海水入侵的地球化學(xué)作用及數(shù)值模擬研究進(jìn)展

海水入侵的地球化學(xué)作用及數(shù)值模擬研究進(jìn)展

1城市海水入侵的現(xiàn)狀中國(guó)有一條全長(zhǎng)18000公里的海上航線。海水主要來(lái)自鹽城市，地下水資源巨大。1964年首先在大連市發(fā)現(xiàn)了海水入侵。緊隨其后,1970年青島市也出現(xiàn)海水入侵問(wèn)題。而大部分城市的海水入侵出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代后期及80年代初期之后(表1)。到目前為止,中國(guó)沿海地區(qū)發(fā)生海水入侵的城市有十幾座。沿海岸帶從北到南,主要的海水入侵城市有大連市、營(yíng)口市、葫蘆島市、秦皇島市、萊州市、龍口市、蓬萊市、煙臺(tái)市、威海市、青島市、日照市、寧波市、溫州市、湛江市及北海市等。這些城市海水入侵面積總計(jì)超過(guò)900km2。最早發(fā)生海水入侵的大連市,在34a的時(shí)間里,入侵面積達(dá)223.5km2,年均入侵速度為6.6km2/a(表1)。萊州市是發(fā)生海水入侵面積最大的城市,入侵面積為260.0km2,年均入侵速度高達(dá)10.4km2/a(表1)。一些小城市海水入侵速度較慢,如北海市在十幾年間,入侵面積僅4km2,年均入侵速度小于0.3km2/a。這與當(dāng)?shù)氐叵滤伤可僖约伴_(kāi)采水速度增加較慢有關(guān)(表1)。中國(guó)沿海城市的海水入侵在發(fā)生初期,發(fā)展速度較慢;20世紀(jì)80年代,海水入侵速度發(fā)展很快,這與該期地下水用水量猛增密切相關(guān)。90年代由于政府采取了一系列有效的措施,海水入侵速度明顯減緩,有的城市海水入侵面積基本不再擴(kuò)大。膠東半島的萊州市、龍口市的海水入侵就經(jīng)歷了上述這一發(fā)展過(guò)程。萊州市自1976年發(fā)生入侵以來(lái),海水入侵面積逐年增大,其中20世紀(jì)80年代是海水入侵發(fā)展最快速的時(shí)期。1979年,累積海水入侵面積僅15.8km2,1989年,累積海水入侵面積就達(dá)到238.7km2。1979～1989年,平均每年增加入侵面積22.3km2/a,最大的年入侵速度達(dá)到39.1km2/a(1987年)(表2)。1990年以來(lái),萊州市政府采取了控制海水入侵的措施,海水入侵速度有所減緩(表2)。1991年,累積海水入侵面積212.0km2;2001年,累積海水入侵面積260.0km2。10年間,平均每年增加4.8km2,遠(yuǎn)低于上述80年代海水入侵速度(22.3km2/a)(表2)。2001年入侵速度減小到3.7km2/a(表2)。龍口市于1976年發(fā)生海水入侵。1984年,累積海水入侵面積45.8km2。1990年,累積海水入侵面積達(dá)78.7km2。1984～1990年,年均增加海水入侵面積7.2km2,最大年入侵速度達(dá)到19.4km2/a(1989年)(表3)。20世紀(jì)90年代,龍口市政府采取了控制海水入侵的措施,海水入侵速度減緩。1991年,累積海水入侵面積89.0km2。1998年,累積海水入侵面積105.0km2。7年間,平均每年增加海水入侵面積2.3km2,明顯低于80年代海水入侵速度(7.2km2/a)(表3)。1998年入侵速度減小到1.7km2/a,最大海水入侵距離達(dá)到5.9km。2地下水超采嚴(yán)重影響海水入侵的降水過(guò)程中國(guó)開(kāi)展海水入侵研究始于1975年。多年來(lái),通過(guò)對(duì)眾多海水入侵城市的調(diào)查,認(rèn)為濱海地區(qū)地下淡水的過(guò)量開(kāi)采,是引發(fā)海水入侵的主要原因。同時(shí),降水對(duì)海水入侵也有影響。干旱年份,地下水補(bǔ)給量減少,海水入侵加速;相反,豐水年份,地下水補(bǔ)給量增加,對(duì)海水入侵速度起到緩解作用。20世紀(jì)70～80年代,萊州市由于缺乏對(duì)地下水資源統(tǒng)籌規(guī)劃和有效管理,濱海地區(qū)開(kāi)采井越打越多,而且開(kāi)采井越打越深,開(kāi)采井密度達(dá)到10眼/km2以上。從1978～1990年的12a內(nèi),濱海地區(qū)共超采地下水6.5億m3。由于嚴(yán)重超采,地下水水位持續(xù)下降,嚴(yán)重破壞了濱海平原咸、淡水界面的平衡關(guān)系,導(dǎo)致海水入侵發(fā)生和發(fā)展。到1989年,萊州市地下水水位低于海平面的面積達(dá)262.1km2,開(kāi)采中心地下水位下降到-16.7m(表4)。降水增加對(duì)海水入侵速度起到一定緩解作用。例如,1990年,萊州市降水量明顯偏多,年降水量達(dá)到816mm,地下水補(bǔ)給量增加,同時(shí)開(kāi)采量減少,地下水水位低于海平面的面積比1989年減少55.1km2,累積海水入侵面積比1989年減少52.2km2(表4)。而1991年,降水量明顯減少,僅461mm,地下水水位低于海平面的面積再度增大,達(dá)到289.8km2。開(kāi)采中心地下水位保持持續(xù)下降趨勢(shì),1992年達(dá)到-19.9m(表4)。與上述萊州市的情況類似,20世紀(jì)70～80年代,龍口市地下水超采也非常嚴(yán)重。1986～1993年,濱海地區(qū)地下水超采1.1億m3。同時(shí),連續(xù)干旱年份,加速了海水入侵的發(fā)展。1981～1989年為連續(xù)干旱年,年平均降水量為471.8mm,僅占多年平均降水量的80.0%。龍口市海水入侵面積快速增加,主要發(fā)生在這段時(shí)期內(nèi)。其中1986～1989年為連續(xù)特別干旱年份,年平均降水量?jī)H381.9mm,占多年平均降水量的64.9%。在這段時(shí)間里海水入侵面積增加最為迅速。僅1989年海水入侵面積就增加19.4km2,地下水水位低于海平面的面積增加58.5km2(表5)。1990年降水量偏多,同樣對(duì)海水入侵起到緩解作用。地下水水位低于海平面的面積比1989年減少38.7km2,累積海水入侵面積比1989年減少5.0km2(表5)。3混合水中陽(yáng)離子交換在海水入侵之前,陸相成因的含水介質(zhì)長(zhǎng)期被相對(duì)富集Ca2+的淡水所飽和,表面吸附有大量Ca2+。而海水與淡水的混合水中Na+和Mg2+的含量偏高,為水-巖間陽(yáng)離子交換創(chuàng)造了條件。在龍口市,實(shí)驗(yàn)證明海水入侵淡水含水層過(guò)程中,水-巖間的陽(yáng)離子交換反應(yīng)非常明顯。咸、淡水混合水中高濃度的Na+、Mg2+將含水介質(zhì)所吸附的Ca2+替換下來(lái),使過(guò)渡帶地下水中的Ca2+含量比當(dāng)?shù)氐叵碌泻秃Ｋ械腃a2+含量都高。在Pipe三線圖上形成Ca-Na型及Ca-Mg型混合水,混合水中沒(méi)有1個(gè)陰、陽(yáng)離子對(duì)超過(guò)50%。陽(yáng)離子交換反應(yīng)以Na+與Ca2+間的交換為主,Mg2+、Ca2+間的交換為輔,且在海水入侵的最初階段,Mg2+、Ca2+間的交換幾乎不存在。海水入侵含水層過(guò)程中,含水介質(zhì)對(duì)混合水中的K+表現(xiàn)為較強(qiáng)烈的化學(xué)吸附,K+、Ca2+間的交換非常小。含水介質(zhì)對(duì)混合水中的Cl-的吸附幾乎不存在。只有當(dāng)混合水中Cl-的毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)超過(guò)90%以后,Na+含量才急劇增加,最終形成TDS達(dá)3～11g/l的Cl-Na型地下水。因此,海水入侵過(guò)渡帶的混合水不是淡水和海水的簡(jiǎn)單混合,而是在混合過(guò)程中還伴隨有物理化學(xué)作用。4過(guò)渡帶模型的建立海水入侵的數(shù)學(xué)模型,概括起來(lái)有2種,即突變界面模型和過(guò)渡帶模型。早期,許多學(xué)者將突變界面模型用于海水入侵的平面或剖面二維模擬研究。事實(shí)上,淡水與海水彼此是完全可以溶解的,它們之間存在一個(gè)咸、淡水過(guò)渡帶,且多數(shù)情況下過(guò)渡帶的寬度不能忽略。使用過(guò)渡帶模型才能夠較準(zhǔn)確地模擬實(shí)際情況。多年來(lái),中國(guó)沿海城市地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)資料表明,海水區(qū)與淡水區(qū)之間不存在明顯突變界面,而是存在一個(gè)寬廣的海水與淡水相互混溶的過(guò)渡帶(混合帶)。萊州市的過(guò)渡帶寬度達(dá)2.0～4.0km。龍口市的過(guò)渡帶寬度也達(dá)到了1.5～2.5km。具有過(guò)渡帶特征的海水入侵過(guò)程,必須用兩個(gè)偏微分方程來(lái)描述:第1個(gè)方程用來(lái)描述密度不斷改變的液體(淡水與海水的混合水)的流動(dòng);第2個(gè)方程用來(lái)描述混合水中溶解鹽分的運(yùn)移。在龍口市,針對(duì)潛水含水層的海水入侵,曾經(jīng)建立了三維特征有限元過(guò)渡帶模型。在該模型中,不僅考慮降水對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移的影響,而且考慮潛水面波動(dòng)對(duì)海水入侵過(guò)程的影響,并采用邊界條件的形式來(lái)解決這兩種影響,從而發(fā)展了潛水含水層條件下的海水入侵模型。與此同時(shí),在龍口市還建立了三維有限元溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)渡帶模型。該模型在前面模型的基礎(chǔ)上,增加了能刻畫(huà)海水入侵過(guò)程中水-巖間交換陽(yáng)離子Na+、Mg2+、Ca2+的運(yùn)移行為的功能。在煙臺(tái)市,建立了三維特征有限元過(guò)渡帶模型。該模型根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際水文地質(zhì)條件,不僅考慮過(guò)渡帶混合水的密度變化,而且還根據(jù)潮汐觀測(cè)資料確定承壓含水層的海底延伸邊界,解決了多層承壓含水層(5層)海水入侵過(guò)程的模擬問(wèn)題。在北海市,建立了準(zhǔn)三維有限元過(guò)渡帶模型,考慮過(guò)渡帶混合水的密度變化,對(duì)第1承壓含水層的海水入侵進(jìn)行了數(shù)值模擬。上述這些模型的建立,不僅加深了對(duì)海水入侵規(guī)律的認(rèn)識(shí),而且對(duì)于預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)海水入侵的發(fā)展趨勢(shì),幫助政府采取措施防止海水入侵,發(fā)揮了重要作用。5海水入侵引起地質(zhì)環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題5.1水、海水入侵對(duì)耕地的影響海水入侵導(dǎo)致地下淡水水質(zhì)咸化。水質(zhì)咸化使大量地下水開(kāi)采井報(bào)廢,居民生活、農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)生產(chǎn)均受到嚴(yán)重影響。萊州市海水入侵地區(qū)內(nèi)有2600多眼開(kāi)采井報(bào)廢,15萬(wàn)人口飲水發(fā)生困難,1.7萬(wàn)hm2耕地的灌溉受到不同程度的影響。龍口市海水入侵地區(qū)內(nèi)有1000多眼開(kāi)采井報(bào)廢,3萬(wàn)人口飲水發(fā)生困難,0.67萬(wàn)hm2農(nóng)田的灌溉受到不同程度的影響。海水入侵造成工業(yè)設(shè)備銹蝕嚴(yán)重,產(chǎn)品質(zhì)量下降,部分企業(yè)轉(zhuǎn)產(chǎn)或停產(chǎn),失業(yè)人口增加。萊州市每年工業(yè)產(chǎn)值因海水入侵損失1.5億元左右。5.2積極積極內(nèi)標(biāo)2海水入侵使地下水鹽分增加。如果長(zhǎng)期使用高鹽分的地下水灌溉,鹽分不斷地在土壤表層聚積,導(dǎo)致土壤鹽漬化。而土壤鹽漬化導(dǎo)致土壤肥力下降,造成糧食減產(chǎn)。截至1995年,萊州市土壤鹽漬化面積達(dá)4600hm2;龍口市土壤鹽漬化面積達(dá)3300hm2。受土壤鹽漬化影響,多數(shù)農(nóng)田減產(chǎn)20%～40%,嚴(yán)重的減產(chǎn)50%～60%,個(gè)別甚至絕產(chǎn)。1989年,龍口市海水入侵區(qū)受土壤鹽漬化影響的糧食作物有168hm2,減產(chǎn)12347t;油料作物有49hm2,減產(chǎn)1120t;果園有48hm2,減收水果3730t,經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1592萬(wàn)元。1979年,萊州市糧食產(chǎn)量5.20億kg,受土壤鹽漬化災(zāi)害加重的影響,1989年糧食產(chǎn)量減少為3.02億kg。截止1991年,葫蘆島市海水入侵造成土壤鹽漬化面積467hm2,糧食減產(chǎn)2250kg/hm2。5.3氟斑牙的流行海水入侵造成人口健康水平下降。由于淡水不斷地咸化,海水入侵地區(qū)居民時(shí)?；虺Ｄ觑嬘孟趟?導(dǎo)致地方病流行。許多居民患有甲狀腺腫大、氟斑牙等。根據(jù)1995年統(tǒng)計(jì)資料,萊州市和龍口市氟斑牙患者分別為15600人及798人。由于各種地方病增多,海水入侵影響地區(qū)的人口平均死亡率比非入侵區(qū)高1‰。6設(shè)置抽水場(chǎng)及隔水區(qū)為了預(yù)防與治理海水入侵,世界各國(guó)許多學(xué)者提出了各種見(jiàn)解和方法。諸如限制海岸帶地下淡水開(kāi)采量、在海岸帶布置井排進(jìn)行人工回灌、在海岸線附近布置一排抽水井形成抽水槽、沿海岸灌注某種物質(zhì)形成隔水帷幕等。每種方法都有與之相矛盾的問(wèn)題需要解決,而且在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上是否可行,尚需視具體地區(qū)情況做出論證。20世紀(jì)90年代,中國(guó)海水入侵城市根據(jù)實(shí)際情況,采取了行之有效的海水入侵防治對(duì)策,取得了明顯成效。例如,萊州市和龍口市采取了加強(qiáng)地下水管理、地下水補(bǔ)給工程、農(nóng)田灌溉節(jié)水工程和遠(yuǎn)距離調(diào)水工程等措施,致使海水入侵速度明顯減緩,個(gè)別地段海水入侵面積不再增加。6.1政策采取分類、從嚴(yán)管理,進(jìn)一步加強(qiáng)沿海城市地下水開(kāi)采管理20世紀(jì)90年代之前,地下水開(kāi)采多處于無(wú)序狀態(tài)。為了防止海水入侵面積繼續(xù)擴(kuò)大,沿海城市加強(qiáng)了濱海地區(qū)地下水開(kāi)采的管理,嚴(yán)格執(zhí)行取水許可證審批制度,嚴(yán)禁亂打井。嚴(yán)禁打深井,通過(guò)行政手段減少地下水開(kāi)采量,將地下水開(kāi)采量控制在允許開(kāi)采范圍內(nèi)。6.2攔洪壩洪水補(bǔ)給地下水允許開(kāi)采量是有限的。要想增加開(kāi)采量,必須增加地下水的補(bǔ)給。增加地下水補(bǔ)給可以通過(guò)攔、蓄降水和地表徑流來(lái)實(shí)現(xiàn)。如修建攔洪閘、滲井、滲渠等工程。萊州市的河流徑流季節(jié)性變化強(qiáng)烈,徑流主要集中在每年7～8月份,占全年徑流量的70%～80%,而且河流源短流急,汛期洪水暴漲暴落,對(duì)地下水的補(bǔ)給非常不利。20世紀(jì)90年代,萊州市在河道中、下游修建了中、小型攔河閘(壩)10座,蓄水能力330萬(wàn)m3,并修建了輸水渠,將洪水引入滲坑、滲渠、滲井等回灌工程。這些地下水補(bǔ)給工程總共投入1.5億元人民幣。在萊州市內(nèi)的王河下游修建滲渠、滲井,就是一個(gè)典型的人工補(bǔ)給地下水工程。1990年之前,萊州市政府在王河下游2.9km長(zhǎng)的河床上,開(kāi)挖了滲渠122條、滲井244眼。滲渠長(zhǎng)80m,寬2m,深2m,滲渠間距50m。在每條滲渠內(nèi)開(kāi)挖簡(jiǎn)易滲井2眼,井徑2m,井深4～9m,挖穿上部粘土隔水層,進(jìn)入砂礫層0.5～1.0m,井內(nèi)和滲渠內(nèi)充填卵礫石。1990年汛期的3次降水中,王河流域攔洪壩攔蓄洪水1523萬(wàn)m3,然后引入滲渠、滲井,并補(bǔ)給地下水。根據(jù)地下水水位觀測(cè)資料,在歷時(shí)144h內(nèi),入滲補(bǔ)給地下水量達(dá)31.7萬(wàn)m3。補(bǔ)給區(qū)地下水水位平均回升了3.17m,補(bǔ)給效果良好。6.3地下水防滲墻工程陸地地下淡水有一部分以地下徑流形式輸入海洋。如果能把這部分地下淡水利用起來(lái),那么可以增加地下水可開(kāi)采量。1995年,龍口市采用高壓定向噴射灌漿方法,在八里沙河下游和黃水河下游修建了地下水防滲墻,防滲墻長(zhǎng)6km,寬2～3m。建成了2個(gè)地下水庫(kù)。其中黃水河地下水庫(kù)總庫(kù)容達(dá)5239萬(wàn)m3,最大調(diào)節(jié)庫(kù)容達(dá)3329萬(wàn)m3,可以使180km2區(qū)域內(nèi)的地下水水位平均回升2.5m。地下水庫(kù)建成后,不僅阻止了海水入侵的發(fā)展,而且緩解了龍口市部分地區(qū)的飲用供水緊張局面。6.4灌溉節(jié)水工程節(jié)水最有潛力的部門是農(nóng)業(yè)。因?yàn)檗r(nóng)業(yè)灌溉方式比較落后,農(nóng)田灌溉定額普遍比較高。萊州市采取了一系列有效措施,降低農(nóng)田灌溉定額。包括大畦改小畦、渠道防滲、發(fā)展低壓管道灌溉和微灌。這項(xiàng)農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水工程總投入1.8億元人民幣。根據(jù)多年實(shí)踐,半固定式低壓管道灌溉每年可以節(jié)約用水900m3/hm2左右。微灌每年可以節(jié)約用水3000m3/hm2左右。目前,萊州市已經(jīng)發(fā)展低壓輸水管道灌