地層對海水入侵的控制作用和地下水管理意義.DOC

地層對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。本研究開發(fā)了基于SUTRA的溶質(zhì)運移模型，來測試Dominguez Gap區(qū)域地層序列模型的水力特征，并評價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Dominguez Gap的近似流線。結(jié)果表明，新識別的斷層系統(tǒng)可以提供海水的運移途徑，位于Bent Spring和Upper Wilmington的地層界線可以控制海水的垂直運動?？紤]了3種50年的水管理方案：（1）水管理方法沒有變化；（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），對海平面瞬間上升1m的影響進行了測試。根據(jù)兩個100年的模擬結(jié)果表明，當(dāng)海平面上升1m時，采用方案1，可能會加速海水入侵，而方案3對控制海水入侵比較有效。一、概 述20世紀(jì)，在美國洛杉磯沿海廣泛開發(fā)利用地下水，導(dǎo)致地下水位下降和海水入侵等相關(guān)問題（Poland等，1959；Land等，2004）。從上世紀(jì)50年代以來，已經(jīng)采取了許多措施來解決這些問題，包括劃定流域范圍和建立南加州盆地水補充管區(qū)（WRDSC），負(fù)責(zé)保護和管理該地區(qū)的地下水，采取的具體行動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海峽建了三個控制井，沿海岸注入水，營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個控制井。雖然控制井對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）。美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）與WRDSC合作，對洛杉磯沿海的地下水系統(tǒng)進行區(qū)域分析（Land等，2002；Reichard等，2003；Land等，2004；Reichard和Johnson，2005）。近年來，美國地質(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)有的鉆井資料進行補充（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、長堤市和托蘭斯（地處長堤市西北）。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，在托蘭斯和長堤市地表出露。在Lakewood地層，識別出一個主要的含水單元，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)，雖然這種方法對于確定含水層物質(zhì)存在的地下區(qū)域比較有用，但無法明確由于沉積單元相變造成的巖性側(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，可以進行填圖和預(yù)測，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，識別了Dominguez Gap地區(qū)全新統(tǒng)和更新統(tǒng)沉積物的7個地層序列，3個上新統(tǒng)序列和1個第三系系列，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)褶皺和斷層營造了海水進入淺層沉積物進而進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）定量評價Ponti等（2007）和Edwards等（2009）采用溶質(zhì)運移模型提出的層序地層學(xué)的水力影響；（2）利用校準(zhǔn)運移模型評價不同管理戰(zhàn)略的可能影響；（3）利用校準(zhǔn)運移模型評價由于氣候變化導(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)運移模型。在19世紀(jì)中期，洛杉磯沿海開始開發(fā)利用地下水，根據(jù)模擬結(jié)果，可以估計太平洋（San Pedro海灣）到Dominguez Gap區(qū)的地下水流和氯化物（Cl）運移。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年的瞬時流動和運移。模型認(rèn)為沿近似流線流動和運移，然而，真正的地下水流動和運移系統(tǒng)是三維的。Nishikawa（1997）采取類似的方法來確定不同假設(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。在模型中沒有明確考慮該地區(qū)的斷層，即假定斷層對水壓和氯離子濃度的影響通過斷層造成的地層分層引起。二、地下水流和運移模型（一）空間和時間離散采用有限元網(wǎng)格來離散層序地層剖面，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個節(jié)點和86643個單元，按照水平和垂直變量劃分。模擬的斷面寬度為1m，在模擬時采用不規(guī)則的四邊形有限元。柵格大小在淺層較小（5 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)確計算壓力和濃度的敏銳時空變化。確定初始條件的模擬期是10000年，步長為10年。對于數(shù)值穩(wěn)定性模擬，采用155年的瞬態(tài)，2周為步長。（二）初始和邊界條件按照任意初始條件，進行長期（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)模擬時的初始條件。一般來說，在模擬時，采用無流量或固定壓力（FP）、進入流域內(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水位總體影響的簡化，然而，在模擬結(jié)果中，可能無法反映當(dāng)?shù)鼐唧w的抽水和注水的影響，因為難以明確界面上的壓力。沿底部邊界和120900m bsl的海岸邊界沿線，是無水流邊界。對于穩(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，但將其劃分為兩個不同的時間邊界。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，因為這些水位數(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年來附近水井（4S/13W-23B2）的水位觀測資料，來確定內(nèi)陸邊界下部隨時間變化的水壓。井23B2深度為325m，射孔范圍為195270m（bsl）。對于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)線性插值來確定（圖1）。在124m（bsl）處劃分內(nèi)陸邊界，對應(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（）和擴散系數(shù)（af），會影響模擬水通過含水層的速度和范圍、儲水量變化、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）。通過試錯參數(shù)估計來指定其它參數(shù)（k、n和），初始和最終參數(shù)值見表2。時 間內(nèi)陸邊界條件隨時間線性變化水井4S/13W-23B2水頭（單位：米）圖1 內(nèi)陸邊界隨時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口水井的測量水位和氯離子濃度，各個水井的信息見表3。如前所述，在數(shù)值模型中沒有明確列出當(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行匹配；其實是模擬PCH斷層地區(qū)，氯離子濃度高的地下水向下運移模擬結(jié)果。另一個校準(zhǔn)目標(biāo)是匹配其它13口水井的測量水位與氯離子濃度。為了達(dá)到這些校準(zhǔn)目標(biāo)，在對含水層進行主要修改的參數(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)評價過程中，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。對孔隙度值進行調(diào)整，以使模型中的氯離子濃度與觀測數(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數(shù)量級，但根據(jù)Gelhar等（1992）的報告，最終的L和T（分別為600m和5m）是合理的。然而，對于任何一個觀察范圍大的模型，例如本研究，計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渡區(qū)和管委會稱為彌散的水平過渡區(qū)。評價的參數(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)特征和海水運移最敏感的參數(shù)是滲透性，例如，海水向下運移對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，需要通過試錯尋求最佳的組合。4種地層結(jié)構(gòu)類型孔隙度和彌散性的變化會影響海水遷移的結(jié)果。4種類型孔隙度的變化對結(jié)果具有相似的影響，然而，孔隙度小會使海水遷移太快。因此，這些值有所增加，接近于文獻(xiàn)中報導(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于模擬結(jié)果的影響最小，但這些值對兩個水井：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，不僅有助于對上述兩口水井的結(jié)果有顯著改進，對其它水井的總體結(jié)果也有改進。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)過程中，目的是定性而非定量，即沒有使用數(shù)學(xué)計算方法，如最小二乘法。每個水井獲得的數(shù)據(jù)不能同樣加權(quán)，無法簡單地確定合適的權(quán)重函數(shù)。此外，采用基于Quad - Core Xeon的雙核處理器，正向模型的運行時間約為6小時，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，每個參數(shù)都是變化的，根據(jù)觀測值相對于預(yù)測值圖，可以定性觀察到這一變化?；谶@些結(jié)果，評價了下一次迭代的方向和步長。由于運行時間太長，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。海水通過下面的Bent Spring向下運移，并且進入到Wilmington層序。確定了16口水井的測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是美國地質(zhì)調(diào)查局設(shè)置的最靠近海岸的一口監(jiān)測井，分別在332338米和102108m（bsl）射孔（見表3）。如上所述，一個主要校準(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量數(shù)據(jù)能夠較好的吻合。此外，根據(jù)模擬結(jié)果，測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是美國地質(zhì)調(diào)查局設(shè)置的內(nèi)陸監(jiān)測井，分別在336372米和244250m（bsl）射孔（見表3）。模擬水頭低估了兩口水井的測量水位，但是，模擬的氯離子濃度與低氯離子濃度測量值很好地吻合。此外，對該水井的垂直水力梯度進行了模擬，但模擬結(jié)果大于測量值。水井4S/13W-33Q1是一口位于內(nèi)陸海岸線的LACDPW監(jiān)測井，在3455m（bsl）射孔（見表3）。模擬水頭與相關(guān)水井的測量水位數(shù)據(jù)匹配，但是，最初的測量值低于模擬值，可能是由于局部或瞬態(tài)抽水的影響。盡管鋒面比測量的氯離子濃度到達(dá)的要早，但模擬的穿透曲線與測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，則會對其它水井的模擬結(jié)果產(chǎn)生不利影響。水井4S/13W-34F2是LACDPW監(jiān)測井，在93116m（bsl）之間射孔（見表3）。模擬水頭與后期的測量水位數(shù)據(jù)匹配相對較好，但是，早期的測量值低于模擬值。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值相對比較吻合，然而，在1995年之后，氯離子濃度有所增加，沒有進行模擬。水井4S/13W-27D6是LACDPW監(jiān)測井，位于PCH斷層的海岸線一側(cè)，在82114m（bsl）射孔（見表3）。模擬水頭低于測量的水位數(shù)據(jù)，模擬的穿透曲線與早期的氯離子濃度觀測值相對比較吻合，然而，在上世紀(jì)80年代中期以后，氯離子濃度開始下降，沒有進行模擬。氯離子濃度測量值低可能是由于Dominguez Gap Barrier工程局部注水的影響，在模型中沒明確。水井4S/13W-27K4是LACDPW監(jiān)測井，位于PCH斷層內(nèi)陸，在6688m（bsl）之間射孔（見表3）。模擬水頭與測量的水位數(shù)據(jù)匹配相對較好，模擬的穿透曲線有些高估了測量的氯離子濃度，但模擬的穿透曲線與測量的氯離子濃度峰值不匹配。水井4S/13W-27H4-7是美國地質(zhì)調(diào)查局的監(jiān)測井，分別在360372m（bsl）、198204 m（bsl）、143149 m（bsl）以及110116 m（bsl）之間射孔（見表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。在一般情況下，模擬水頭大小與實測水位數(shù)據(jù)相對匹配較好，但是，模擬水頭并不正確，如測量數(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）模擬穿透曲線與測量的氯離子濃度數(shù)據(jù)吻合較好，但是，模擬穿透曲線過高估計了中間水井的實測數(shù)據(jù)，說明模型過高估計了氯離子的垂直運移。水井4S/13W-23N3是水井27H4-7內(nèi)陸的LACDPW監(jiān)測井，在140143 m（bsl）射孔（見表3）。在一般情況下，模擬水頭與測量水位吻合較好，只有1994年的水位測量數(shù)據(jù)較高，比較異常。模擬的穿透曲線過高估計和早期和晚期的氯離子數(shù)據(jù)，而且過高估計了氯離子濃度峰值。水井4S/13W-23D3,6,7是靠近模擬范圍內(nèi)陸邊界的美國地質(zhì)調(diào)查局監(jiān)測井，分別在412424m（bsl）、162168m（bsl）和125131m（bsl）之間射孔（見表3）。水井23D6模擬水頭與測量水位之間吻合較好，但水井23D3和23D7的測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的水位。模擬穿透曲線表明沒有氯離子到達(dá)這些水井，但是，在水井23D7也監(jiān)測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動，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)比實測數(shù)據(jù)向深部延伸范圍要大。具體來說，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的水力梯度也與測量數(shù)據(jù)不符。盡管根據(jù)在建造水井4S/13W-27H4-7時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。在一個數(shù)值實驗中，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，需要通過將極細(xì)砂和粉砂的水平和垂直滲透性增加一個數(shù)量級，重新對模型進行校準(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值來模擬初始條件，則不會出現(xiàn)這一模式，然而，瞬態(tài)模擬不會收斂。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，沒有單獨分析近海極細(xì)砂和粉砂區(qū)的情況。在此概念模型的基礎(chǔ)上對結(jié)果的運用比較合理，然而，在遠(yuǎn)離海岸的地區(qū)淡水水位會上升（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的模擬濃度與觀測的氯離子濃度數(shù)據(jù)匹配較好，而在水井27H7和27H6之間，測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量數(shù)據(jù)比較吻合。雖然這些結(jié)果是基于數(shù)值實驗，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、模擬將來的水管理方案雖然本文采用的橫截面運移模型非常簡化地表示了三維水文地質(zhì)系統(tǒng)，但仍可以用來檢驗將來海水入侵管理方案的潛在影響。根據(jù)選擇概念模型，采用地下水流和運移模型來檢驗3種特定的方案。之所以采用選擇概念模型，是因為它可以更好地模擬水井4S/13W-27H4-7的垂直水力坡度和氯遷移。3個方案均采用了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時水位等于海平面，邊界海拔低于124 m bsl時，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，以進一步控制海水入侵。假定一道膨潤土地下連續(xù)墻滲透性為1.02 10-17m2（波特蘭水泥協(xié)會，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（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了水井4S/13W-27H4-7和，并進入Upper Wilmington序列。經(jīng)過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穩(wěn)定（低于2500 mg/L）；對于方案3，2055年后，模擬的氯離子濃度從初始的22002860mg/L開始下降。七、海平面上升據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）報導(dǎo)，溫室氣體（如大氣中的二氧化碳）濃度的增加，可能會導(dǎo)致在未來100年，海平面上升0.6m或更多（IPCC，2007）。為了驗證對海水入侵可能產(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)量級不變，即在FP海岸邊界增加1m。模擬時間為100年，采用2004年的條件作為初始條件，對管理方案1和3進行了驗證。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