地層對(duì)海水入侵的控制作用和地下水管理意義.DOC

地層對(duì)海水入侵的控制作用和地下水管理意義美Tracy Nishikawa和A. J. Siade等馮翠娥 譯；李 燁、段 琦 校譯在美國(guó)加利福尼亞州的洛杉磯，抽取地下水導(dǎo)致大范圍的地下水水位下降和沿海地區(qū)的海水入侵。本研究開(kāi)發(fā)了基于SUTRA的溶質(zhì)運(yùn)移模型，來(lái)測(cè)試Dominguez Gap區(qū)域地層序列模型的水力特征，并評(píng)價(jià)地下水管理方案的影響。模型是二維垂直流的，遵循從太平洋通過(guò)Dominguez Gap的近似流線。結(jié)果表明，新識(shí)別的斷層系統(tǒng)可以提供海水的運(yùn)移途徑，位于Bent Spring和Upper Wilmington的地層界線可以控制海水的垂直運(yùn)動(dòng)?？紤]了3種50年的水管理方案：（1）水管理方法沒(méi)有變化；（2）修建了地下連續(xù)墻；（3）使內(nèi)陸水位增加至海平面以上7.6m。采用方案（1）和（3），對(duì)海平面瞬間上升1m的影響進(jìn)行了測(cè)試。根據(jù)兩個(gè)100年的模擬結(jié)果表明，當(dāng)海平面上升1m時(shí)，采用方案1，可能會(huì)加速海水入侵，而方案3對(duì)控制海水入侵比較有效。一、概 述20世紀(jì)，在美國(guó)洛杉磯沿海廣泛開(kāi)發(fā)利用地下水，導(dǎo)致地下水位下降和海水入侵等相關(guān)問(wèn)題（Poland等，1959；Land等，2004）。從上世紀(jì)50年代以來(lái)，已經(jīng)采取了許多措施來(lái)解決這些問(wèn)題，包括劃定流域范圍和建立南加州盆地水補(bǔ)充管區(qū)（WRDSC），負(fù)責(zé)保護(hù)和管理該地區(qū)的地下水，采取的具體行動(dòng)包括減少抽水和增加人工回灌。特別是為了避免海水入侵，在西海岸盆地、Dominguez海峽和Alamitos海峽建了三個(gè)控制井，沿海岸注入水，營(yíng)造海水入侵水力帷幕（Reichard等，2003）。目前，每年大約有3.7107m3的水被注入到3個(gè)控制井。雖然控制井對(duì)于減少海水入侵具有重要作用，但在Dominguez Gap仍有這一現(xiàn)象發(fā)生（Land等，2004）。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）與WRDSC合作，對(duì)洛杉磯沿海的地下水系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域分析（Land等，2002；Reichard等，2003；Land等，2004；Reichard和Johnson，2005）。近年來(lái)，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局、WRDSC和洛杉磯公共建設(shè)局（LACDPW），在洛杉磯沿海Dominguez Gap區(qū)域進(jìn)行了廣泛的鉆探研究工作（Hillhouse等，2002）。該研究的目標(biāo)是確定這一地區(qū)詳細(xì)的地層層序，以改進(jìn)海水入侵控制戰(zhàn)略。這一工作建立的順序地層層序模型是基于由USGS建造的5口鉆井資料，并由該地區(qū)現(xiàn)有的鉆井資料進(jìn)行補(bǔ)充（Ponti等，2007；Edwards等，2009）。（一）地質(zhì)環(huán)境和水文地質(zhì)洛杉磯盆地西南的Dominguez海峽地區(qū)，包括與San Pedro海灣毗鄰的洛杉磯縣的沿海平原一部分、長(zhǎng)堤市和托蘭斯（地處長(zhǎng)堤市西北）。地質(zhì)構(gòu)造方面，Dominguez Gap總體位于Wilmington的掩埋背斜，東北和西南邊界分別為Newport-Inglewood斷層系統(tǒng)和Palos Verdes斷層。洛杉磯河的侵蝕河道有30m厚的全新統(tǒng)河流沖積物和河口沉積物，除此以外的大部分地區(qū)，地表出露有晚更新統(tǒng)沖積物、崩積物和近海沉積物。許多研究已經(jīng)描述過(guò)Dominguez Gap地區(qū)的含水沉積層，其中最重要的是Poland和Piper（1956）、Poland等（1959）、加利福尼亞水資源部（1961）和Zielbauer等（1962）的工作。在Woodring（1946）的工作之后，所有這些研究均將該地區(qū)的全新統(tǒng)和更新統(tǒng)沉積物分為3個(gè)基本系列。采用加利福尼亞水資源部（1961）的定義，下更新統(tǒng)系列由San Pedro地層組成，這是位于Wilmington背斜以上的海相單元，沿Palos Verdes和Newport-Inglewood隆起出露。San Pedro地層由3個(gè)主要的含水單元組成，從老到新分別為（1）Sunnyside含水層；（2）Silverado含水層，這是該地區(qū)的富水含水層，局部厚度可以達(dá)到的200m；（3）Lynwood的上覆含水層。所有含水層主要由海砂組成，含細(xì)砂透鏡體。Reichard等（2003）最近將這些含水層重新劃分為下San Pedro（Sunnyside）含水層和上San Pedro上含水層（Silverado和Lynwood）系統(tǒng)。認(rèn)為晚更新統(tǒng)Lakewood地層是不整合的上覆于San Pedro地層，由一系列淺海、河口、河流、和崩積沉積物組成，在托蘭斯和長(zhǎng)堤市地表出露。在Lakewood地層，識(shí)別出一個(gè)主要的含水單元，即Gage含水層（Reichard等，2003），該含水層主要由互層的細(xì)到中砂組成，局部有粗粒透鏡體，一般較薄，與San Pedro含水層相比，巖性更為均質(zhì)。在Lakewood地層之上，是全新統(tǒng)系列，主要由洛杉磯河流沉積物組成，夾細(xì)粒河口淤泥。上部的巖石地層單元與下層巖性和地層具有一定的關(guān)聯(lián)，雖然這種方法對(duì)于確定含水層物質(zhì)存在的地下區(qū)域比較有用，但無(wú)法明確由于沉積單元相變?cè)斐傻膸r性側(cè)向變異，不能準(zhǔn)確代表真正的連續(xù)性粗粒含水相，或不同單元之間含水層相之間的相互關(guān)系。相比之下，Ponti等（2007）近期的工作納入了層序地層學(xué)的概念，這是一種將盡管巖性在側(cè)向和垂向上具有變異，但具有某種內(nèi)存聯(lián)系，且在特定的時(shí)間間隔沉積的沉積物綜合在一起的方法。層序及其垂直疊加受基準(zhǔn)面（海平面）變化、沉積物補(bǔ)給和所提供容納空間的控制。在這些沉積體系中，各相具有側(cè)向聯(lián)系，可以進(jìn)行填圖和預(yù)測(cè)，因此考慮了含水層的側(cè)向分布，而且很好地界定了細(xì)粒隔水層。采用Ponti等（2007）的方法，識(shí)別了Dominguez Gap地區(qū)全新統(tǒng)和更新統(tǒng)沉積物的7個(gè)地層序列，3個(gè)上新統(tǒng)序列和1個(gè)第三系系列，這些系列組成了地下水流系統(tǒng)的某些部分。由Ponti（2007）確定的這些序列，加利福尼亞水資源部（1961）和Reichard等（2003）確定的含水層系統(tǒng)如表1所示。每個(gè)序列代表了系統(tǒng)中一種巖性，巖性劃分為4類：中到粗砂和礫石、細(xì)到中砂、粉細(xì)砂至粉砂以及粉砂和粘土為主。Ponti等（2007）的研究還發(fā)現(xiàn)存在影響含水層相關(guān)性和連續(xù)性的近期褶皺和斷層系統(tǒng)（太平洋沿海Highway斷層或PCH斷層）。Ponti等（2007）假設(shè)褶皺和斷層營(yíng)造了海水進(jìn)入淺層沉積物進(jìn)而進(jìn)入到深部含水層的通道。PCH斷層如何影響含水層的關(guān)系和連續(xù)性的實(shí)例之一是，在PCH斷層北部的上Wilmington序列為砂巖，歸于Silverado含水層（見(jiàn)表1），與Ponti等列出的斷層南部的上新統(tǒng)A和B序列中的砂共存。表1 加利福尼亞Dominguez Gap區(qū)地層序列與含水層之間的關(guān)系地層（DWR，1961）序列（Ponti等，2007）太平洋沿海Highway斷層北部含水層太平洋沿海Highway斷層南部含水層DWR（1961）Reichard等（2003）DWR（1961）Reichard等（2003）全新統(tǒng)DominguezGaspur最近Gaspur最近LakewoodMesaGageLakewoodGageLakewoodPacificSan PedroHarborLynwood下San PedroBent SpringSilveradoLynwood下San Pedro上Wilmington下WilmingtonSunnyside下San PedroSilverado上新統(tǒng)APico上新統(tǒng)BPico下San Pedro上新統(tǒng)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標(biāo)是：（1）定量評(píng)價(jià)Ponti等（2007）和Edwards等（2009）采用溶質(zhì)運(yùn)移模型提出的層序地層學(xué)的水力影響；（2）利用校準(zhǔn)運(yùn)移模型評(píng)價(jià)不同管理戰(zhàn)略的可能影響；（3）利用校準(zhǔn)運(yùn)移模型評(píng)價(jià)由于氣候變化導(dǎo)致海平面上升1m的可能影響。采用SUTRA模擬溶質(zhì)運(yùn)移（Voss和Provost，2002），包括二維、三維、有限元、基于密度、地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模型。在19世紀(jì)中期，洛杉磯沿海開(kāi)始開(kāi)發(fā)利用地下水，根據(jù)模擬結(jié)果，可以估計(jì)太平洋（San Pedro海灣）到Dominguez Gap區(qū)的地下水流和氯化物（Cl）運(yùn)移。采取的方法是模擬準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件，假定代表1849年的情況，然后模擬18502004年的瞬時(shí)流動(dòng)和運(yùn)移。模型認(rèn)為沿近似流線流動(dòng)和運(yùn)移，然而，真正的地下水流動(dòng)和運(yùn)移系統(tǒng)是三維的。Nishikawa（1997）采取類似的方法來(lái)確定不同假設(shè)的有效性，考慮了加利福尼亞州Ventura郡的海岸水文地質(zhì)條件。在模型中沒(méi)有明確考慮該地區(qū)的斷層，即假定斷層對(duì)水壓和氯離子濃度的影響通過(guò)斷層造成的地層分層引起。二、地下水流和運(yùn)移模型（一）空間和時(shí)間離散采用有限元網(wǎng)格來(lái)離散層序地層剖面，模型的橫向和縱向范圍分別為15,800m和900m左右。區(qū)域的頂部海拔為低于海平面20m（bsl）至高出海平面13m（asl），底部海拔為900m（bsl）。在本研究中，海平面參照北美垂直基準(zhǔn)88（NAVD88）。網(wǎng)格包括87191個(gè)節(jié)點(diǎn)和86643個(gè)單元，按照水平和垂直變量劃分。模擬的斷面寬度為1m，在模擬時(shí)采用不規(guī)則的四邊形有限元。柵格大小在淺層較?。? m 25 m），到接近底部較大（20 m 100 m）。柵格越小，越可以更好地表征低滲透性的薄層，可以準(zhǔn)確計(jì)算壓力和濃度的敏銳時(shí)空變化。確定初始條件的模擬期是10000年，步長(zhǎng)為10年。對(duì)于數(shù)值穩(wěn)定性模擬，采用155年的瞬態(tài)，2周為步長(zhǎng)。（二）初始和邊界條件按照任意初始條件，進(jìn)行長(zhǎng)期（10000年）的瞬態(tài)模擬，可以達(dá)到穩(wěn)定態(tài)條件。采用得到的壓力和氯離子分布作為歷史（1849）和瞬態(tài)模擬時(shí)的初始條件。一般來(lái)說(shuō)，在模擬時(shí)，采用無(wú)流量或固定壓力（FP）、進(jìn)入流域內(nèi)水中氯離子濃度特定。而且，流域內(nèi)的固定壓力垂直海岸邊界頂部為120m（bsl），反映了低于這一高度的沉積物遠(yuǎn)離海岸。而且，F(xiàn)P水平海岸邊界相應(yīng)于海洋底部從08020m（x軸方向）的大概位置。FP內(nèi)陸邊界從地表（海拔約13m asl.）延伸到流域的底部，用于穩(wěn)定態(tài)模擬，時(shí)間變化作為瞬態(tài)模擬。FP -內(nèi)陸邊界是反映這一位置壓力對(duì)水位總體影響的簡(jiǎn)化，然而，在模擬結(jié)果中，可能無(wú)法反映當(dāng)?shù)鼐唧w的抽水和注水的影響，因?yàn)殡y以明確界面上的壓力。沿底部邊界和120900m bsl的海岸邊界沿線，是無(wú)水流邊界。對(duì)于穩(wěn)定態(tài)模擬，F(xiàn)P-海岸邊界是靜水的，采用海水密度1024 kg/m3，并假定海平面相當(dāng)于0m，邊界的氯離子濃度是19,000mg/L。FP-內(nèi)陸邊界也是靜水的，但是采用淡水密度1000 kg/m3，并假定水頭為7.6m（asl.）。Mendenhall（1905）研究表明，斷面內(nèi)陸位置附近的水位約為6m，假定當(dāng)前水位略高于50年前，即1849年的水位。邊界的氯離子濃度設(shè)置為0mg/L。對(duì)于瞬態(tài)模擬，F(xiàn)P-海岸邊界與穩(wěn)定態(tài)模擬邊界保持一致。FP-內(nèi)陸邊界也是靜水的，但將其劃分為兩個(gè)不同的時(shí)間邊界。FP-內(nèi)陸邊界的上半部分從地表延伸到124m（bsl），并由1849年的初始水位（穩(wěn)定態(tài)）線性變化至2004年的0m。采用2004年的0m比較合理，因?yàn)檫@些水位數(shù)據(jù)是從3口淺井收集的，這些淺井位于內(nèi)陸模擬邊界向海方向1500m處。這些水井（889T，898W和898X）由LACDPW負(fù)責(zé)，頂部和底部射孔范圍為831m（bsl）。根據(jù)自1938年來(lái)附近水井（4S/13W-23B2）的水位觀測(cè)資料，來(lái)確定內(nèi)陸邊界下部隨時(shí)間變化的水壓。井23B2深度為325m，射孔范圍為195270m（bsl）。對(duì)于18501938年之間缺失的數(shù)據(jù)，以及任何其他缺失的數(shù)據(jù)，根據(jù)線性插值來(lái)確定（圖1）。在124m（bsl）處劃分內(nèi)陸邊界，對(duì)應(yīng)于最淺的低滲透性層。三、系統(tǒng)參數(shù)模型屬性，包括滲透性（k）、流體壓縮性、流體密度、流體粘度、孔隙度（n）、固體基質(zhì)的壓縮性、固體顆粒密度、彌散性（）和擴(kuò)散系數(shù)（af），會(huì)影響模擬水通過(guò)含水層的速度和范圍、儲(chǔ)水量變化、由于應(yīng)力變化造成的地下水位變化和溶解鹽的遷移。流體壓縮性、彌散系數(shù)、海水密度、淡水密度、流體粘度、固體基質(zhì)壓縮性與固體顆粒密度是根據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)確定的，分別為4.47107m2/N、1.0109m2/s、1,024 kg/m3、1,000 kg/m3、0.001kg/ms、1.0109m2/N和2,600 kg/m3（Freeze和Cherry，1979）。通過(guò)試錯(cuò)參數(shù)估計(jì)來(lái)指定其它參數(shù)（k、n和），初始和最終參數(shù)值見(jiàn)表2。時(shí) 間內(nèi)陸邊界條件隨時(shí)間線性變化水井4S/13W-23B2水頭（單位：米）圖1 內(nèi)陸邊界隨時(shí)間變化的邊界條件表2 加利福尼亞Dominguez Gap地區(qū)的初始和最終水力和運(yùn)移參數(shù)結(jié)構(gòu)描述水平滲透性（m2）垂直滲透性（m2）孔隙度（1）縱向彌散性（m）橫向彌散性（m）初始最終初始最終初始最終初始最終初始最終中至粗砂礫1.00E103.80E101.00E123.80E110.250.30300600305細(xì)至中砂1.00E114.10E121.00E134.10E130.300.30300600305極細(xì)砂和粉砂1.00E121.10E131.00E141.10E140.350.40300600305粉砂和粘土為主3.60E143.60E143.60E163.60E170.450.50300600305用于校準(zhǔn)采用的原始數(shù)據(jù)為16口水井的測(cè)量水位和氯離子濃度，各個(gè)水井的信息見(jiàn)表3。如前所述，在數(shù)值模型中沒(méi)有明確列出當(dāng)?shù)氐某樗妥⑺闆r，因此，結(jié)果不能反映其潛在影響。模型校準(zhǔn)主要有兩個(gè)目標(biāo)。首先是將沿海淺層和深部地區(qū)的氯離子濃度差異進(jìn)行匹配；其實(shí)是模擬PCH斷層地區(qū)，氯離子濃度高的地下水向下運(yùn)移模擬結(jié)果。另一個(gè)校準(zhǔn)目標(biāo)是匹配其它13口水井的測(cè)量水位與氯離子濃度。為了達(dá)到這些校準(zhǔn)目標(biāo)，在對(duì)含水層進(jìn)行主要修改的參數(shù)有滲透率、孔隙度和分散性的各向異性比。假定滲透性均質(zhì)各向異性，指定4種地層結(jié)構(gòu)的初始滲透性值，初始和最終的k值列于表2。最初假定4種地層結(jié)構(gòu)k值的各向異性比均等于100:1（即k水平/垂直=100），但是，在參數(shù)評(píng)價(jià)過(guò)程中，除極低滲透性的粉土和粘土，其余幾種類型各向異性比均改變?yōu)?0:1。為了與沿海附近較低的氯離子濃度測(cè)量值相匹配，將這一地層結(jié)構(gòu)的滲透率各向異性比率指定為1000:1。假定孔隙率為各向異性，指定4種地層結(jié)構(gòu)的孔隙率值，初始和最終的n值列于表2。對(duì)孔隙度值進(jìn)行調(diào)整，以使模型中的氯離子濃度與觀測(cè)數(shù)據(jù)更好地匹配。除了細(xì)砂和中砂，每一種地層結(jié)構(gòu)的孔隙度值都從初始值增加了5%，以減緩模擬氯向內(nèi)陸遷移，以更好地與測(cè)量數(shù)據(jù)相匹配。假定彌散性均質(zhì)、各向異性，初始和最終值列于表2。注意初始縱向（L）與橫向（）彌散性比值為10:1，逐漸增加到120:1（即，L/T=120）。盡管比例增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)，但根據(jù)Gelhar等（1992）的報(bào)告，最終的L和T（分別為600m和5m）是合理的。然而，對(duì)于任何一個(gè)觀察范圍大的模型，例如本研究，計(jì)算的彌散性不具有高度可靠性（Gelhar等，1992）。在SUTRA中，彌散性與流向有關(guān)（Voss和Provost，2002）。由于粉土和粘土、粉土-極細(xì)砂的垂直滲透率低，因此，水流的主要方向是向內(nèi)陸，因此，彌散性的這些變化有助于形成清晰的垂直過(guò)渡區(qū)和管委會(huì)稱為彌散的水平過(guò)渡區(qū)。評(píng)價(jià)的參數(shù)有4種地層結(jié)構(gòu)的滲透率和孔隙度以及垂直和水平彌散性。水力學(xué)特征和海水運(yùn)移最敏感的參數(shù)是滲透性，例如，海水向下運(yùn)移對(duì)粉土和粘土類的滲透性極為敏感。此外，水平與垂直各向異性值必定很大（1000:1），以防止海水向下遷移太遠(yuǎn)，允許水平鋒向內(nèi)陸遷移。但是，一旦確定這一類型地層結(jié)構(gòu)合適的各向異性比值，與其它3類結(jié)構(gòu)相比，滲透性微小變化的影響相對(duì)較小。其它3種地層結(jié)構(gòu)類型的滲透性具有相似的影響。與其它參數(shù)給定的值相比，某一參數(shù)值的變化影響可能更大，因此，需要通過(guò)試錯(cuò)尋求最佳的組合。4種地層結(jié)構(gòu)類型孔隙度和彌散性的變化會(huì)影響海水遷移的結(jié)果。4種類型孔隙度的變化對(duì)結(jié)果具有相似的影響，然而，孔隙度小會(huì)使海水遷移太快。因此，這些值有所增加，接近于文獻(xiàn)中報(bào)導(dǎo)的最大值，以獲得較好的結(jié)果。彌散性垂直和水平變化對(duì)于模擬結(jié)果的影響最小，但這些值對(duì)兩個(gè)水井：4S/13W-33Q1和5S/13W- 11P1（主要校準(zhǔn)水井之一）有顯著影響。增加垂直彌散性、減少水平彌散性非常必要，不僅有助于對(duì)上述兩口水井的結(jié)果有顯著改進(jìn)，對(duì)其它水井的總體結(jié)果也有改進(jìn)。表3 加利福尼亞Dominguez Gap區(qū)用于模型校準(zhǔn)的水井結(jié)構(gòu)名稱州水井編號(hào)頂部射孔深度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-27K465.5588.414.27Long 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-23D6161.59167.687.01Long Beach-3 No. 54S/13W-23D7125.00131.107.01四、模型校準(zhǔn)結(jié)果在校準(zhǔn)過(guò)程中，目的是定性而非定量，即沒(méi)有使用數(shù)學(xué)計(jì)算方法，如最小二乘法。每個(gè)水井獲得的數(shù)據(jù)不能同樣加權(quán)，無(wú)法簡(jiǎn)單地確定合適的權(quán)重函數(shù)。此外，采用基于Quad - Core Xeon的雙核處理器，正向模型的運(yùn)行時(shí)間約為6小時(shí)，因此，采用優(yōu)化算法，如高斯牛頓是不可行的。此外，敏感性分析也是定性的，每個(gè)參數(shù)都是變化的，根據(jù)觀測(cè)值相對(duì)于預(yù)測(cè)值圖，可以定性觀察到這一變化?；谶@些結(jié)果，評(píng)價(jià)了下一次迭代的方向和步長(zhǎng)。由于運(yùn)行時(shí)間太長(zhǎng)，在本研究中采用定量搜索算法和的敏感性分析不可行。模擬的氯離子分布情況表明，初始氯離子濃度為2000mg/L（約為海水中氯離子濃度的10%），不會(huì)到達(dá)海岸線。如前所述，上層粘土層的垂向滲透率低，阻止海水向上新統(tǒng)以下的層序運(yùn)移。2004年的氯離子等濃度線表明，在海平面以下，由于Dominguez層序的砂礫k值高，氯離子在向內(nèi)陸方向減小。海水通過(guò)下面的Bent Spring向下運(yùn)移，并且進(jìn)入到Wilmington層序。確定了16口水井的測(cè)量和模擬水位圖以及穿透曲線，所選擇水井的結(jié)構(gòu)信息如表3所示。水井5S/13W-11P1,2是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局設(shè)置的最靠近海岸的一口監(jiān)測(cè)井，分別在332338米和102108m（bsl）射孔（見(jiàn)表3）。如上所述，一個(gè)主要校準(zhǔn)目標(biāo)是模擬淺層和深層區(qū)域的氯離子濃度差異。這些水井的水位和氯離子濃度數(shù)據(jù)有限，但是，模擬水頭和穿透曲線與測(cè)量數(shù)據(jù)能夠較好的吻合。此外，根據(jù)模擬結(jié)果，測(cè)量水位和氯離子濃度具有垂直梯度關(guān)系，即在淺層地區(qū)，水位和氯離子濃度較高，而在深層地區(qū)，水位和氯離子濃度較低。水井5S/13W-2E1,2是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局設(shè)置的內(nèi)陸監(jiān)測(cè)井，分別在336372米和244250m（bsl）射孔（見(jiàn)表3）。模擬水頭低估了兩口水井的測(cè)量水位，但是，模擬的氯離子濃度與低氯離子濃度測(cè)量值很好地吻合。此外，對(duì)該水井的垂直水力梯度進(jìn)行了模擬，但模擬結(jié)果大于測(cè)量值。水井4S/13W-33Q1是一口位于內(nèi)陸海岸線的LACDPW監(jiān)測(cè)井，在3455m（bsl）射孔（見(jiàn)表3）。模擬水頭與相關(guān)水井的測(cè)量水位數(shù)據(jù)匹配，但是，最初的測(cè)量值低于模擬值，可能是由于局部或瞬態(tài)抽水的影響。盡管鋒面比測(cè)量的氯離子濃度到達(dá)的要早，但模擬的穿透曲線與測(cè)量的氯離子濃度基本一致。氯離子鋒面到達(dá)較早可能是由于值太高，然而，如果值減小，則會(huì)對(duì)其它水井的模擬結(jié)果產(chǎn)生不利影響。水井4S/13W-34F2是LACDPW監(jiān)測(cè)井，在93116m（bsl）之間射孔（見(jiàn)表3）。模擬水頭與后期的測(cè)量水位數(shù)據(jù)匹配相對(duì)較好，但是，早期的測(cè)量值低于模擬值。類似于33Q1，可能是由于局部或瞬態(tài)抽水的影響。模擬穿透曲線與早期氯離子濃度觀測(cè)值相對(duì)比較吻合，然而，在1995年之后，氯離子濃度有所增加，沒(méi)有進(jìn)行模擬。水井4S/13W-27D6是LACDPW監(jiān)測(cè)井，位于PCH斷層的海岸線一側(cè)，在82114m（bsl）射孔（見(jiàn)表3）。模擬水頭低于測(cè)量的水位數(shù)據(jù)，模擬的穿透曲線與早期的氯離子濃度觀測(cè)值相對(duì)比較吻合，然而，在上世紀(jì)80年代中期以后，氯離子濃度開(kāi)始下降，沒(méi)有進(jìn)行模擬。氯離子濃度測(cè)量值低可能是由于Dominguez Gap Barrier工程局部注水的影響，在模型中沒(méi)明確。水井4S/13W-27K4是LACDPW監(jiān)測(cè)井，位于PCH斷層內(nèi)陸，在6688m（bsl）之間射孔（見(jiàn)表3）。模擬水頭與測(cè)量的水位數(shù)據(jù)匹配相對(duì)較好，模擬的穿透曲線有些高估了測(cè)量的氯離子濃度，但模擬的穿透曲線與測(cè)量的氯離子濃度峰值不匹配。水井4S/13W-27H4-7是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的監(jiān)測(cè)井，分別在360372m（bsl）、198204 m（bsl）、143149 m（bsl）以及110116 m（bsl）之間射孔（見(jiàn)表3）。如上所述，主要的校準(zhǔn)目標(biāo)是模擬高氯地下水向下流動(dòng)。在一般情況下，模擬水頭大小與實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)相對(duì)匹配較好，但是，模擬水頭并不正確，如測(cè)量數(shù)據(jù)表明，向下的梯度是從27H7至27H5，但是，模擬結(jié)果表明，27H6具有最高的模擬水頭。最淺井和最深井（分別27H4和27H7）模擬穿透曲線與測(cè)量的氯離子濃度數(shù)據(jù)吻合較好，但是，模擬穿透曲線過(guò)高估計(jì)了中間水井的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，說(shuō)明模型過(guò)高估計(jì)了氯離子的垂直運(yùn)移。水井4S/13W-23N3是水井27H4-7內(nèi)陸的LACDPW監(jiān)測(cè)井，在140143 m（bsl）射孔（見(jiàn)表3）。在一般情況下，模擬水頭與測(cè)量水位吻合較好，只有1994年的水位測(cè)量數(shù)據(jù)較高，比較異常。模擬的穿透曲線過(guò)高估計(jì)和早期和晚期的氯離子數(shù)據(jù)，而且過(guò)高估計(jì)了氯離子濃度峰值。水井4S/13W-23D3,6,7是靠近模擬范圍內(nèi)陸邊界的美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局監(jiān)測(cè)井，分別在412424m（bsl）、162168m（bsl）和125131m（bsl）之間射孔（見(jiàn)表3）。水井23D6模擬水頭與測(cè)量水位之間吻合較好，但水井23D3和23D7的測(cè)量水位分別被低估和高估。水井23D7的模擬水頭高，可能是隨時(shí)間變化的FP-內(nèi)陸邊界并不能準(zhǔn)確地代表這一深度真實(shí)的水位。模擬穿透曲線表明沒(méi)有氯離子到達(dá)這些水井，但是，在水井23D7也監(jiān)測(cè)到了低濃度的氯離子。在一般情況下，模擬結(jié)果與Dominguez Gap地區(qū)觀測(cè)到的海水入侵總體格局吻合：在淺層沉積物中，氯離子濃度高，在海岸附近一般為淡水，在PCH斷層附近，氯離子會(huì)向下遷移，在遠(yuǎn)離內(nèi)陸的地方，氯離子濃度很低。五、可選擇的概念模型雖然根據(jù)上述模擬結(jié)果，重現(xiàn)了高氯水從PCH斷層附近的淺層沉積物向下運(yùn)動(dòng)，如在水井4S/13W- 27H7觀察到的現(xiàn)象所示，但模擬的高濃度氯遠(yuǎn)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)向深部延伸范圍要大。具體來(lái)說(shuō)，水井4S/13W-27H5和27H6比水井27H7模擬氯離子濃度要高，但觀察數(shù)據(jù)顯示，氯離子濃度應(yīng)該接近零。這些水井的地球化學(xué)數(shù)據(jù)（水中主要離子組成、氚和碳-14活動(dòng)以及穩(wěn)定同位素）表明，水井27H6和27H7之間具有顯著差異，而水井27H5和27H6有明顯的相似之處。除了模擬氯離子濃度，模擬水井27H6和27H7的水力梯度也與測(cè)量數(shù)據(jù)不符。盡管根據(jù)在建造水井4S/13W-27H4-7時(shí)獲取巖芯的巖性描述，在水井27H7和27H6并不存在細(xì)粒度沉積物（Ponti等，2007），但觀察的氯離子濃度、其它地球化學(xué)數(shù)據(jù)，以及Bent Spring和Upper Wilmington序列的地層邊界表明，可能存在地質(zhì)控制因素，影響Harbor和Upper Wilmington序列之間的水力聯(lián)系。在一個(gè)數(shù)值實(shí)驗(yàn)中，在Upper Wilmington序列高滲透性區(qū)域頂部，距水井4S/13W-27H5約200m，沿PCH斷層增加了一層低滲透性的粉土和粘土層。增加了這一層粉土和粘土層后，需要通過(guò)將極細(xì)砂和粉砂的水平和垂直滲透性增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，重新對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)。模擬的氯離子等濃度線作為初始條件結(jié)果表明，2000 mg / L的氯離子等濃度線略向深層遷移，比最初的模擬結(jié)果距內(nèi)陸略遠(yuǎn)。2004年的氯離子等濃度線模擬結(jié)果表明，氯并非像最初的模擬結(jié)果一樣遠(yuǎn)離內(nèi)陸。此外，海水向下遷移到Bent Spring，除非前鋒遷移到新的粘土和粉土層，否則不會(huì)到達(dá)Upper Wilmington層序。淡水從深層向海底遷移，在淺沿海地區(qū)形成了16,000mg/L和18,000mg/L的等濃度線。如果采用極細(xì)砂和粉砂區(qū)最初的k值來(lái)模擬初始條件，則不會(huì)出現(xiàn)這一模式，然而，瞬態(tài)模擬不會(huì)收斂。這表明可能是由于沉積物的固結(jié)，近海極細(xì)砂和粉砂區(qū)較岸上的k值低。本研究只考慮4種地層結(jié)構(gòu)，因此，沒(méi)有單獨(dú)分析近海極細(xì)砂和粉砂區(qū)的情況。在此概念模型的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)果的運(yùn)用比較合理，然而，在遠(yuǎn)離海岸的地區(qū)淡水水位會(huì)上升（距5S/13W-11P1約4000m，距4S/13W- 27H4 7約20000m），因此，淡水水位上升可能不會(huì)影響研究區(qū)的模擬水頭和氯離子濃度。水井4S/13W- 27H5 7的穿透曲線模擬結(jié)果表明，水井27H7的模擬濃度與觀測(cè)的氯離子濃度數(shù)據(jù)匹配較好，而在水井27H7和27H6之間，測(cè)量的氯離子深度與模擬值具有顯著差異。此外，在水井27H7和27H6之間，模擬水頭和梯度與測(cè)量數(shù)據(jù)比較吻合。雖然這些結(jié)果是基于數(shù)值實(shí)驗(yàn)，但仍表明，在水井27H7和27H6之間存在一些水力障礙，相應(yīng)于Bent Spring和Upper Wilmington序列之間的地層界線。六、模擬將來(lái)的水管理方案雖然本文采用的橫截面運(yùn)移模型非常簡(jiǎn)化地表示了三維水文地質(zhì)系統(tǒng)，但仍可以用來(lái)檢驗(yàn)將來(lái)海水入侵管理方案的潛在影響。根據(jù)選擇概念模型，采用地下水流和運(yùn)移模型來(lái)檢驗(yàn)3種特定的方案。之所以采用選擇概念模型，是因?yàn)樗梢愿玫啬M水井4S/13W-27H4-7的垂直水力坡度和氯遷移。3個(gè)方案均采用了50年的模擬范圍。第一種方案（基本方案）假定保持現(xiàn)狀，即內(nèi)陸邊界條件維持在與2004年相同的水平（邊界海拔高于124 m bsl時(shí)水位等于海平面，邊界海拔低于124 m bsl時(shí)，水位等于22.4 m bsl）。第二種方案假定在PCH斷層附近修建了一條50m深的地下連續(xù)墻，以進(jìn)一步控制海水入侵。假定一道膨潤(rùn)土地下連續(xù)墻滲透性為1.02 10-17m2（波特蘭水泥協(xié)會(huì)，2007），孔隙度為0.001，采用與方案1相同的內(nèi)陸邊界條件。第三種方案假設(shè)采取了行動(dòng)（增加注水量或減少抽水量），將內(nèi)陸水位增加到7.6m（asl），因此，在整個(gè)FP內(nèi)陸邊界，水壓增加。根據(jù)選擇概念模型，確定的每一種方案初始條件（2004年）、20年和50年模擬的氯離子分布情況結(jié)果表明，基本方案（方案1）模擬結(jié)果表示了氯前鋒最大的內(nèi)陸范圍。在保持現(xiàn)狀條件下50年后，濃度為2000mg/L的氯離子等濃度線從Upper Wilmington序列向下遷移到Lower Wilmington序列。50年后，與方案1相比，地下連續(xù)墻（方案2）減緩了海水的遷移，然而，2000mg/L的氯離子等濃度線已通過(guò)了水井4S/13W-27H4-7和，并進(jìn)入U(xiǎn)pper Wilmington序列。經(jīng)過(guò)50年的內(nèi)陸水位升高（方案3），2000mg/L的氯離子等濃度線向海一邊遷移，幾乎到達(dá)了水井5S/13W-2E1,2，在PCH斷層后捕獲到了低濃度的氯。水井4S/13W-27H7位于內(nèi)陸邊界向海方向3300m處，在110116m（bsl）射孔，采用3種方案模擬水位和穿透曲線結(jié)果表明，方案1模擬的氯離子濃度最大，為5,900mg/L；方案2的穿透曲線模擬結(jié)果表明，2010年后，水井4S/13W-27H7模擬的氯離子濃度保持相對(duì)穩(wěn)定（低于2500 mg/L）；對(duì)于方案3，2055年后，模擬的氯離子濃度從初始的22002860mg/L開(kāi)始下降。七、海平面上升據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）報(bào)導(dǎo)，溫室氣體（如大氣中的二氧化碳）濃度的增加，可能會(huì)導(dǎo)致在未來(lái)100年，海平面上升0.6m或更多（IPCC，2007）。為了驗(yàn)證對(duì)海水入侵可能產(chǎn)生的影響，采用了基于選擇概念模型的校準(zhǔn)模型，假定海平面上升數(shù)量級(jí)不變，即在FP海岸邊界增加1m。模擬時(shí)間為100年，采用2004年的條件作為初始條件，對(duì)管理方案1和3進(jìn)行了驗(yàn)證。假定2004年水位維持在內(nèi)陸邊界（方案1），濃度為2000mg/L的氯離子向內(nèi)陸遷移，100年后遷移到模擬邊界。假定內(nèi)陸邊界條件上升至7.6m asl（方案3），氯離子鋒向海一邊遷移，1