响防渗效果，墙离海岸越近、深度越大则防渗效果越强，且有效范围受墙距海岸临界点制约。

　　

Jiazhi Sun | Wenlong Shi | Huiqiang Wu | Jie Yang | Chunhui Lu

中国南京河海大学水灾害防治国家重点实验室

摘要

截水墙是一种用于防止海水侵入沿海含水层的地下结构。已经开发了数值模型和实验模型来研究截水墙在阻挡海水方面的有效性。现有的用于量化含有截水墙的沿海含水层中海水侵入的分析解需要通过物理实验来确定形状因子。本研究提出了一种新的分析解，能够在不进行实验室实验的情况下模拟含有截水墙的沿海含水层中的海水侵入情况。该修正后的分析解与数值解和实验解结果吻合良好，证明了其准确性。研究结果表明，建造截水墙可以显著提高墙体上游的水力头。截水墙控制海水侵入的效果随着墙体与海岸线距离的减小以及墙体开口高度的降低而增强。当截水墙距离海岸线较远时，其有效范围位于由分析解得出的两个临界点之间。本研究开发的分析解可以作为快速评估截水墙防止海水侵入效果的一种独立工具。

引言

在全球沿海地区，淡水地下水资源常被用于饮用、农业灌溉和工业用途。由于地表水资源有限，以及海水淡化等替代方案成本较高（Post等人，2013年），地下水成为主要的淡水来源。然而，海平面上升和过度抽取地下水加剧了海水侵入问题（Werner等人，2013年；Ketabchi等人，2016年）。最近的研究表明，海平面上升加速了海水向内陆的移动，而过度抽取地下水则降低了地下水位，进一步促进了海水侵入沿海含水层（Foster等人，2004年；Liu等人，2008年；Michael等人，2017年）。此外，由于地下水枯竭导致的地面沉降也会增加沿海地区对海水侵入的敏感性（Herrera-García等人，2021年）。海水侵入造成的淡水资源退化对沿海地区的可持续水资源管理构成了重大挑战，因此需要制定有效的缓解和适应策略。

近年来，人们采用了多种工程策略来缓解海水侵入问题，如水力屏障、空气屏障和物理屏障。水力屏障可分为正压型、负压型和混合型，通过注水或抽水井重新分配水力头，并在防止海水侵入方面取得了成功（Ebeling等人，2019年；Kacimov等人，2009年；Land等人，2004年；Lu等人，2013年、2017年；Luyun等人，2011年；Mahesha，1996年、2001年；Sheahan，1977年；Sherif和Hamza，2001年；Shi等人，2020年）。然而，在淡水资源有限的地区，获取用于注水的淡水十分困难。相比之下，空气注入因其可用性和低成本而被认为是一个可行的选择（Sun和Semprich，2013年；Yang等人，2024年）。空气屏障是通过向含水层孔隙中注入空气来形成的，这会降低水力传导性并形成空气屏障。然而，空气屏障在实际应用中仍然受到限制，尤其是在空气容易积聚的封闭含水层中（Dror等人，2004年）。

物理屏障，包括全穿透屏障、地下坝和截水墙，在许多国家得到广泛应用，并且已经对其防止海水侵入和增强地下水抽取的效果进行了广泛研究（Ishida等人，2003年；Jamali等人，2013年；日本绿色资源机构，2004年；Luyun等人，2009年；Kaleris和Ziogas，2013年）。Wu等人（2020年）指出，在海水体积、海水楔形体位置和最大安全抽水速率方面，全穿透屏障的表现优于截水墙和地下坝。然而，全穿透屏障可能需要大量投资，可能会滞留残留盐水，并导致地下水位显著上升（Dror等人，2004年；Zheng等人，2020年）。与全穿透屏障和地下坝相比，截水墙所需的挖掘深度和建设投资较少，使其成为防止海水侵入和减少地下水位急剧上升的更合适选择。

以往关于截水墙防止海水侵入效果的研究主要依赖于数值模拟和实验室实验（Abdoulhalik和Ahmed，2017年；Kaleris和Ziogas，2013年；Luyun等人，2011年；Wu等人，2020年）。例如，Luyun等人（2011年）使用SEAWAT代码进行了二维沙箱实验和数值模拟，研究了截水墙位置、穿透深度和补给井对非封闭含水层中海水侵入的影响。他们发现，穿透更深且距离海岸线更近的截水墙具有更高的海水阻挡能力。Kaleris和Ziogas（2013年）基于SUTRA开发了三维数值模型，研究了截水墙对海水侵入和地下水抽取的影响。他们表明，截水墙的效果取决于墙体深度、位置、流速比、混合强度、导电性和墙体的相对导电性。Abdoulhalik和Ahmed（2017年）使用数值模拟和实验室实验评估了截水墙在多层沿海含水层中的效果。他们发现，含水层底部的低渗透性层会减弱截水墙的阻挡效果。

利用分析解研究截水墙对海水侵入影响的研究较为罕见。Anwar（1983年）推导出一个分析解，用于确定含有截水层的非封闭含水层中淡水-海水界面的形状。模拟结果与Hele-Shaw垂直平面模型一致。然而，该分析解没有考虑淡水和海水之间的混合现象。此外，该解包含两个需要通过实验确定的形状因子（Kaleris和Ziogas，2013年），这意味着没有Hele-Shaw模型就无法确定界面轮廓。

本研究旨在开发一种新的分析解，用于分析含有截水墙的非封闭或封闭含水层中的淡水-海水界面，无需依赖实验模型。基于变密度流动代码SEAWAT的数值模型被开发出来以验证分析解的准确性。从截水墙开口长度和位置的角度评估了截水墙控制海水侵入的效果。研究结果有望为评估截水墙防止海水侵入的性能提供理论基础。

章节摘录

概念模型

在本研究中，我们考虑了含有截水墙的封闭含水层和非封闭含水层。图1展示了理想化横截面含水层的概念模型。含水层和截水墙的水力传导率分别为K_a [L/T]和K_w [L/T]，其中K_w明显小于K_a。截水墙左边缘与海岸线之间的距离用L_w [L]表示。截水墙的宽度用w [L]表示。

分析解的验证

本节展示了包含修正因子的分析解的验证过程。研究了封闭含水层和非封闭含水层的情况。图4显示了修正后的分析解（蓝线）和数值解（渐变色图和绿线）的结果。由于内陆边界条件（BC）被指定为恒定流量，因此采用了方程（43）进行修正。使用方程（43）得到的修正后的分析解与50%浓度下的结果吻合良好。

结论

本研究提出了一个用于分析含有截水层的沿海封闭含水层和非封闭含水层中海水侵入的新分析模型。为了验证分析解在恒定内陆流量边界条件下的准确性，采用了基于变密度代码SEAWAT的大规模数值模型。同时，还使用了Luyun等人（2011年）提供的小规模实验数据来验证在恒定内陆水头边界条件下的分析解。

作者贡献声明

Jiazhi Sun：撰写——原始草案、方法论、调查、形式分析、概念化。Wenlong Shi：撰写——审阅与编辑、方法论、形式分析。Huiqiang Wu：方法论、调查、形式分析、概念化。Jie Yang：撰写——审阅与编辑、概念化。Chunhui Lu：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源协调、方法论、调查、资金获取、形式分析、概念化。