地层对海水入侵的控制作用和地下水管理意义.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流地层对海水入侵的控制作用和地下水管理意义.精品文档.地层对海水入侵的控制作用和地下水管理意义美Tracy Nishikawa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Dominguez Gap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Dominguez Gap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Bent Spring

2、和Upper Wilmington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

3、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3.7107m3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Dominguez Gap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；Reicha

4、rd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Dominguez Gap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，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San Pedro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

5、，Dominguez Gap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Palos Verdes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Dominguez Gap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

6、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San Pedro地层组成，这是位于Wilmington背斜以上的海相单元，沿Palos Verdes和Newport-Inglewood隆起出露。San Pedro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San Pedro（Sunnyside）含水层和上San Pedro上含水层（

7、Silverado和Lynwood）系统。认为晚更新统Lakewood地层是不整合的上覆于San Pedro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San Pedro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

8、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Dominguez Gap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

9、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

10、，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Dominguez Gap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LakewoodMesaGageLakewoodGageLakewoodPacificSan PedroHarborLynwood下San Pedr

11、oBent SpringSilveradoLynwood下San Pedro上Wilmington下WilmingtonSunnyside下San PedroSilverado上新统APico上新统BPico下San Pedro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

12、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（San Pedro海湾）到Dominguez Gap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18502004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

13、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（5 m 25 m），到接近底部较大（20 m 100 m）。栅格越小，越可以更好地表征低渗透性的薄层，可以准确计

14、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08020m（x轴方向）的大概位置。FP内陆边界从地表（海拔约13m asl.）延伸到流域的

15、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120900m bsl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1024 kg/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1000 kg/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

16、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831m（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

17、度为325m，射孔范围为195270m（bsl）。对于18501938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（）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4.47107m2/N、1.0109m2/s、1,

18、024 kg/m3、1,000 kg/m3、0.001kg/ms、1.0109m2/N和2,600 kg/m3（Freeze和Cherry，1979）。通过试错参数估计来指定其它参数（k、n和），初始和最终参数值见表2。时 间内陆边界条件随时间线性变化水井4S/13W-23B2水头（单位：米）图1 内陆边界随时间变化的边界条件表2 加利福尼亚Dominguez Gap地区的初始和最终水力和运移参数结构描述水平渗透性（m2）垂直渗透性（m2）孔隙度（1）纵向弥散性（m）横向弥散性（m）初始最终初始最终初始最终初始最终初始最终中至粗砂砾1.00E103.80E101.00E123.80E110.2

19、50.30300600305细至中砂1.00E114.10E121.00E134.10E130.300.30300600305极细砂和粉砂1.00E121.10E131.00E141.10E140.350.40300600305粉砂和粘土为主3.60E143.60E143.60E163.60E170.450.50300600305用于校准采用的原始数据为16口水井的测量水位和氯离子浓度，各个水井的信息见表3。如前所述，在数值模型中没有明确列出当地的抽水和注水情况，因此，结果不能反映其潜在影响。模型校准主要有两个目标。首先是将沿海浅层和深部地区的氯离子浓度差异进行匹配；其实是模拟PCH断层地区，

20、氯离子浓度高的地下水向下运移模拟结果。另一个校准目标是匹配其它13口水井的测量水位与氯离子浓度。为了达到这些校准目标，在对含水层进行主要修改的参数有渗透率、孔隙度和分散性的各向异性比。假定渗透性均质各向异性，指定4种地层结构的初始渗透性值，初始和最终的k值列于表2。最初假定4种地层结构k值的各向异性比均等于100:1（即k水平/垂直=100），但是，在参数评价过程中，除极低渗透性的粉土和粘土，其余几种类型各向异性比均改变为10:1。为了与沿海附近较低的氯离子浓度测量值相匹配，将这一地层结构的渗透率各向异性比率指定为1000:1。假定孔隙率为各向异性，指定4种地层结构的孔隙率值，初始和最终的n值

21、列于表2。对孔隙度值进行调整，以使模型中的氯离子浓度与观测数据更好地匹配。除了细砂和中砂，每一种地层结构的孔隙度值都从初始值增加了5%，以减缓模拟氯向内陆迁移，以更好地与测量数据相匹配。假定弥散性均质、各向异性，初始和最终值列于表2。注意初始纵向（L）与横向（）弥散性比值为10:1，逐渐增加到120:1（即，L/T=120）。尽管比例增加了一个数量级，但根据Gelhar等（1992）的报告，最终的L和T（分别为600m和5m）是合理的。然而，对于任何一个观察范围大的模型，例如本研究，计算的弥散性不具有高度可靠性（Gelhar等，1992）。在SUTRA中，弥散性与流向有关（Voss和Provo

22、st，2002）。由于粉土和粘土、粉土-极细砂的垂直渗透率低，因此，水流的主要方向是向内陆，因此，弥散性的这些变化有助于形成清晰的垂直过渡区和管委会称为弥散的水平过渡区。评价的参数有4种地层结构的渗透率和孔隙度以及垂直和水平弥散性。水力学特征和海水运移最敏感的参数是渗透性，例如，海水向下运移对粉土和粘土类的渗透性极为敏感。此外，水平与垂直各向异性值必定很大（1000:1），以防止海水向下迁移太远，允许水平锋向内陆迁移。但是，一旦确定这一类型地层结构合适的各向异性比值，与其它3类结构相比，渗透性微小变化的影响相对较小。其它3种地层结构类型的渗透性具有相似的影响。与其它参数给定的值相比，某一参数值

23、的变化影响可能更大，因此，需要通过试错寻求最佳的组合。4种地层结构类型孔隙度和弥散性的变化会影响海水迁移的结果。4种类型孔隙度的变化对结果具有相似的影响，然而，孔隙度小会使海水迁移太快。因此，这些值有所增加，接近于文献中报导的最大值，以获得较好的结果。弥散性垂直和水平变化对于模拟结果的影响最小，但这些值对两个水井：4S/13W-33Q1和5S/13W- 11P1（主要校准水井之一）有显著影响。增加垂直弥散性、减少水平弥散性非常必要，不仅有助于对上述两口水井的结果有显著改进，对其它水井的总体结果也有改进。表3 加利福尼亚Dominguez Gap区用于模型校准的水井结构名称州水井编号顶部射孔深度

24、底部射孔深度地表高程Long Beach-5 No.15S/13W-11P1332.32338.413.05Long Beach-5 No.25S/13W-11P2102.13108.233.05Long Beach-4 No. 15S/13W-2E1365.85371.951.52Long Beach-4 No. 25S/13W-2E2243.90250.001.52362H4S/13W-33Q133.5454.883.35361X4S/13W-34F292.99115.851.83361U4S/13W-27D682.32114.334.27370U4S/13W-27K465.5588.41

25、4.27Long Beach-7 No. 14S/13W-27H4359.76365.854.88Long Beach-7 No. 24S/13W-27H5198.17204.274.88Long Beach-7 No. 34S/13W-27H6143.29149.394.88Long Beach-7 No. 44S/13W-27H7109.76115.854.88889P4S/13W-23N3140.24143.295.30Long Beach-3 No. 14S/13W-23D3411.59423.787.01Long Beach-3 No. 44S/13W-23D6161.59167.6

26、87.01Long Beach-3 No. 54S/13W-23D7125.00131.107.01四、模型校准结果在校准过程中，目的是定性而非定量，即没有使用数学计算方法，如最小二乘法。每个水井获得的数据不能同样加权，无法简单地确定合适的权重函数。此外，采用基于Quad - Core Xeon的双核处理器，正向模型的运行时间约为6小时，因此，采用优化算法，如高斯牛顿是不可行的。此外，敏感性分析也是定性的，每个参数都是变化的，根据观测值相对于预测值图，可以定性观察到这一变化。基于这些结果，评价了下一次迭代的方向和步长。由于运行时间太长，在本研究中采用定量搜索算法和的敏感性分析不可行。模拟的氯离

27、子分布情况表明，初始氯离子浓度为2000mg/L（约为海水中氯离子浓度的10%），不会到达海岸线。如前所述，上层粘土层的垂向渗透率低，阻止海水向上新统以下的层序运移。2004年的氯离子等浓度线表明，在海平面以下，由于Dominguez层序的砂砾k值高，氯离子在向内陆方向减小。海水通过下面的Bent Spring向下运移，并且进入到Wilmington层序。确定了16口水井的测量和模拟水位图以及穿透曲线，所选择水井的结构信息如表3所示。水井5S/13W-11P1,2是美国地质调查局设置的最靠近海岸的一口监测井，分别在332338米和102108m（bsl）射孔（见表3）。如上所述，一个主要校准目

28、标是模拟浅层和深层区域的氯离子浓度差异。这些水井的水位和氯离子浓度数据有限，但是，模拟水头和穿透曲线与测量数据能够较好的吻合。此外，根据模拟结果，测量水位和氯离子浓度具有垂直梯度关系，即在浅层地区，水位和氯离子浓度较高，而在深层地区，水位和氯离子浓度较低。水井5S/13W-2E1,2是美国地质调查局设置的内陆监测井，分别在336372米和244250m（bsl）射孔（见表3）。模拟水头低估了两口水井的测量水位，但是，模拟的氯离子浓度与低氯离子浓度测量值很好地吻合。此外，对该水井的垂直水力梯度进行了模拟，但模拟结果大于测量值。水井4S/13W-33Q1是一口位于内陆海岸线的LACDPW监测井，在

29、3455m（bsl）射孔（见表3）。模拟水头与相关水井的测量水位数据匹配，但是，最初的测量值低于模拟值，可能是由于局部或瞬态抽水的影响。尽管锋面比测量的氯离子浓度到达的要早，但模拟的穿透曲线与测量的氯离子浓度基本一致。氯离子锋面到达较早可能是由于值太高，然而，如果值减小，则会对其它水井的模拟结果产生不利影响。水井4S/13W-34F2是LACDPW监测井，在93116m（bsl）之间射孔（见表3）。模拟水头与后期的测量水位数据匹配相对较好，但是，早期的测量值低于模拟值。类似于33Q1，可能是由于局部或瞬态抽水的影响。模拟穿透曲线与早期氯离子浓度观测值相对比较吻合，然而，在1995年之后，氯离子

30、浓度有所增加，没有进行模拟。水井4S/13W-27D6是LACDPW监测井，位于PCH断层的海岸线一侧，在82114m（bsl）射孔（见表3）。模拟水头低于测量的水位数据，模拟的穿透曲线与早期的氯离子浓度观测值相对比较吻合，然而，在上世纪80年代中期以后，氯离子浓度开始下降，没有进行模拟。氯离子浓度测量值低可能是由于Dominguez Gap Barrier工程局部注水的影响，在模型中没明确。水井4S/13W-27K4是LACDPW监测井，位于PCH断层内陆，在6688m（bsl）之间射孔（见表3）。模拟水头与测量的水位数据匹配相对较好，模拟的穿透曲线有些高估了测量的氯离子浓度，但模拟的穿透曲

31、线与测量的氯离子浓度峰值不匹配。水井4S/13W-27H4-7是美国地质调查局的监测井，分别在360372m（bsl）、198204 m（bsl）、143149 m（bsl）以及110116 m（bsl）之间射孔（见表3）。如上所述，主要的校准目标是模拟高氯地下水向下流动。在一般情况下，模拟水头大小与实测水位数据相对匹配较好，但是，模拟水头并不正确，如测量数据表明，向下的梯度是从27H7至27H5，但是，模拟结果表明，27H6具有最高的模拟水头。最浅井和最深井（分别27H4和27H7）模拟穿透曲线与测量的氯离子浓度数据吻合较好，但是，模拟穿透曲线过高估计了中间水井的实测数据，说明模型过高估计了

32、氯离子的垂直运移。水井4S/13W-23N3是水井27H4-7内陆的LACDPW监测井，在140143 m（bsl）射孔（见表3）。在一般情况下，模拟水头与测量水位吻合较好，只有1994年的水位测量数据较高，比较异常。模拟的穿透曲线过高估计和早期和晚期的氯离子数据，而且过高估计了氯离子浓度峰值。水井4S/13W-23D3,6,7是靠近模拟范围内陆边界的美国地质调查局监测井，分别在412424m（bsl）、162168m（bsl）和125131m（bsl）之间射孔（见表3）。水井23D6模拟水头与测量水位之间吻合较好，但水井23D3和23D7的测量水位分别被低估和高估。水井23D7的模拟水头高，

33、可能是随时间变化的FP-内陆边界并不能准确地代表这一深度真实的水位。模拟穿透曲线表明没有氯离子到达这些水井，但是，在水井23D7也监测到了低浓度的氯离子。在一般情况下，模拟结果与Dominguez Gap地区观测到的海水入侵总体格局吻合：在浅层沉积物中，氯离子浓度高，在海岸附近一般为淡水，在PCH断层附近，氯离子会向下迁移，在远离内陆的地方，氯离子浓度很低。五、可选择的概念模型虽然根据上述模拟结果，重现了高氯水从PCH断层附近的浅层沉积物向下运动，如在水井4S/13W- 27H7观察到的现象所示，但模拟的高浓度氯远比实测数据向深部延伸范围要大。具体来说，水井4S/13W-27H5和27H6比水

34、井27H7模拟氯离子浓度要高，但观察数据显示，氯离子浓度应该接近零。这些水井的地球化学数据（水中主要离子组成、氚和碳-14活动以及稳定同位素）表明，水井27H6和27H7之间具有显著差异，而水井27H5和27H6有明显的相似之处。除了模拟氯离子浓度，模拟水井27H6和27H7的水力梯度也与测量数据不符。尽管根据在建造水井4S/13W-27H4-7时获取岩芯的岩性描述，在水井27H7和27H6并不存在细粒度沉积物（Ponti等，2007），但观察的氯离子浓度、其它地球化学数据，以及Bent Spring和Upper Wilmington序列的地层边界表明，可能存在地质控制因素，影响Harbor和

35、Upper Wilmington序列之间的水力联系。在一个数值实验中，在Upper Wilmington序列高渗透性区域顶部，距水井4S/13W-27H5约200m，沿PCH断层增加了一层低渗透性的粉土和粘土层。增加了这一层粉土和粘土层后，需要通过将极细砂和粉砂的水平和垂直渗透性增加一个数量级，重新对模型进行校准。模拟的氯离子等浓度线作为初始条件结果表明，2000 mg / L的氯离子等浓度线略向深层迁移，比最初的模拟结果距内陆略远。2004年的氯离子等浓度线模拟结果表明，氯并非像最初的模拟结果一样远离内陆。此外，海水向下迁移到Bent Spring，除非前锋迁移到新的粘土和粉土层，否则不会到

36、达Upper Wilmington层序。淡水从深层向海底迁移，在浅沿海地区形成了16,000mg/L和18,000mg/L的等浓度线。如果采用极细砂和粉砂区最初的k值来模拟初始条件，则不会出现这一模式，然而，瞬态模拟不会收敛。这表明可能是由于沉积物的固结，近海极细砂和粉砂区较岸上的k值低。本研究只考虑4种地层结构，因此，没有单独分析近海极细砂和粉砂区的情况。在此概念模型的基础上对结果的运用比较合理，然而，在远离海岸的地区淡水水位会上升（距5S/13W-11P1约4000m，距4S/13W- 27H4 7约20000m），因此，淡水水位上升可能不会影响研究区的模拟水头和氯离子浓度。水井4S/13

37、W- 27H5 7的穿透曲线模拟结果表明，水井27H7的模拟浓度与观测的氯离子浓度数据匹配较好，而在水井27H7和27H6之间，测量的氯离子深度与模拟值具有显著差异。此外，在水井27H7和27H6之间，模拟水头和梯度与测量数据比较吻合。虽然这些结果是基于数值实验，但仍表明，在水井27H7和27H6之间存在一些水力障碍，相应于Bent Spring和Upper Wilmington序列之间的地层界线。六、模拟将来的水管理方案虽然本文采用的横截面运移模型非常简化地表示了三维水文地质系统，但仍可以用来检验将来海水入侵管理方案的潜在影响。根据选择概念模型，采用地下水流和运移模型来检验3种特定的方案。之

38、所以采用选择概念模型，是因为它可以更好地模拟水井4S/13W-27H4-7的垂直水力坡度和氯迁移。3个方案均采用了50年的模拟范围。第一种方案（基本方案）假定保持现状，即内陆边界条件维持在与2004年相同的水平（边界海拔高于124 m bsl时水位等于海平面，边界海拔低于124 m bsl时，水位等于22.4 m bsl）。第二种方案假定在PCH断层附近修建了一条50m深的地下连续墙，以进一步控制海水入侵。假定一道膨润土地下连续墙渗透性为1.02 10-17m2（波特兰水泥协会，2007），孔隙度为0.001，采用与方案1相同的内陆边界条件。第三种方案假设采取了行动（增加注水量或减少抽水量），

39、将内陆水位增加到7.6m（asl），因此，在整个FP内陆边界，水压增加。根据选择概念模型，确定的每一种方案初始条件（2004年）、20年和50年模拟的氯离子分布情况结果表明，基本方案（方案1）模拟结果表示了氯前锋最大的内陆范围。在保持现状条件下50年后，浓度为2000mg/L的氯离子等浓度线从Upper Wilmington序列向下迁移到Lower Wilmington序列。50年后，与方案1相比，地下连续墙（方案2）减缓了海水的迁移，然而，2000mg/L的氯离子等浓度线已通过了水井4S/13W-27H4-7和，并进入Upper Wilmington序列。经过50年的内陆水位升高（方案3），

40、2000mg/L的氯离子等浓度线向海一边迁移，几乎到达了水井5S/13W-2E1,2，在PCH断层后捕获到了低浓度的氯。水井4S/13W-27H7位于内陆边界向海方向3300m处，在110116m（bsl）射孔，采用3种方案模拟水位和穿透曲线结果表明，方案1模拟的氯离子浓度最大，为5,900mg/L；方案2的穿透曲线模拟结果表明，2010年后，水井4S/13W-27H7模拟的氯离子浓度保持相对稳定（低于2500 mg/L）；对于方案3，2055年后，模拟的氯离子浓度从初始的22002860mg/L开始下降。七、海平面上升据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）报导，温室气体（如大气中的二氧

41、化碳）浓度的增加，可能会导致在未来100年，海平面上升0.6m或更多（IPCC，2007）。为了验证对海水入侵可能产生的影响，采用了基于选择概念模型的校准模型，假定海平面上升数量级不变，即在FP海岸边界增加1m。模拟时间为100年，采用2004年的条件作为初始条件，对管理方案1和3进行了验证。假定2004年水位维持在内陆边界（方案1），浓度为2000mg/L的氯离子向内陆迁移，100年后迁移到模拟边界。假定内陆边界条件上升至7.6m asl（方案3），氯离子锋向海一边迁移，100年后，2000mg/L的氯离子等浓度线迁移到水井5S/13W-2E1,2。假定方案1和方案3的海平面分别上升0m和1

42、m，对结果进行比较。海平面上升0m导致2000mg/L的氯离子等浓度线几乎到达了内陆边界，海平面上升1m导致2000mg/L的氯离子等浓度线超过了内陆边界。海平面上升1m比海平面上升0m使4000mg/L的氯离子等浓度线向内陆方向迁移距离远500m。对于方案3，假定海平面分别上升0m和1m，模拟100年氯离子等浓度线基本相同，100年后，氯离子前锋均到达水井5S/13W-2E1,2。这些结果表明，内陆水位上升至7.6m asl，可能有助于减轻海平面上升1m的影响。八、结 论本文采用的横截面地下水流和溶质运移模型进行了简化，显然不能充分代表Dominguez Gap区域非均质地下水流和迁移过程的

43、复杂性。然而，仍提供了一种有用的工具来验证Dominguez Gap区域最近开发的层序地层模型（Ponti等，2007），评价3种管理方案对海水入侵的潜在影响，评价海平面上升1m的潜在影响。模拟氯离子浓度结果表明，粘土层必须渗透性极低，水平与垂直各向异性比率高，这样海水才不至于向更深的近海地层迁移。这一结论通过测量的氯离子浓度进行了验证。Ponti等（2007）的主要假定是最近的褶皱与PCH断层有关，优先侵蚀细粒单元，从而提供了海水从浅层沉积物向断层附近深层区域（水井4S/13W-27H7）侵蚀的通道。模拟结果表明，该区浅层粘土层的不连续性使海水向下迁移。然而，根据地下水流和溶质运移模型模拟结

44、果，高含氯水比观测数据（监测井4S/13W-27H5-6）向下延伸的深度更大，垂直水力梯度是不正确的。选择概念模型，将Upper Wilmington层序以上低渗透性层进行综合，能与观测到的数据更好地匹配。这些结果表明，在水井27H7和27H6之间，相应于Bent Spring和Upper Wilmington之间的地层边界存在某些类型的水力障碍。根据选择概念模型，采用了流动和运移模型来评价今后50年3种管理方案海水入侵的发展：（1）基本情况，内陆边界水位保持在2004年的水平；（2）修建一50m深的地下连续墙作为一道海水入侵屏障；（3）内陆水位上升，形成海水入侵屏障。结果表明，采用方案1，海

45、水会继续向内陆方向入侵；采用方案2，海水入侵程度降低；但只有方案3，表明海水会回退。采用方案1和3评价了海平面上升1m对海水入侵的影响。100年后，与海平面上升0m相比，海平面上升1m（假定2004年水位维持在内陆边界）可能使海水向内陆迁移得更远。100年后，假定内陆边界水位上升至海平面以上7.6m，海平面上升0m和海平面上升1m之间差别不大。在本研究中，模型校准和方案模拟是确定性的，由于数值模拟运行时间长，没有考虑模型参数、边界条件和海平面上升等的不确定性。进一步研究工作包括模型简化技术的开发，用于减少该模型的计算量，措施包括人工神经网络和非线性回归等。通过这一简化，不确定性分析和用于参数估计的搜索算法会比较可行。此外，通过模型简化，可以开发研究区的三维模型。然而，当前的模型是高度非线性的，限制了可以达到模型简化的水平。译自Hydrogeology Journal（2009）