一种基于防渗土工膜的浅层海水入侵防治方法

1.本发明涉及海水入侵防治方法，尤其涉及一种基于防渗土工膜的浅层海水入侵防治方法。


背景技术：

2.因咸淡水密度差异，海水会从底部入侵至含水层内淡水部分，形成一个入侵的盐水楔。在天然状态下，海岸带含水层内咸淡水之间保持了一种动态平衡。然而，当陆侧水力梯度降低(如抽水)或海侧水位升高(如海平面上升)将打破该动态平衡，使咸淡水界面向内陆侧移动，加剧海水入侵问题。
3.近年来，由于过量开采地下水造成水动力平衡破坏以及海平面上升，沿海地区产生了大面积海水入侵，在中国尤以黄渤海沿海地区最为突出，严重威胁供水与生态安全。为应对气候变化和人类活动双重压力，沿海地区陆续开展海水入侵的防治工作。
4.目前，常用的治理海水入侵的方法主要有如下几种：
5.(1)物理帷幕法
6.物理帷幕法主要包括截渗墙和地下坝，通过在地下建立隔水帷幕，一方面阻挡咸水向内陆侧入侵，另一方面减小陆侧淡水排泄的截面面积，增加截面淡水排放速度，促使入侵的盐水体向海侧回退。物理屏障实体宜建于海水入侵通道较狭窄的地段，可通过喷灌水泥浆、乳状沥青、膨润土泥浆、硅胶、丙烯酸钙等方式修建。实体帷幕修建时投资较大，但管理和维修费用较低，对海水入侵具有较好的阻隔效果。值得注意的是，在考虑内陆抽水的工况时，截渗墙阻隔海水入侵的效果低于地下坝，但地下坝易造成陆源污染在坝下堆积，造成陆侧淡水污染。
7.(2)水力帷幕法
8.水力帷幕是向位于盐水楔盐趾前缘的钻孔中注水抬高地下水位形成一道淡水帷幕，增加陆侧淡水排泄通量，限制海水入侵的向陆侧发展。水力帷幕法治理海水入侵的效果强烈依赖注水速度，注水速度越高，效果越好，但增加了运行管理成本，难以长时间维持。此外，水力帷幕法需要消耗大量淡水资源，进一步限制了其在海岸带地区的应用。
9.(3)气体帷幕法
10.利用高压气泵，向含水层内注入气体，在含水层内形成一道弱渗透的气体墙，也可有效限制海水入侵的发展。然而，因存在气体逃逸问题，气体帷幕法在非承压含水层内治理海水入侵的效果不佳，故只适用于封闭性较好的承压含水层内。此外，向含水层内注射高压气体，会为缺氧的含水层引入大量氧气，将改变含水层内理化环境，对含水层内自然生态平衡造成威胁。


技术实现要素：

11.发明目的：本发明的目的是提供一种运行成本低廉、施工布置简单、适应性强、应用前景极佳的基于防渗土工膜的浅层海水入侵防治方法。
12.技术方案：本发明提出了一种基于防渗土工膜的浅层海水入侵防治方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)获取浅层含水层水文地质数据；(2)建立浅层含水层海水入侵数值模型，确定防渗土工膜的最优布置深度；(3)平整海岸斜坡；(4)在沿海岸斜坡覆盖防渗土工膜，并在防渗土工膜顶端及底端安装防滑钉；(5)在防渗土工膜上均匀覆盖水泥袋或碎石。
13.优选地，所述步骤1获取的水文地质数据包括含水层地层结构、饱和渗透系数、有效孔隙度、陆侧水位/流量、平均海平面、潮汐振幅、海岸斜坡基本走势、海湾形状、海水入侵的范围及海水入侵通道特征。
14.优选地，所属步骤2是基于步骤1中获取的水文地质数据，建立变密度地下水流海水入侵数值模型，将防渗土工膜作为覆盖于含水层-海洋交界面上的不透水层，探究其对海水入侵程度的影响，并确定防渗土工膜的最优布置深度，该最优布置深度要实现盐水楔盐趾位置回退50％以上。
15.优选地，所述步骤3在预计覆盖防渗土工膜的区域，对海岸斜坡凸起及凹陷的部位进行清除及填埋，使海坡表面趋于平整。
16.优选地，所述步骤4，防渗土工膜从高于大潮高潮位0.5m-1.0m范围内开始沿海岸斜坡由上向下布置，直至到达步骤3中所确定的最优布置深度。
17.优选地，所述防渗土工膜为多条，相邻两条土工膜以搭接的方式布置，搭接宽度为0.2m-0.3m。
18.优选地，所述防滑钉每隔0.5m插入一颗，插入含水层的深度不少于0.5m
19.工作原理：在含水层-海洋交界面上铺设不透水的防渗土工膜，改变内陆淡水排泄出口的角度，使淡水排泄出口下沉，以此限制浅层含水层内海水入侵范围，促使入侵的盐水体向海侧回退，盐水楔盐趾位置回退。
20.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：1、利用防渗土工膜改变内陆淡水排水出口位置的机理治理海水入侵，不需要建设地下隔水帷幕或注水井，具有较小的投资成本，且几乎没有运行成本；2、仅需要布置于含水层边缘，对内陆地下水水质影响较小；3、布置灵活、施工方便，且治理海水入侵的效果受水文地质特征差异影响较小，具有较强适应性和良好的应用前景。
附图说明
21.图1为本发明的施工流程图；
22.图2为未设置防渗土工膜(上)及设置防渗土工膜(下)工况下海水入侵概念图；
23.图3为不同工况下防渗土工膜对海水入侵程度影响的模拟结果图。
具体实施方式
24.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
25.如图1所示，一种基于防渗土工膜的浅层海水入侵防治方法，包括以下步骤：
26.步骤1，获取浅层含水层水文地质资料，包括含水层地层结构、饱和渗透系数、有效孔隙度、陆侧水位/流量、平均海平面、潮汐振幅、海岸斜坡基本走势、海湾形状、海水入侵的范围及海水入侵通道特征。
27.步骤2，基于步骤1中获取的水文地质资料，建立变密度地下水流海水入侵数值模
型，将防渗土工膜作为覆盖于含水层-海洋交界面上的不透水层，探究其对海水入侵程度的影响，并确定防渗土工膜的布置深度实现盐水楔盐趾位置回退50％以上。
28.步骤3，在预计覆盖防渗土工膜的区域，对海岸斜坡凸起及凹陷的部位进行清除及填埋，使海坡表面趋于平整，方便防渗土工膜的铺设。
29.步骤4，沿海岸斜坡覆盖防渗土工膜，防渗土工膜从高于大潮高潮位0.6m范围内开始沿海岸斜坡由上向下布置，直至到达步骤3中所确定的布置深度，其中，相邻两条土工膜以搭接的方式布置，优选的搭接宽度为0.3m；在土工膜顶端及底端安装防滑钉，每隔0.5m插入一颗，插入含水层的深度为0.6m。
30.步骤5，将水泥袋或碎石均匀覆盖至土工膜上，增加土工膜的配重。
31.如图2所示，在未设置防渗土工膜的情况下，海水与地下水流场11在含水层作用形成海水入侵咸淡水交界面12，位于海平面13下；设置防渗土工膜的情况下，海水与地下水流场21在含水层作用形成海水入侵咸淡水交界面22，位于海平面23下，海水入侵的范围较未设置防渗土工膜的情况下明显减小。
32.如图3所示，本发明的一个二维数值模型实施案例如下：
33.基于美国地质调查局开发的sutra程序包求解变密度、变饱和地下水流动及溶质迁移控制方程。根据江苏沿海东部地质勘测数据，建立二维数值模型具体实施案例。
34.该二维数值模型使用的水文地质参数如下：
35.将模拟的海岸带含水层从陆地向海洋(即从左往右)划分为两大部分，即近岸部分及沙滩斜坡部分。其中，近岸部分长度和厚度分别为200m和32m，沙滩斜坡部分长度和斜坡坡度分别为100m和0.1。
36.将含水层假设为均质、各向同性，其中含水层饱和渗透系数为1.0m/d，孔隙率为0.4，径向弥散系数为0.5m，横向弥散系数为0.05m，分子扩散系数为8.64
×
10-5
m2/d土壤残余饱和度为0.099，vg模型参数为α和n分别为14.5m-1
和2.68，淡水密度为1000kg/m3，海水密度为1025kg/m3，淡水盐分浓度为0kg/m3，海水盐分浓度为35kg/m3。
37.该二维数值模型的具体设置：
38.土工膜布置区域设置为不透水层，即无流边界。
39.内陆边界为淡水定水位定浓度边界，边界水位和浓度为31.4m和0kg/m3；海水边界为海水定水位定浓度边界，边界水位和浓度为30m和35kg/m3。
40.模拟时间步长为1天，模拟总时长为10000天。
41.模型设置4组对比工况，分别为：(a)未设置防渗土工膜工况；(b)覆盖海岸斜坡25％的防渗土工膜工况；(c)覆盖海岸斜坡50％的防渗土工膜工况；(d)覆盖海岸斜坡75％的防渗土工膜工况。
42.该二维数值模型模拟结果如图3所示，其中含水层内黑实线为盐水楔的50％浓度线，斜坡边缘粗实线为土工膜的布置位置。结果表明，与未设置防渗土工膜的工况相比，在设置防渗土工膜的工况下，盐水楔的50％浓度线向海侧回退，且随着防渗土工膜布置长度增加，回退幅度增大。其中，三种设置防渗土工膜的工况较基础工况盐水楔50％浓度线分别向海洋回退了19m、40m和65m。此外，四种工况中含水层内总盐质量分别为123吨、111吨、86.4吨和61.8吨，这表明设置防渗土工膜能够有效减少含水层内总盐质量。尽管该数值模型高度概化，但上述结果也有力证明了该方法能够有效治理滨海海水入侵问题。