当前世界环境

介绍

咸水入侵或侵蚀是由Freeze and Cherry(1979)定义的，指的是在地下水开发的影响下，咸水迁移到淡水含水层。淡水地下水的大部分来源都靠近海洋，靠近含盐地下水的自然水体，或靠近人类活动排放的废水所含的盐分。含水层中的盐水可能来自下列任何一种来源:

• 海水侵入沿海地区。
• 在过去的地质时间内进入含水层的海水
• 盐圆顶，薄床，或在地质形成中传播。
• 在潮汐泻湖、滩涂或其他封闭地区通过蒸发浓缩的水
• 退水从灌溉土地流
• 人类的盐水废物

海水入侵对含水层的污染问题，以及问题的严重程度，主要受三个因素的制约:

• 淡水与海水各自密度之差
• 含水层的流体动力学性质和
• 地下蓄水层流入大海的水流

在淡水含水层与海水通过水力连接的沿海地区，海水入侵成为一个问题。由于淡水的单位重量(1g/cm³)小于海水的单位重量(约1.022 ~ 1.031g/cm³)，所以淡水水体会覆盖在咸水水体之上。两种水体之间的界面称为咸水界面或界面。

考虑如图1所示的理想的泄漏系统。含水层是充电的淡水进入向陆地边界和通过泄漏上粘土帽(弱透水层)在部分免费水位高于含水层水压头(点前的十字路口,铰链点,免费的水位和测压管水头之间的)。在某些情况下，自由水位可能高于整个上土盖的水压头，因此系统将被淡水补给，通过整个上边界和陆地边界线。一个不封闭的(潜水的)含水层将通过降水的渗入被淡水补给。承压含水层只能由陆地边界的淡水补给。

表1：域网格的离散化 点击这里查看表格

在海边边界，将有海水中的涌入系统，因为其密度更大，将迁移到含水层的底部并取代淡水。混合水的向上泄漏也将通过水管在自由水位桌低于压电头（在海边）的部分中进行。其余的混合水将通过窗户从系统中出路，并且通过水上的向上的通量导致来自系统的盐的损失，通过从海边的新海水移动。底部边界是不可渗透的。因此，通过该边界的水和盐离子的通量等于零。

表2：三种情况下SUTRA输入文件 点击这里查看表格

如果边界条件保持恒定，动态的平衡状态将最终由系统实现。在平衡时，在进入含水层加上漏涌入两端的总流体质量将通过弱透水层加上向上泄漏磁通出通过在海面上侧的窗进行平衡。同样地，在进入向海的盐质量将由盐物料从系统中扫出通过弱透水层的混合水，在向海边界窗口平衡。

表3:1975年5月的液体流入情况 点击这里查看表格

地下水模型

地下水模型是一种基于计算机的自然水文地质系统的基本特征的表示，它使用了科学和数学的规律。计算需要(水文)输入，(水力)参数，初始和边界条件。输入量通常是含水层的流入量或补给量，随时间和地点的不同而变化。这些参数通常与模型中使用的物理性质有关，这些物理性质随时间或多或少是常数，但随空间而变化。重要的参数是地形、土层厚度和它们的水平/垂直水力传导率(水的渗透性)、孔隙度和储存系数、非饱和带的毛细度。

表4：溶质源或汇于1975年5月 点击这里查看表格

经模型

SUTRA是一个二维地下水饱和-非饱和运移模型，一个完整的盐水入侵和能量运移模型。《佛经》模拟了地下环境中流体运动和能量或溶解物质的运输。该模型采用二维混合有限元和集成有限差分方法来近似描述两个相互依赖的过程的控制方程:

1. 流体密度依赖于饱和或非饱和地下水流
   
   a.溶质在地下水中的运移，溶质在孔隙基质上的平衡吸附和一级和零级生成或衰减。
   湾在含水层的地下水固体基质热能输运。

表5：1976年5月流体流入 点击这里查看表格

本研究

Saurashtra是印度西海岸的重要地区之一。由于人口的增加、城市化进程的加快和土地改革的推进，该区面临着洪水泛滥、工业废水排放导致地下水污染、海水入侵等环境问题。在观察井中，总溶解固体(TDS)的氯化物含量在7年内从3560 ppm增加到9100 ppm。在Veraval，它从2780 ppm增加到7700 ppm。同期，Kodinar的tds从860 ppm上升到2060 ppm。自1974年以来，对大量观测井进行了维护。地下水中超过1500 ppm的T.D.S值和超过500 ppm的氯化物值通常被认为不适合灌溉和饮用。

表6:1976年的溶质源或汇 点击这里查看表格

迫切需要系统地研究海水侵扰的原因和补救措施。使用Sutra模拟了Saurashtra海岸一段的海水侵入。通过改变相关参数并应用适当的边界条件来校准该模型。最新版本的Sutra i.e.V09972D用于模拟。以下部分出现了分析和结果。对于仿真目的，我们考虑了3年的数据，

这种离散确保了数值稳定性，并避免了整个域元素的不恰当尺寸。采用几何参数和水力参数作为Saurashtra地图数据库。沿着左边的垂直边界，流体静压力定义为，

p =ρgd ...（1）

已被强加。这里，P是静水压力，ρ是海水的密度，G是引起的加速度，D是深度。因此，该左侧边界顶部的压力为零，深入增加深度。有限元网和边界条件如下图2所示。

表7：分析结果为1995年5月 点击这里查看表格

SUTRA模型的输入

域网格已被Dicretised，现在下一步是为我们的分析目的提供输入文件。需要两个SUTRA数据文件，SUTRA输入数据文件和用于模拟的压力和浓度的初始条件。

表8:三种情况比较 点击这里查看表格

数据分析（1975年11月）

• 当指定4个压力边界和4个流入边界时，在18、34和50号节点分别以600m3 /day/m、400m3 /day/m和300m3 /day/m的泵送速率进行泵送。
• 充值并没有在任何节点所需。

由于规定压力的流体流入是如下

由于流入或流出而溶质来源或下沉

图1：理想化的泄漏系统 点击此处查看图

资料分析(1976年五月)

• 泵送在节点18，34和50在600立方米/天/米2000立方米/天/米和600立方米/天/米分别时指定4个压力边界和4个流入边界的速率来完成。
• 充值并没有在任何节点所需。

由于规定压力的流体流入是如下

由于流入或流出而溶质来源或下沉

相对于前两种情况，这里的侵入为多。更多入侵推断为5年期。

图2:边界条件 点击此处查看图

结果为1995年5月

在头四个月，Veraval可获得800毫米(即平均降雨量的20%)的补给量。

泵送100立方米/天/ m为8个月从韦拉瓦尔区域和水线绘制IRIL植物进行。这表明在韦拉瓦尔地下水位的下降。200立方米/天/米充值在Bhalpura村被提供并且在水位线指出。

在最后一种情况下，在Veraval抽水100立方米/天/立方米和在balpura回灌两种方案都进行了试验，并绘制了水线。

结论

通过饱和不饱和的运输（SUTRA）模型，在稳态条件下在Saurashtra海岸的一部分模拟海水入侵。以下三种情况下的情景如下所述：

案例1（1995年5月）

• 当第4提供补给模拟水位线与观测水位线基本吻合。
• 然后，由Veraval为IRIL工厂泵送100m3 /day/m。因此，在维拉瓦尔的模拟水线出现下降。很少遇到侵入，因为从地图上可以清楚地看到，水线几乎处于水平位置。
• 另外，为200立方米/天/ m的补给值在Bhalpura给予，并且由于增加的泵送增加模拟水管线被记录在案。
• 最后，在Veraval抽水和在balpura充电的两种方案都进行了试验。
• 非常少的入侵推断。

案例2（1976年5月）

• 这是一个有趣的案例，其中盐度进入为期5年;再过5年的情况下进行了测试。
• 抽400立方米/天/米，2000立方米/平方米/天至600立方米/天/米物在节点分别为18，34和50来完成。
• 从模型图中显示的盐度入口证明了更多的入侵已经采取。
• 当这种情况再继续5年，不同的时间步骤显示，在5年后，淡水在整个区域流动。

案例三（11月1975）

• 泵送在节点18，34和50进行，抽所做的强度为600立方米/天/米，400米3 /米/天分别和300立方米/平方米/天。
• 无需充电
• 少入侵推断。

该模型对于液压导电性和充电的变化非常敏感。液压导电性的较高值促进海水的侵入，而补充的增加具有相反的效果，用含水层稀释盐水。该模型对孔隙率，各向异性和分散性的变化也敏感，但对分子扩散性的变化不太敏感。Saurashtra Aquifer与Sutra的二维模拟表明其强度在提供稳定的解决方案方面具有相对较长的时间。

进一步研究范围

• 本研究是利用抽水回灌的综合资料进行的。该模型可以实际模拟场地的抽水、淤地坝回灌、渗水井等特征，并对人工回灌结构的有效性进行评价。
• 本模型考虑的1-m的条沿海含水层。同样的SUTRA模型可以在计划中考虑其含水层的面积范围。
• 工业污染的影响也可以用SUTRA模型来研究。
• SUTRA模型可以与任何其他优化工具，如遗传算法，的模拟退火发展决策支持系统。