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1、美Tracy Nishikawa 和 A. J. Siade 等冯翠娥 译；李 烨、段 琦 校译在美国加利福尼亚州的洛杉矶，抽取地下水导致大范围的地下水水位下降和沿海地区的海水入侵。本研究开发了基于 SUTRA 的溶质运移模型，来测试 Dominguez Gap 区域地层序列模型的水力特征，并评价地下水管理方案的影响。模型是二维垂直流的，遵循从太平洋通过 Dominguez Gap 的近似流线。结果表明，新识别的断层系统可以提供海水的运移途径，位于 Bent Spring 和 Upper Wilmington 的地层界线可以控制海水的垂直运动。考虑了 3 种 50 年的水管理方案：（1）水管理
2、方法没有变化；（2）修建了地下连续墙；（3）使内陆水位增加至海平面以上 7.6m。采用方案（1）和（3），对海平面瞬间上升 1m 的影响进行了测试。根据两个 100 年的模拟结果表明，当海平面上升 1m 时，采用方案 1，可能会加速海水入侵，而方案 3 对控制海水入侵比较有效。一、概 述20 世纪，在美国洛杉矶沿海广泛开发利用地下水，导致地下水位下降和海水入侵等相关问题（Poland 等，1959；Land 等，2004）。从上世纪 50 年代以来，已经采取了许多措施来解决这些问题，包括划定流域范围和建立南加州盆地水补充管区（WRDSC），负责保护和管理该地区的地下水，采取的具体行动包括减少抽
3、水和增加人工回灌。特别是为了避免海水入侵，在西海岸盆地、Dominguez 海峡和 Alamitos 海峡建了三个控制井，沿海岸注入水，营造海水入侵水力帷幕（Reichard 等，2003）。目前，每年大约有地层对海水入侵的控制作用和地下水管理意义3.7107m3的水被注入到 3 个控制井。虽然控制井对于减少海水入侵具有重要作用，但在 Dominguez Gap 仍有这一现象发生（Land 等，2004）。美国地质调查局（USGS）与 WRDSC 合作，对洛杉矶沿海的地下水系统进行区域分析（Land 等，2002；Reichard 等，2003；Land 等，2004；Reichard 和 J
4、ohnson，2005）。近年来，美国地质调查局 、WRDSC 和洛杉矶公共建设局（LACDPW），在洛杉矶沿海 Dominguez Gap 区域进行了广泛的钻探研究工作（Hillhouse 等，2002）。该研究的目标是确定这一地区详细的地层层序，以改进海水入侵控制战略。这一工作建立的顺序地层层序模型是基于由 USGS 建造的 5 口钻井资料，并由该地区现有的钻井资料进行补充（Ponti 等，2007；Edwards 等，2009）。（一）地质环境和水文地质洛杉矶盆地西南的 Dominguez 海峡地区，包括与 San Pedro 海湾毗邻的洛杉矶县的沿海平原一部分、长堤市和托兰斯（地处长堤
5、市西北）。地质构造方面，Dominguez Gap 总体位于 Wilmington 的掩埋背斜，东北和西南边界分别为 Newport-Inglewood 断层系统和 Palos Verdes 断层。洛杉矶河的侵蚀河道有 30m 厚的全新统河流冲积物和河口沉积物，除此以外的大部分地区， 地表出露有晚更新统冲积物、崩积物和近海沉积物。许多研究已经描述过 Dominguez Gap 地区的含水沉积层，其中最重要的是 Poland 和 Piper（1956）、Poland 等（1959）、加利福尼亚水资源部（1961）和 Zielbauer 等（1962）的工作。在 Woodring（1946）的工作
6、之后，所有这些研究均将该地区的全新统和更新统沉积物分为 3 个基本系列。采用加利福尼亚水资源部（1961）的定义，下更新统系列由 San Pedro 地层组成，这是位于 Wilmington 背斜以上的海相单元，沿 Palos Verdes 和 Newport-Inglewood 隆起出露。San Pedro 地层由 3 个主要的含水单元组成，从老到新分别为（1）Sunnyside 含水层；（2）Silverado 含水层，这是该地区的富水含水层，局部厚度可以达到的 200m；（3）Lynwood 的上覆含水层。所有含水层主要由海砂组成，含细砂透镜体。Reichard 等（2003）最近将这些
7、含水层重新划分为下 San Pedro（Sunnyside）含水层和上 San Pedro 上含水层（Silverado 和 Lynwood）系统。认为晚更新统 Lakewood 地层是不整合的上覆于 San Pedro 地层，由一系列浅海、河口、河流、和崩积沉积物组成，在托兰斯和长堤市地表出露。在 Lakewood 地层，识别出一个主要的含水单元，即 Gage 含水层（Reichard 等，2003） ，该含水层主要由互层的细到中砂组成，局部有粗粒透镜体，一般较 薄，与 San Pedro 含水层相比，岩性更为均质。在 Lakewood 地层之上，是全新统系列，主要由洛杉矶河流沉积物组成，夹
8、细粒河口淤泥。上部的岩石地层单元与下层岩性和地层具有一定的关联，虽然这种方法对于确定含水层物质存在的地下区域比较 有用，但无法明确由于沉积单元相变造成的岩性侧向变异，不能准确代表真正的连续性粗粒含水相，或 不同单元之间含水层相之间的相互关系。相比之下，Ponti 等（2007）近期的工作纳入了层序地层学的概念，这是一种将尽管岩性在侧向和垂向上具有变异，但具有某种内存联系，且在特定的时间间隔沉积的沉积物综合在一起的方法 。层序及其垂直叠加受基准面（海平面）变化、沉积物补给和所提供容纳空间的控制。在这些沉积体系中，各相具有侧向联系，可以进行填图和预测，因此考虑了含水层的侧向分布，而且很好地界定了细
9、粒隔水层。采用 Ponti 等（2007）的方法，识别了 Dominguez Gap 地区全新统和更新统沉积物的 7 个地层序列，3 个上新统序列和 1 个第三系系列，这些系列组成了地下水流系统的某些部分。 由 Ponti（2007）确定的这些序列，加利福尼亚水资源部（1961）和 Reichard 等（2003）确定的含水层系统如表 1 所示。每个序列代表了系统中一种岩性， 岩性划分为 4 类：中到粗砂和砾石、细到中砂、粉细砂至粉砂以及粉砂和粘土为主。Ponti 等（2007）的研究还发现存在影响含水层相关性和连续性的近期褶皱和断层系统（太平洋沿海 Highway 断层或 PCH 断层） 。
10、Ponti 等（2007）假设褶皱和断层营造了海水进入浅层沉积物进而进入到深部含水层的通道 。PCH 断层如何影响含水层的关系和连续性 的实例之一是，在 PCH 断层北部的上 Wilmington 序列为砂岩，归于 Silverado 含水层（见表 1） ，与 Ponti 等列出的断层南部的上新统 A 和 B 序列中的砂共存。表表 1 加加利利福福尼尼亚亚 Dominguez Gap 区区地地层层序序列列与与含含水水层层之之间间的的关关系系太平洋沿海太平洋沿海Highway断层断层北部含水层北部含水层太平洋沿海太平洋沿海Highway断层断层南部含水层南部含水层地层地层（DWR，1961）序列
11、序列（Ponti等，等，2007）DWR（1961）Reichard等等（2003）DWR（1961）Reichard等等（2003）全新统DominguezGaspur最近Gaspur最近MesaGageLakewoodGageLakewoodLakewoodPacificHarborLynwood下San PedroBent SpringSilveradoLynwood下San Pedro上Wilmington下WilmingtonSunnyside下San PedroSilveradoSan Pedro上新统APico上新统BPico下San Pedro上新统C水井未穿透水井未穿透Pic
12、o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标是：（1）定量评价 Ponti 等（2007）和 Edwards 等（2009）采用溶质运移模型提出的层序地层学的水力影响； （2）利用校准运移模型评价不同管理战略的可能影响；（3）利用校准运移模型评价由于气候变化导致海平面上升 1m 的可能影响。采用 SUTRA 模拟溶质运移（Voss 和Provost，2002） ，包括二维、三维、有限元、基于密度、地下水流和溶质运移模型。在 19 世纪中期，洛杉矶沿海开始开发利用地下水，根据 模拟结果，可以估计太平洋（San Pedro 海湾）到 Dominguez Ga
13、p 区的地下水流和氯化物（Cl）运移。采取的方法是模拟准稳态条件，假定代表 1849 年的情况，然后模拟 18502004 年的瞬时流动和运移。模型认为沿近似流线流动和运移，然而，真正的地下水流动和运移系统是三维的。Nishikawa（1997）采取类似的方法来确定不同假设的有效性，考虑了加利福尼亚州 Ventura 郡的海岸水文地质条件。在模型中没有明确考虑该地区的断层，即假定断层对水压和氯离子浓度的影响通过断层造成的地层分层引起。二、地下水流和运移模型（一）空间和时间离散采用有限元网格来离散层序地层剖面，模型的横向和纵向范围分别为15,800m 和 900m 左右。区域的顶部海拔为低于海平
14、面 20m（bsl）至高出海平面 13m（asl） ，底部海拔为 900m（bsl） 。在本研究中，海平面参照北美垂直基准 88（NAVD88） 。网格包括 87191 个节点和 86643 个单元，按照水平和垂直变量划分。模拟的断面宽度为 1m，在模拟时采用不规则的四边形有限元。栅格大小在浅层较小（5 m 25 m） ，到接近底部较大（20 m 100 m） 。栅格越小，越可以更好地表征低渗透性的薄层，可以准确计算压力和浓度的敏锐时空变化。确定初始条件的模拟期是 10000 年，步长为 10 年。对于数值稳定性模拟，采用 155 年的瞬态，2 周为步长。（二）初始和边界条件按照任意初始条件，
15、进行长期（ 10000 年）的瞬态模拟，可以达到稳定态条件。采用得到的压力和氯离子分布作为历史（1849）和瞬态模拟时的初始条件。一般来说，在模拟时，采用无流量或固定压力（FP） 、进入流域内水中氯离子浓度特定。而且，流域内的固定压力垂直海岸边界顶部为120m（bsl） ，反映了低于这一高度的沉积物远离海岸。而且，FP 水平海岸边界相应于海洋底部从 08020m（x 轴方向）的大概位置。FP 内陆边界从地表（海拔约 13m asl.）延伸到流域的底部，用于稳定态模拟，时间变化作为瞬态模拟。FP -内陆边界是反映这一位置压力对水位总体影响的 简化，然而，在模拟结果中，可能无法反映当地具体的抽水和
16、注水的影响，因为难以明确界面上的压力。沿底部边界和 120900m bsl 的海岸边界沿线，是无水流边界。对于稳定态模拟，FP-海岸边界是静水的，采用海水密度 1024 kg/m3，并假定海平面相当于 0m，边界的氯离子浓度是 19,000mg/L。FP-内陆边界也是静水的，但是采用淡水密度 1000 kg/m3，并假定水头为 7.6m（asl.）。Mendenhall（1905）研究表明，断面内陆位置 附近的水位约为 6m，假定当前水位略高于 50 年前，即 1849 年的水位。边界的氯离子浓度设置为 0mg/L。对于瞬态模拟，FP-海岸边界与稳定态模拟边界保持一致 。FP-内陆边界也是静水的，但将其划分为两个不同的时间边界。 FP-内陆边界的上半部分从地表延伸到 124m（bsl） ，并由 1849 年的初始水位（稳定态）线性变化至 2004 年的 0m。采用 2004 年的 0m 比较合理，因为这些水位数据是从 3 口浅井收集的，这些浅井位于内陆模拟边界向海方向 1500m 处。这些水井（889T，898W 和 898X）由 LA
