第34卷第6期2023年11月㊀㊀水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCE Vol.34,No.6Nov.2023DOI:10.14042/ki.32.1309.2023.06.014基于拦河闸坝蓄水补给的大沽河流域海水入侵优化防治张㊀迪1,2,王㊀莹3,郑小康1,曹智伟1(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南郑州㊀450003;2.南京大学地球科学与工程学院,江苏南京㊀210023;3.黄河水文水资源科学研究院,河南郑州㊀450003)摘要:为减缓大沽河流域水资源短缺的现状,提出了一个新的多目标优化框架,用于优化管理流域现有的多级拦河闸坝蓄水工程措施和地下水开采策略㊂通过耦合校准的数值模型与概化的河流子程序包,模拟河流蓄水时大沽河-地下水间水力联系,重点关注最小化海水入侵程度㊁最小化河流渗流和最大化地下水允许开采量3个目标之间的权衡关系㊂采用NSGA-Ⅱ来搜索优化模型在不同气候条件影响下的帕累托最优解㊂优化结果表明,为了缓解海水入侵,在降水不足年份,靠近海水入侵区的闸坝应提高其蓄水位0.5~1.5m,其余闸坝应降低其蓄水位至少1m;4个县级行政分区在地下水压采约束下,年开采量在降水较少年份应比降水较多年份浮动调整120万~150万m 3甚至更多㊂本文优化框架和调控策略可为人类活动强烈的其他沿海含水层管理提供重要借鉴㊂关键词:海水入侵;沿海含水层;多目标优化;河道筑坝蓄水中图分类号:P641㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1001-6791(2023)06-0971-13收稿日期:2023-05-09;网络出版日期:2023-10-11网络出版地址:https :ʊ /urlid /32.1309.P.20231010.1401.004基金项目:国家重点研发计划资助项目(2022YFC3204305)作者简介:张迪(1991 ),男,山东滕州人,工程师,博士,主要从事水资源管理方面研究㊂E-mail:dzhang@海水入侵已成为一个全球性地质灾害问题㊂相关研究表明,在美国㊁日本㊁澳大利亚及中国等50多个国家和地区均出现了不同程度的海水入侵[1-3]㊂随着海岸带的不断治理开发,社会㊁经济和环境效益的平衡已成为海水入侵防治的重要环节,提出了受海水入侵影响地区地下水资源的多重管理目标,即要尽可能多地对地下水资源开发利用,又要尽可能地对海水入侵程度进行控制,同时以最小的代价达到防止和减轻海水入侵的目的㊂基于多目标进化算法的模拟-优化技术已广泛应用于搜索最优的地下水开采方案,以满足基本供水需求与防治海水入侵等目标[4-8]㊂科学管理沿海地区水资源,实现地表水-地下水联合开发利用,是防止海水入侵加剧并缓解淡水资源供需矛盾的根本前提[9-10]㊂大沽河滨海地下含水层是青岛市重要的地下水源地,自20世纪80年代起,李哥庄一带因过度开采地下水,造成大量地下水降落漏斗,中心水位已降至海平面以下5m,受海潮高水位的压差影响,造成大沽河南端和东南边缘的海水入侵㊂与此同时,南庄东风闸由于管理不善,在大潮时海水顺河上溯至何营庄,距离入海口长达12km 以上,导致海水倒灌入渗,加剧了当地地下咸水形势,含水层受海水侵入的面积由1981年的7km 2扩大到1998年的70km 2㊂为解决地下水超采造成的海水入侵㊁水环境恶化等问题,已采取了许多有效的水利工程保护措施,如修建麻湾庄地下截渗墙㊁河道工程措施(拦河闸与橡胶坝)等,通过蓄水补源㊁人工回归补源以及物理阻隔等使海水入侵趋势趋于稳定[11-13]㊂针对大沽河流域的海水入侵问题,已有大量关于水化学[14-15]㊁水循环动力学[16]㊁海水入侵数值模型[17-18],以及截渗墙和地下坝参数影响等方面的研究[19-22]㊂然而,相关研究并未将河流梯级筑坝作为地表水-地下水联合开发利用进行蓄水补源的一种有效方案,来减缓海水入侵[23-25]㊂本文针对大沽河流域地表水-地下水联合开发利用减缓海水入侵的问题,在海水入侵数值模型全局敏感性分析及其对滨海含水层管理启示的研究成果基础上[11],考虑干流已建14座闸坝拦蓄补源减缓海水入侵的可行性,提出河流闸坝蓄水条件概念模型并进行适用性验证;进而构建地表水-地下水联合调控的海水入侵972㊀水科学进展第34卷㊀优化框架并对气候变化条件下海水入侵防控策略进行分析,为沿海地下水系统的优化管理提供科学决策依据和技术支撑㊂1㊀研究区简介1.1㊀区域概况大沽河流域滨海含水层是青岛市的重要供水水源地,辖即墨市㊁莱西市㊁平度市和胶州市4个县级行政区,面积约613km2㊂研究区多年平均降水量为570.23mm㊁蒸发量为964.74mm,东侧紧临桃源河,含水层在此处尖灭,桃源河与研究区内地下水无直接水力联系㊂区内大沽河干流建有拦河闸坝14座,沿干流方向依次为许村㊁江家庄㊁庄头㊁程家小里㊁孙洲庄㊁沙湾庄㊁袁家庄㊁移风㊁崖头㊁大坝㊁岔河㊁引黄闸㊁贾疃和南庄,干流河道长179.9km㊂研究区土地利用类型主要包括旱地(460.68km2)㊁居住地(97.75km2)㊁商服建设用地(7km2)㊁河流(35.5km2)㊁坑塘(8.12km2)㊁林地(2.17km2)和未利用土地(4.78km2);地下水开采主要是农业灌溉及工业-生活开采(图1)㊂图1㊀大沽河研究区域概况Fig.1Overview map of Dagu River basin㊀第6期张迪,等:基于拦河闸坝蓄水补给的大沽河流域海水入侵优化防治973㊀研究区出露的地层主要有第四系松散地层及下伏的中生代白垩系王氏组(K2w),第三系为隐伏地层㊂第四系地层广泛分布于区内现代河谷两侧㊁山前㊁河流入海处及准平原地区,为更新-全新统冲积㊁洪积㊁冲洪积㊁残坡积㊁海积㊁海陆交互堆积及人工堆积等松散堆积层㊂其中,冲积和冲洪积层最具供水意义,厚度一般为3~20m,多具双层结构,上部为黏质砂土及砂质黏土,下部为不同粒径的砂及砂砾石层,其中有泥质夹层,边缘地带有坡积层楔入,结构较为复杂㊂河流愈小,砂层愈薄,分选性差,相变大;上游为花岗岩分布区,砂层颗粒较粗;在河口附近及近海洼地,冲积层中常有海相沉积夹层,岩性为淤泥㊁淤泥质黏土㊁淤泥质砂等,厚度一般小于5m㊂1.2㊀水文地质概念模型大沽河滨海含水层储水介质由渗透性不同的2个地层组成,上部为渗透性较低的砂质黏土,地下水主要赋存于下部渗透性较大的砂砾石中,沿大沽河东西侧呈带状分布,遵循达西定律㊂地下水流数值模型的边界条件概化参见文献[11],对于溶质运移模型,海水入侵区属于基岩海岸带,海水沿大沽河河道上溯,将南部边界视为给定浓度边界,依据2010年典型区水质采样数据赋值,东西边界视为零通量边界,北界视为给定水头边界㊂地下水位和水质监测井没有分层,但部分或完全穿透含水层㊂具体边界条件及初始浓度如图2所示㊂图2㊀研究区水文地质概念模型Fig.2Hydrogeological conceptual model of the study area2㊀研究方法2.1㊀河流筑坝蓄水概念模型过去几年,由于降水偏少,研究区内的拦河闸坝并没有进行科学规范的蓄水管理㊂但自2020年以来,由于降水充足,应考虑对其进行优化管理,实现沿海含水层地表水和地下水的联合利用,河流筑坝蓄水是满足淡水需求同时能缓解海水入侵的可行选择㊂974㊀水科学进展第34卷㊀拦河闸和橡胶坝均为可控建筑物,需根据调度规则设置不同的启闭状态及触发条件,其过流方式分为溢流型和底流型㊂溢流型相当于一个顶高程可变的堰,沙湾庄橡胶坝㊁岔河橡胶坝等可概化为溢流型;底流型相当于一个垂直闸门,孙洲庄拦河闸㊁移风拦河闸等可概化为底流型㊂水工建筑物的调度运行是根据控制点的值来确定闸门的高程或流量,如图3所示是闸坝未蓄水和蓄水时的2种不同状态,拦河闸门开启以及橡胶坝未充气时,河流处于未蓄水状态;反之拦河闸门关闭以及橡胶坝充气时,河流进行蓄水㊂图3㊀研究区内拦河闸坝蓄水与否河道剖面示意Fig.3Two different states of the river damming system河流补给地下水或排泄地下水由河流与地下水两者之间的水力梯度所决定㊂使用MODFLOW河流子程序包来模拟地表水与地下水系统间的水量交换㊂与MODFLOW保持一致的是,在每次计算迭代开始时,将代表河流渗流的项添加到包含河流河段的每个单元的流动方程中;不同的是,在拦河闸坝处于蓄水状态时,每次迭代时河段渗流长度的选取,由闸坝上游也就是闸坝后的最新河水位值与所在计算单元的河床底板高程值比较判断得到㊂这个过程在每次迭代的开始时完成,判断所用的地下水水头值是来自前一次计算迭代的值㊂具体数学控制方程描述见文献[26]㊂2.2㊀海水入侵模型的适用性验证基于已有海水入侵数值模拟结果得出[11],在降水量较少的年份,麻湾庄截渗墙南北两侧地下水位低于截渗墙顶部高程(0m)时,南北两侧处于2个相对独立的地下水流子系统,流场和浓度场均呈现出截渗墙南北两侧没有水力联系㊂为了验证模型在降水量较多的年份模拟结果的准确性,在2010-01-01/2018-06-01模型校验参数的基础上,结合河流筑坝蓄水条件概念模型以及后期监测数据和不同闸坝蓄水位的收集将模拟期更新至2021-01-01,对模型的适用性进行验证,评价所构建的海水入侵模型在不同降水条件下对地下水流场及浓度场的刻画㊂模型精度采用3个性能标准来评价:相关系数(R)㊁均方根误差(E RMS)和平均绝对误差㊀第6期张迪,等:基于拦河闸坝蓄水补给的大沽河流域海水入侵优化防治975㊀(E MA)㊂如图4所示,整个模拟期内全区地下水流模型的R为0.98,E RMS为1.06m,E MA为0.84m㊂选取的典型地下水位观测井在整个模拟期内,模拟水位与实测水位的变化趋势一致㊂图4㊀地下水流数值拟合结果Fig.4Comparison of the calculated and observed groundwater levels at the observation well locations如图5所示,在整个模拟期内,研究区海水入侵数值模型的R为0.91,E RMS为89.49mg/L,E MA为73.89mg/L㊂选取的典型观测井在整个模拟期内,模拟Cl-质量浓度变化与实测Cl-质量浓度的变化趋势基本一致,模拟结束时刻的Cl-质量浓度场分布见图6㊂从图6中可以看出,截渗墙北侧及下游东南侧的海水入侵程度较降水量偏少的2018年明显改善,海水入侵面积由2018年6月的53.84km2缩减为51.13km2㊂由于2020年异常充足的降水入渗及河流侧向补给使得地下水位抬升显著,形成水力屏障,在天然地下水的排泄作用下向后自然驱退海水入侵,再次验证了所构建的海水入侵模型可以准确地刻画不同降雨作用下的浓度场,进一步证实所构建的海水入侵模型能较好地刻画2010年至2020年的海水入侵物理过程;以及通过拦河闸与橡胶坝截获地表水体,可以增加地下水补给来源,抬升地表水水位以补给地下水,进而增加地下水流场水力梯度,达到增加地下水向海排泄量的作用,减缓海水入侵㊂图5㊀海水入侵数值拟合结果Fig.5Comparison of the calculated and observed Cl-concentration at the observation well locations976㊀水科学进展第34卷㊀图6㊀模拟结束时刻(2021-01-01)研究区Cl-质量浓度场分布Fig.6Spatial distribution of the simulated Cl-in the main modeled aquifer at the end of the simulation period(1January2021) 2.3㊀多目标优化问题求解算法由于非支配排序遗传算法(NSGA)的非支配排序在时间上的复杂度为O(MN3)(M为目标函数个数,N 为种群大小),当优化问题的种群规模较大时会导致排序的速度较为缓慢,同时NSGA利用共享函数来达到解的均匀分布,这是一种依赖于共享参数σshare的选择,其复杂度高达O(N2)㊂为此,采用带精英策略的快速非支配排序算法NSGA-Ⅱ[27],其在时间上的复杂度为O(M(2N)2),排序速度相比于NSGA的O(MN3)有较大幅度的提升㊂而且,NSGA-Ⅱ采用精英策略,保证不放弃寻找到的最优解,搜索性能从而提高,此外重新定义拥挤距离代替共享参数㊂NSGA-Ⅱ算法具体流程概述如下:(1)采用拉丁超立方抽样生成1个数量为N的随机初始种群并进行非支配排序,然后利用遗传算法的选择㊁交叉和变异生成第1代子代种群;(2)从第2代开始,合并父代与子代种群得到新父种群后进行非支配排序及拥挤度计算,按照非支配排序和拥挤度大小选取合适个体组成新父种群;(3)对新父种群进行选择㊁交叉㊁变异得到新的子代种群;重复执行上述过程,直到程序判别终止㊂2.4㊀控制海水入侵的地下水优化管理框架当考虑利用现有闸坝蓄水补源减缓海水入侵时,坝后蓄水高度可以调整挡板来人为控制,但通常只是决策者经验判断,缺乏科学的调控策略㊂决策者通常倾向于尽可能地增加地表水对地下水的补给去减缓海水入侵程度,但这与满足更多的地表水引水灌溉的现实需求相矛盾㊂决策者不知道最有效的河流蓄水高度,需要提出多个目标对地表水引水灌溉和地下水补给进行权衡,以缓解海水入侵㊂此外,为了有效控制海水入侵程度,山东省政府对地下水资源的开采实行了严格压采措施㊂然而,这种限制与经济社会发展对水资源不断增加的需求相矛盾㊂为了在不同气候条件下实现含水层系统相互矛盾目标(地下水开采量㊁河流入渗补给量和海水入侵程度)之间更好的权衡,构建控制海水入侵的地下水优化管理框架,以达到研究区合理的水资源需求与减缓海水入侵的管理目标㊂优化管理框架包括数值模拟模型模块㊁目标函数评价模块和优化求解模块㊂其中,模拟模型模块是利用变密度流模拟程序(SEAWAT)对海水入侵进行动态模拟;目标函数评价模块包括一系列的管理目标(最小化㊀第6期张迪,等:基于拦河闸坝蓄水补给的大沽河流域海水入侵优化防治977㊀管理期末含水层溶质质量比㊁最小化河流入渗补给量以及最大化地下水开采量)和一系列的约束条件(14个拦河闸坝对应的不同蓄水高度㊁海水入侵面积约束㊁滨海地下水需水量约束);优化求解模块采用NSGA-Ⅱ算法进行优化计算㊂数值模拟模型模块通过个体决策变量与优化计算模块相耦合,目标函数评价模块通过个体状态变量与数值模拟模型模块相耦合,优化求解模块读取目标函数评价模块计算的目标函数值使两者相联结㊂在模拟-优化的框架下,通过重复调用数值模型输出状态变量(浓度等)计算目标函数与判断约束条件㊂相应的目标函数和约束条件的数学表达式为:min J1=M end/M ini(1)max J2=ðN n=1ðT t=1Q n,t(2)min J3=ðN n=1ðT t=1S n,t(3)H minɤH n,tɤH max㊀㊀n=1,2, ,N;t=1,2, ,T(4)ðI i=1ðT t=1Q i,tɤQ cons㊀㊀i=1,2, ,I;t=1,2, ,T(5)S endɤS ini㊀㊀㊀㊀S=ðN g g=1P g A g(C gȡ250mg/L,P g=1,P g=0)(6)式中:J1为第1个目标,表示管理期末主含水层中溶质质量占初始状态的百分比;M ini和M end分别为管理期开始和结束时主含水层中的总溶质质量,其中管理期共5a;J2为第2个目标,表示年均地下水开采总量;Q i,t为第t个管理期第i个生产井的抽水量;J3为第3个目标,表示年均河流入渗补给地下水量;S n,t 为第t个管理期第n个河段的河流入渗量;H n,t为第t个管理期第n个河段的闸坝上游一侧水头;H min㊁H max分别为每个闸坝的最低和最高蓄水位;Q cons为地下水年开采总量不能超过的规定红线值,即现状年均地下水开采量的80%;S end为管理期5a结束时海水入侵面积;S ini为2021-01-01初始状态海水入侵面积; g为网格编号;N g为网格总数;P g表示所有模型网格的Cl-质量浓度(C g)是否超过允许浓度250mg/L, P g=1则为是,P g=0则为否;A g为网格面积㊂管理期结束时海水入侵面积超过规定值,表明违背了海水入侵约束条件的范围,也就是说,从决策可行的角度来看,管理方案是不被采纳的㊂优化的地下水开采量为年地下水总开采量按比例分配至每个应力期㊂多目标优化算法参数设置为种群大小200,代数100,交叉概率0.8,突变概率0.05㊂决策变量的取值范围见表1㊂表1㊀输入管理模型的决策变量取值范围Table1Ranges of decision variables input to the management model978㊀水科学进展第34卷㊀3㊀气候变化条件下控制海水入侵的地下水优化管理3.1㊀降水频率预测方案基于皮尔逊Ⅲ型频率曲线对从国家气象信息中心获得的大沽河研究区过去30a(1989 2018年)的降水数据进行频率分析,得出了分别对应于特丰水年㊁偏丰水年㊁平水年㊁偏枯水年和特枯水年的5种不同降水场景㊂这里,特丰水年㊁偏丰水年㊁平水年㊁偏枯水年和特枯水年的气候条件对应于降水频率曲线的输出分别用S1 S5对应表示,其频率分别为12.5%㊁37.5%㊁50.0%㊁62.5%和87.5%㊂变差系数(C v)和偏态系数(C s)分别设定为0.3和0.75㊂S1 S5的年降水量分别为856.0㊁749.6㊁614.4㊁494.0和424.6mm㊂3.2㊀三维多目标优化结果与管理启示NSGA-Ⅱ在规定的100代时被终止,对所有获得的解进行Pareto排序㊂与S1 S5的不同气候情景相对应的Pareto前沿分别由955㊁889㊁1153㊁1006和995个最优方案组成,它们定义了海水入侵程度㊁地下水开采总量和河流入渗补给量3个目标之间的相互权衡㊂在每个主轴上,黑色箭头表示每个目标的优化方向(备选方案)㊂图7表明,所有的3维Pareto最优解都覆盖了广泛的权衡面,其中,0.8251<J1<0.8902, 4730万m3<J2<5650万m3,970万m3<J3<6380万m3㊂优化前对应于当前方案(S0)的3个目标的值分别为1㊁7100万m3㊁3880万m3㊂在干旱年份,降水带来的入渗补给量不断减少,导致地下水位呈下降趋势,海水和淡水的压力差增大,海水入侵程度严重,而在降水较多的年份则相反㊂值得注意的是,在河流对地下水渗流补给最小化㊁地下水开采总量最大化的前提下,与初始状态相比,S1 S5所对应的海水入侵程度均得到有效缓解㊂此外,从图8中可以看出,地下水开采量不能超过当地政府规定的80%的现状红线㊂同时,与现行方案相比,河水的渗漏量较少,这意味着有更多的地表水可供灌溉和生活使用,推动了地下水开采成本的节约㊂特别是,当地农民目前每立方米需要支付0.12~0.33元(青岛市物价局2017年数据)来提取地下水用于农业灌溉㊂因此,目前的管理方案显然是不理想的,需要通过多目标优化框架寻求权衡解㊂在多数情况下,从由数百个最优方案组成的大型方案集中选择首选方案对决策者来说是困难的,通常取决于决策者的优先权或效用㊂从图9(a)可以看出,在不同的气候情景下,通过多目标优化管理得到的坝后水头与现行方案相比有了很大的变化㊂为了缓解海水入侵,在降水不足的年份,靠近海水入侵区的闸坝至少要将其蓄水位提高0.5~1.5m,而其他闸坝则需将其蓄水位至少降低1m㊂南庄橡胶坝和贾疃橡胶坝在5种不同的气候情景下都呈现出将坝后水位提高到挡板最高点的必要性,即坝后河水水位抬升至尽可能高度;对于岔河橡胶坝和引黄闸,在降水量不足的年份,由于入渗补给的减少,为了尽量减少海水入侵程度,蓄水位应该比降水量充足的年份提高;对于大坝橡胶坝及其北部的其余闸坝,由于距离海水入侵区域较远,对海水入侵过程不敏感,相对于目前的方案,应降低蓄水位,以减少河流对地下水的渗流补给,进而满足从现有地表水中引出更多灌溉和生活用水的需要㊂从所选方案1㊁4㊁7㊁10㊁13相对应的河流渗流情况表明,在干旱年份,需要更多的河流渗流补给来缓解海水入侵,然而,这实际上是不可能的,因此有必要实行严格的节水措施㊂图9(b)表明,在限制地下水开采的约束条件下,4个县级行政分区的地下水年开采量在降水较少的年份应比降水较多的年份浮动调整120万~150万m3甚至更多㊂由于胶州地区位于海水入侵典型区,对海水入侵过程的影响较大,因此,降水较少的年份与降水较多的年份相比,胶州地区的地下水开采量应有所下降;在5种不同的降水情景下,平度地区在不超过红线的情况下,可以尽可能多地抽取地下水来满足经济和社会发展,即地下水抽取量可以达到2.4ˑ107m3/a;另外,对于即墨和莱西地区,在降水量相对较少的年份,㊀第6期张迪,等:基于拦河闸坝蓄水补给的大沽河流域海水入侵优化防治979㊀图7㊀研究区5种不同降水场景3个目标之间权衡的Pareto前沿Fig.7Pareto-front defining the tradeoffs among three objectives under five different precipitation scenarios in the study area可以适度增加地下水开采量,不仅可以满足胶州地区需要大幅减少开采量的海水入侵防控措施,还可以满足地下水开采总量与研究区的地下水需求相一致的目标㊂总之,政策制定者必须认识到在一系列复杂的限制条件下,地表水和地下水的联合利用对于控制海水入侵的权衡策略㊂980㊀水科学进展第34卷㊀图8㊀研究区5种不同的降水场景对应的典型方案Fig.8Typical scenarios corresponding to five different precipitation scenarios in the study area图9㊀5种不同降水场景下各闸坝蓄水位和4个县级行政开采区地下水开采总量的变化Fig.9Variations of impoundment-water head behind each dam and total pumping rates from four county-level administrative subdomains under five different precipitation scenarios㊀第6期张迪,等:基于拦河闸坝蓄水补给的大沽河流域海水入侵优化防治981㊀4㊀结㊀㊀论本文结合国内外研究成果与资料分析,在大沽河流域滨海含水层建立了考虑河道工程措施的变密度地下水数值模拟及优化管理模型,为沿海地区地下水资源的优化配置及海水入侵防控提供理论框架与科学决策依据,主要结论有:(1)该模型能够刻画研究区含水层咸淡水过渡带在不同降水条件下海水入侵的物理过程㊂(2)目前的管理方案是次优的,利用NSGA-Ⅱ求解的最佳权衡策略可以实现最佳效用㊂(3)南庄橡胶坝和贾疃橡胶坝需将坝后蓄水位抬升至隔水挡板的最高点,岔河橡胶坝和引黄闸在降水量不足年份应比降水量充足年份蓄水位抬高,大坝及其北部其余闸坝均应降低蓄水位㊂(4)胶州地区在降水量较少年份应减少地下水开采;平度地区在不超过压采量红线的情况下,应尽可能多地抽取地下水;即墨和莱西地区,在降水量相对较少的年份,可以适度增加开采量㊂参考文献:[1]郭占荣,黄奕普.海水入侵问题研究综述[J].水文,2003,23(3):10-15,9.(GUO Z R,HUANG Y prehensive study on seawater intrusion[J].Hydrology,2003,23(3):10-15,9.(in Chinese))[2]WERNER A D,BAKKER M,POST V E A,et al.Seawater intrusion processes,investigation and management:recent advances and future challenges[J].Advances in Water Resources,2013,51:3-26.[3]KINZELBACH W,BAUER P,SIEGFRIED T,et al.Sustainable groundwater management:problems and scientific tools[J]. 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