海底地下水开采对莱州湾东岸海水入侵的影响机制及数值模拟研究

海底地下水的开采在莱州湾东岸已是比较普遍的现象，其直接环境效应便是引起海水入侵过程的变化。本项目选择莱州湾东岸滨海平原及其附近海域为研究区，利用国外引进的现代化测井设备自动采集地下水水文特征数据，采取元素和同位素比率方法，分析海底地下咸水与内陆地下淡水和海水的关系，确定海底地下水的补给来源。利用"虚拟含水层"的方法，建立二维数学模型，模拟并揭示理想状态下海底地下水开采对海水入侵的影响机制和过程。在此基础上，考虑陆海多因素影响，特别是内陆含水层向海区延伸的海区边界条件处理以及高浓度咸水数值弥散处理，建立三维饱和介质、非稳定流和瞬变溶质迁移模型，模拟大尺度的海水入侵过程，揭示陆海相互作用影响下海水入侵的变化过程，以期促进目前海底地下水入海径流量（SGD）及其环境效应的研究。

海底地下水的开采在莱州湾东岸已是较为普遍的现象，其直接环境效应便是引起海水入侵过程的变化。本项目选择莱州湾东岸滨海平原及其附近海域为研究区，首先利用国外引进的现代化测井设备自动采集地下水文特征数据，采取元素和环境同位素检测法，分析海底地下咸水与内陆地下淡水和上覆现代海水的关系，确定海底地下水的补给来源。然后利用“虚拟含水层”的方法，建立室内“砂箱”物理模型和二维数学模型，模拟并揭示理想状态下海底地下水开采对海水入侵的影响机制和过程。最后在此基础上，考虑海陆多种因素，特别是内陆含水层向海区延伸的海区边界条件处理以及咸水浓度处理，建立三维饱和介质、非稳定流和瞬变溶质迁移模型，模拟大尺度的海水入侵过程，揭示陆海相互作用影响下海水入侵的本质变化。已完成全部研究工作内容，主要结论如下：.（1）莱州湾东岸海底地下水化学类型从陆地到海洋呈规律性变化，由内陆的HCO3-Ca•Mg型逐步演变为Cl-Ca•Na•Mg型、Cl-Ca•Ca•Mg型、Cl•SO4-Na•Ca•Mg型至Cl-Na•Mg型。放射性和稳定同位素的测定结果表明莱州湾东岸海底地下水主要来源于上覆海水的补给，比例约占87.2%，陆源地下淡水含水层径流补给只占约12.7%。同时估算出莱州湾东岸单位岸线长度海底地下水径流量约8.13×104-10.83×104m3/km.d。.（2）“砂箱”模型表明抽取海底地下咸水对防治海水入侵有一定作用。咸水与淡水的水位差越大、海水浓度越大海水入侵界面的运移速率越大。咸水与淡水水位差越小，越早到达平衡状态。浓度引起的入侵界面运移速率的差距随着时间的推移在不断缩小，即随着时间的推移海水浓度对入侵速率的影响越来越小。.（3）利用虚拟含水层理论，对自然状态下与海底地下咸水开采状态下海水入侵进行二维数值模拟，结果表明海底地下咸水开采对防治海水入侵有一定促进作用。.（4）构建的大尺度三维海水入侵模型能够较好地模拟区域地下水流和水质变化特征。在咸水区开采地下水，水位虽然整体下降，但是向海区的水力坡度增大，海水入侵界面回退；与仅在淡水区开采地下水具有明显的不同。.（5）海底地下水开采虽然能在一定程度上防治海水入侵的恶化，但是内陆含水层的污染（如硝酸盐污染等）也可能会通过径流影响海底地下水。.本项目的研究结果对促进滨海地区海底地下水径流量及其环境效应的研究，优化区域水资源开发利用具有极其重要的参考价值。