潮汐作用下鹽水入侵的實驗：平板示蹤裝置系統及操作方法

金光球， 謝天云， KUAN Woei-keong， 沈城吉， 李夢迪， 李 凌1a，(1.河海大學 a. 水文水資源及水利工程科學國家重點實驗室；b. 水利水電學院,江蘇 南京 10098； . Faculty of Civil Engineering, Universiti Teknologi MARA, Pulau Pinang, Malaysia； . National Centre for Groundwater Research and Training, School of Civil Engineering, the University of Queensland, St. Lucia, Queensland, Australia)

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潮汐作用下鹽水入侵的實驗：平板示蹤裝置系統及操作方法

金光球1a，b， 謝天云1a，b， KUAN Woei-keong2， 沈城吉3， 李夢迪1a，b， 李 凌1a，3
(1.河海大學 a. 水文水資源及水利工程科學國家重點實驗室；b. 水利水電學院,江蘇 南京 210098； 2. Faculty of Civil Engineering, Universiti Teknologi MARA, Pulau Pinang, Malaysia； 3. National Centre for Groundwater Research and Training, School of Civil Engineering, the University of Queensland, St. Lucia, Queensland, Australia)

通過設計一套室內平板示蹤裝置系統和操作方法，突破了傳統裝置系統忽略或簡化淡水流量、潮汐等條件的局限，將這些因素加以考慮和控制，并利用設計的拍照和照明系統做到了實驗實時監控，從而較好地模擬出不同條件下海岸帶鹽水入侵、海岸水庫脫鹽和鹽水入侵的過程。整套實驗裝置實驗條件易于控制，從而保證了實驗過程的連貫和有效。通過對照實驗照片數據的分析，得到了地下水-海水的交換過程和海水入侵的相關影響因素，對于潮汐影響下的鹽水入侵機理給出了較好的揭示。

潮汐； 鹽水入侵； 污染物運移； 平板示蹤； 實驗裝置

0 引 言

防治鹽水入侵首先要了解鹽水入侵的機理及其方式[1]。入侵機理研究受限于復雜的地質條件和昂貴的實驗經費[2]，多停留在理論模型和相對應的數值模型基礎上[3]，但是相關研究受限于現有階段的理論認識，計算模型的設置和計算方法的精度等因素并非盡善盡美，需要和室內物理模型實驗、野外監測實驗等手段相結合，從而得到符合實際情況的結果，進而校驗數學模型。尤其是拓展到三維、大尺度、多因素影響下的情況，理論和數值模擬方法距離實際運用還有很長的路要走，而物理模型則體現出其不可替代的優勢，因此找到一個合適的、高效的、節省經費的物理模擬方法成為當務之急。

關于室內鹽水入侵實驗，國內外很多研究學者開展了一定的相關研究。Rumer等[4]用不同介質，設置淡水流量為0，用長150 cm、高60 cm、寬15.2 cm的實驗裝置得出了海水入侵的移動速率；Bear等[5-6]通過室內模型實驗所得到的結果檢驗了突變界面理論假設的入侵界面解析解；劉曉紅[7]模擬了不同鹽水濃度、不同海陸界面水位差和不同滲透系數含水介質條件下的海水入侵，并通過擬合入侵距離L和時間t之間的關系得到了入侵速度經驗公式，分析得到了影響入侵速度的因素；何麗[8]則結合工程實際，模擬了有無地下壩和地下壩不同滲透系數情況下對于海水入侵的影響，得出當地下壩滲透系數達到10-6cm/s這個數量級或以上時，地下壩能有效控制海水入侵；以上研究主要開展是把海洋作為靜水頭，未考慮海洋的關鍵動力——潮汐的影響。張奇[9]則區別于傳統抽取測含水率的方式，對著色海水圖片進行光學處理，并與光學密度和標準溶質濃度的率定關系表進行對照，得出不同區域的海水入侵溶質濃度分布，并且研究了在水位隨時間線性變化的潮汐作用下斜坡邊界和垂直邊界下的海水入侵情況，但對于潮汐作用的研究考慮較為簡單，把潮汐簡化為線性關系，與實際的潮汐差別較大。

本文建立了一種非線性潮汐作用下鹽水入侵的平板示蹤模擬裝置系統[10]；給出了潮汐作用下鹽水入侵和污染物遷移的平板示蹤模擬方法。通過該系統能夠直觀地看到潮汐作用下鹽水入侵和污染物遷移示蹤的全過程，從而達到深入探究鹽水入侵和污染物遷移機理的目的。

1 實驗裝置系統

1.1 平板水槽系統

實驗裝置示意圖如圖1所示，主要包括平板水槽、潮波生成器、鹽水箱、淡水箱。平板水槽沿長度方向依次設置為淡水區、泥沙區和鹽水區。淡水箱通過軟管與淡水區連接，并通過流量計裝置將淡水按需要穩定注入到淡水區；泥沙區按所設條件填充石英砂，并在水槽背面設置5排取樣孔，各排水平間距50 cm、垂向間距10 cm，用以抽測孔隙水；4排測壓管，各排水平間距40 cm、垂向間距10 cm，用于監測海岸帶地表—地下水動力過程；鹽水箱通過軟管與鹽水區連接，并通過潮波生成器傳動裝置循環交換補充到鹽水區，作為海水源；3個區域通過濾網和透水插板隔開，既保證水平順通過又保證沙不漏出。潮波生成器是一個潮波生成裝置，可以產生潮波水位高度Y和時間t之間呈近似正弦關系的潮波信號。圖2所示為一組實驗中抽測潮波信號和標準正弦曲線的對比，其中曲線1、2、3分別為選取實驗初期、中期、后期的某一時間進行1個周期的監測所獲得的潮波信號曲線；以曲線1為例，監測周期的開始時刻為0時刻，每隔3 s記錄此刻的時間為橫坐標，此刻的潮波位置為縱坐標，直至周期結束，從而獲取一系列曲線數據值；同理可獲得曲線2、3。將上述三者的潮波位置求取平均值，即為曲線4，其目的在于避免偶然和觀測誤差；曲線5為標準正弦曲線，Y—t間的關系式為

(a)水槽平面

圖2 潮波生成器產生的實際潮波信號與標準正弦信號對比示意圖

式中：Ms為平均海水位；AT為振幅；T為周期；φ為相位角。

對于圖2所示實驗，參數具體數據如下：Ms=42.4 cm，AT=6.8 cm，T=60 s，φ=-π/2。由圖2可知，幾次抽測結果與標準正弦曲線非常接近，信號較為穩定可靠，能較好地模擬潮汐條件。

潛水泵置于鹽水箱中，并通過管子和鹽水區相連，通過不斷抽取高濃度的鹽水，保證鹽水區的濃度基本一致，避免海水鹽度過度分層問題。

此裝置主要用于研究含水層橫向及垂直海岸線方向的流動和溶質運移過程，在不考慮沿海岸線方向流動的基礎上將模型簡化為二維模型。為便于二維研究，忽略泥沙在厚度方面受到入侵的影響，因此所述平板水槽的厚度設為2 cm;三維模型則要考慮海岸線方向的流動，因此平板水槽厚度設為10 cm。裝置在垂直海岸線平面采用有機玻璃壁面，以突出整個實驗過程的可視化效果，并采用角鋼固定防止變形；裝置左側(內陸方向)采用淡水箱和流量計連接，在實驗中控制固定流量的淡水輸入，用來描述固定淡水流量邊界，并可使淡水出流量免受潮汐作用影響；裝置右側(海向邊界)設置1個100 L鹽水箱作為鹽水源通過水泵進行循環交換。

水槽同時可以模擬室內海岸水庫鹽水入侵和脫鹽實驗，旨在研究并解決海岸水庫在建庫和水庫運行中遇到的底泥鹽分釋放[11]及水庫水體泛咸[12]問題，水槽設置方式與上述相似，主要區別在于為更好模擬海岸水庫和防滲墻條件，在泥沙區加入石英砂后，需在實驗所設定位置插入充氣式可移動擋水裝置[13]，并對擋水裝置進行充氣使其在水槽中固定并起到阻水效果，在實驗結束后放氣，將擋水板取出從而方便實驗的重新設置和反復利用。

1.2 拍照監測系統

模擬全程主要通過實時不間斷拍照，記錄混合顏色示蹤劑的運移來模擬整個鹽水入侵及污染物云團的運移過程，故需要設計拍照和照明系統。實驗裝置系統見圖1(b)，平板示蹤模擬裝置設置在光線封閉的空間中，主要包括拍照、照明系統和白色背景帷幕。

拍照系統設置在所述平板水槽裝置的正前方，用于拍攝實驗過程和記錄結果。具體設置方式為采用兩個同品牌同款式的相機，分別設置在距離平板水槽裝置相同距離、相同角度處，為保證取景完全和方便對照，兩相機的取景范圍設有1/3重疊；此外，為避免相機影子在水槽中顯現，影響拍攝效果，在相機放置處設置了黑色帷幕，并僅使相機鏡頭從黑色帷幕中探出。

照明系統設置在光線封閉的空間中，用于提供光源，具體設置方式為封閉實驗室門窗，阻止室外光(特別是太陽光)的照射，采用兩排照明燈，前排5個節能燈，后排2個聚能燈，在實驗過程中進行穩定不間斷地照明，減少或避免晝夜光線變化引起的拍照色差。

白色背景帷幕設置在平板水槽裝置的正后方作為拍攝環境背景色，目的在于避免拍攝到實驗室中其他環境背景。

此外，為監測泥沙區不同位置的孔隙水實時壓力情況，在水槽背面同一水平高度處設置兩臺同型號的數碼相機，用于拍攝測壓管的水位變化，將此拍攝視頻進行數據分析即可獲得孔隙水壓力變化。

2 實驗裝置基本操作步驟

2.1 鹽水入侵平板示蹤模擬

本實驗裝置可以用來模擬潮汐作用下的鹽水入侵平板示蹤模擬。

(1) 實驗前期準備。

①尋找合適的示蹤劑。所選示蹤劑在實驗過程中應不與泥沙發生吸附，不影響NaCl的鹽度監測，并和NaCl運移保持同步，經過吸附測試，實驗選取一定配合比的食用色素FD&C red 40 和NaCl溶液；

②確定實驗參數。包括含水介質的滲透系數、縱向彌散度和孔隙度；

③配置鹽水備用溶液。按一定的配合比配制好FD&C red 40 和NaCl溶液后作為鹽水裝入鹽水箱中。

(2) 實驗步驟。

①填砂。關閉淡水箱及鹽水箱水閥，在水槽泥沙區中加入去離子水和選定粒徑組、經粗洗精洗處理后的石英砂[14]，具體操作為每次在去離子水環境下加砂10 cm高度，并輕拍槽壁使砂沉降。

②開啟淡水箱水閥，調節到所需流量；開啟潮波生成器將鹽水箱中的鹽水以潮汐的形態注入鹽水區，并開啟潛水泵使鹽水緩慢泵入鹽水區，避免鹽水過度分層，這是由于系統中有淡水輸入，因此在海水邊界處密度流的作用下，特別是鹽水區上部水面的鹽度偏低，為更好模擬海洋邊界(海水密度一般比較恒定)，因此在其上部泵入同等初始密度的鹽水。此外，由于淡水輸入會造成鹽水庫的鹽度下降，因此為達到初始的海水鹽度，需每隔1 h在鹽水庫中添加高濃度的鹽；同時，打開相機定時拍照，間隔15 s一次，并定時從取樣孔中取樣，抽取孔隙水，稀釋250倍后測量其電導，根據標線換算成濃度。

③在鹽水入侵作用下，鹽水不斷向內陸入侵，待鹽水楔變得穩定時停止實驗。

2.2 污染物遷移示蹤模擬

該實驗裝置亦可用來模擬污染物遷移示蹤，基本步驟如下：①在去離子水環境下加入選定粒徑的石英砂，每10 cm進行振搗；在鹽水箱和淡水箱中裝入去離子水；②開啟鹽水箱和淡水箱水閥，調整淡水區和鹽水區溢流口的高度，使兩邊的水位有一定的水位差，從而使水槽中水流流態呈近似均勻流狀態；③通過平板水槽的注入口向泥沙區注入帶有顏色的可溶性污染物或膠體，同時開啟相機定時拍攝污染物遷徙過程；④當污染物完全遷移出去時，停止實驗。

3 實驗裝置案例分析和評價

此實驗裝置在相關問題上有很強的應用性和操作性，以下給出該裝置已經完成的三個實驗，首先對海岸帶鹽水入侵實驗[15]進行介紹和分析；然后，在此基礎上利用擋水板加入海岸水庫的條件，進行海岸水庫的脫鹽和海水入侵實驗。

3.1 海岸帶鹽水入侵

實驗旨在研究沿海非承壓含水層在潮汐作用下的海水入侵，裝置可做到實時監測，控制條件穩定可靠、簡單可行，并考慮和引入了不同潮汐條件的影響，相對以前實驗研究中忽略潮汐作用，或者雖引入潮汐因素但很難調整和保證信號穩定等不足，均有了很大改進。

以下選取有無潮汐條件的兩組實驗進行介紹，相關實驗參數和設置條件如表1所示[15]。

表1 實驗參數和條件設置表

圖3 有無潮汐作用下鹽水入侵

實驗結果如圖3所示，表明FD&C red 40 和NaCl混合溶液的顏色具有很好的識別度，可通過顏色深淺的比色分析得出鹽水在不同區域的入侵強弱程度。此外，實驗在相關領域內首次模擬出了上高鹽度區的存在，這是有無潮汐作用的一個顯著區別，這點也和Robinson等[16]在野外的實地觀測相符合，很好地證實了這套實驗裝置的有效性和可行性。此外Robinson[17]還使用數模軟件SEAWAT-2000對此鹽水入侵問題進行了數值模擬，很好地驗證和分析了上高鹽度區的存在和產生機理。

該實驗證實了潮汐對于海水入侵的重要影響：潮汐引起海水循環促進了上高鹽度區，或者叫上鹽水楔的產生，而上高鹽度區不僅影響海水和地下水的混合，同時會影響到淡水的流通，使淡水通道向下鹽水楔方向偏移，從而抑制下鹽水楔的入侵，可見潮汐對于潮間帶循環水系統和海水入侵的不可忽略的水動力作用，以往的研究潮汐因素始終是被忽略或簡單處理的。

3.2 海岸水庫脫鹽過程

海岸水庫脫鹽實驗出發點在于探究海岸帶蓄水水庫建設初期，灘涂土壤脫鹽淡化的過程，并且試圖找到快速脫鹽的有效途徑，從而為海岸水庫建成初期的盡早使用提供借鑒和指導。

實驗初期，在按一定配合比配制的鹽水溶液的控制條件下，加入用所配鹽水洗過的砂，用以模擬海邊被海水侵蝕浸泡的基質，在此條件下，控制淡水、海水邊界條件，實時監測脫鹽情況。

以下選取兩張實驗過程中不同時間的示意圖予以說明，如圖4所示。此組實驗控制地下水流量為10 mL/min，潮汐振幅為5 cm，周期為60 s。

注:由于拍攝和相機設定問題圖片有一些色差

3.3 海岸水庫鹽水入侵

海岸水庫鹽水入侵實驗出發點在于探究海岸帶水庫運行過程中，不同因素影響下的海水入侵過程，如潮汐振幅、周期、地下水、地表水流量、引水取水等，從而發現可操縱規律性，有效指導海岸水庫的正常使用、規避水庫可能遇到的風險。

圖5為潮汐條件相同，地下水流量不同情況下的鹽水入侵穩定情況(水庫蓄水水位42.90 cm，平均海水位42.4 cm，振幅A6.8 cm，左側水頭42.50 cm，周期60 s)。設置條件見表2所示。

圖5 海岸水庫鹽水入侵實驗

流量/(mL·min-1)穩定時的入侵長度L/cm穩定時的入侵高度H/cm4242．033．68150．430．8

由圖5可以看出，海水入侵程度與地下水流量大小有關，地下水流量越小，鹽水入侵程度越深，并且當流量小到一定程度時，鹽水可以涌入海岸水庫底部。這一發現將有助于水庫泛咸問題的研究和解決；此外，不同于海岸帶無海岸水庫的海水入侵問題——潮汐引起海水循環會出現上高鹽度區(見圖3)，由于水庫的阻礙，此區域將會減小或消失，這發現也為以后探究阻止海水入侵海岸水庫的機理和措施提供了幫助。

4 結 語

本文提供了一種從室內物理模擬角度可行的實驗方法，改進了潮汐條件的控制，可以很好地設定和控制內陸淡水流量、潮汐周期和振幅等條件，并且做到了實時監測入侵過程，因此實驗數據可真實反應實際情況。此外，實驗裝置簡單易用，具有很強的普遍性，可以靈活拓展應用到相關問題中，從而對鹽水入侵問題的客觀規律有較好的揭示作用；對于濱海鹽沼濕地、地下河口理論豐富和進一步揭示也有較好的促進作用，對于人類發展灘涂圍墾、合理修建運行海岸水庫有一定的輔助意義。但實際上鹽水入侵問題所涉及的因素復雜，而在現有技術及理論支持下，分析忽略和簡化了很多因素，深入工作需要對研究方法和裝置做出進一步改進和修正。

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Effects of Tide on Salt Intrusion: Experimental Setup and Methods

JINGuang-qiu1a, b，XIETian-yun1a, b，KUANWoei-keong2，SHENCheng-ji3，LIMeng-di1a, b，LILing1a, 3
(1a. Skate Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering; 1b. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Faculty of Civil Engineering, Universiti Teknologi MARA, Pulau Pinang, Malaysia; 3. National Centre for Groundwater Research and Training, School of Civil Engineering, the University of Queensland, St. Lucia, Queensland, Australia)

Coastal zone, as an important area for human beings’ production activities and ecotone, has been affected by severe seawater intrusion and groundwater pollution over the past few years. There is an urgent need to reasonably and effectively address these prominent problems. Through designing a device operation system and relevant experimental methods, factors that have been ignored or simplified in most of previous studies can be considered and controlled, such as tidal oscillation and inland freshwater input. The lighting and photographing systems can realize real-time monitoring of the experimental processes, such as the seawater intrusion in unconfined coastal aquifers and the desalination in coastal reservoirs. The experimental conditions are easy to be controlled to ensure the processes consistently and effectively. Analysis of the experiment photos provides insight into the exchange processes between groundwater and seawater as well as relevant factors that affect such processes, hence the mechanism of seawater intrusion affected by tidal oscillation can be well demonstrated. The research results and findings provide good approaches and ideas for further research and they offer technical support for the solution of problems of the exploitation and utilization of coastal zones and water crisis.

tide; seawater intrusion; contaminant transport; solute tracing; experimental equipment

2014-04-24

國家自然科學基金項目(51479069，51279056)；國家科技支撐計劃項目(2012BAB03B03)

金光球(1979-)，男，安徽六安人，教授，主要從事水生態環境研究。Tel.:025-83787125；E-mail: jingq@hhu.edu.cn

TV 148+.4

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1006-7167(2015)02-0057-05