海水入侵的地球化學作用及數(shù)值模擬研究進展

海水入侵的地球化學作用及數(shù)值模擬研究進展

1城市海水入侵的現(xiàn)狀中國有一條全長18000公里的海上航線。海水主要來自鹽城市，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)海水入侵問題。而大部分城市的海水入侵出現(xiàn)在20世紀70年代后期及80年代初期之后(表1)。到目前為止,中國沿海地區(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、營口市、葫蘆島市、秦皇島市、萊州市、龍口市、蓬萊市、煙臺市、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超過900km2。最早發(fā)生海水入侵的大連市,在34a的時間里,入侵面積達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?shù)氐叵滤伤可僖约伴_采水速度增加較慢有關(表1)。中國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。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)展過程。萊州市自1976年發(fā)生入侵以來,海水入侵面積逐年增大,其中20世紀80年代是海水入侵發(fā)展最快速的時期。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到39.1km2/a(1987年)(表2)。1990年以來,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,最大年入侵速度達到19.4km2/a(1989年)(表3)。20世紀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到5.9km。2地下水超采嚴重影響海水入侵的降水過程中國開展海水入侵研究始于1975年。多年來,通過對眾多海水入侵城市的調(diào)查,認為濱海地區(qū)地下淡水的過量開采,是引發(fā)海水入侵的主要原因。同時,降水對海水入侵也有影響。干旱年份,地下水補給量減少,海水入侵加速;相反,豐水年份,地下水補給量增加,對海水入侵速度起到緩解作用。20世紀70～80年代,萊州市由于缺乏對地下水資源統(tǒng)籌規(guī)劃和有效管理,濱海地區(qū)開采井越打越多,而且開采井越打越深,開采井密度達到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。由于嚴重超采,地下水水位持續(xù)下降,嚴重破壞了濱海平原咸、淡水界面的平衡關系,導致海水入侵發(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262.1km2,開采中心地下水位下降到-16.7m(表4)。降水增加對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,年降水量達到816mm,地下水補給量增加,同時開采量減少,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,達到289.8km2。開采中心地下水位保持持續(xù)下降趨勢,1992年達到-19.9m(表4)。與上述萊州市的情況類似,20世紀70～80年代,龍口市地下水超采也非常嚴重。1986～1993年,濱海地區(qū)地下水超采1.1億m3。同時,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)生在這段時期內(nèi)。其中1986～1989年為連續(xù)特別干旱年份,年平均降水量僅381.9mm,占多年平均降水量的64.9%。在這段時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混合水中陽離子交換在海水入侵之前,陸相成因的含水介質(zhì)長期被相對富集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-巖間陽離子交換創(chuàng)造了條件。在龍口市,實驗證明海水入侵淡水含水層過程中,水-巖間的陽離子交換反應非常明顯。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,使過渡帶地下水中的Ca2+含量比當?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,混合水中沒有1個陰、陽離子對超過50%。陽離子交換反應以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。海水入侵含水層過程中,含水介質(zhì)對混合水中的K+表現(xiàn)為較強烈的化學吸附,K+、Ca2+間的交換非常小。含水介質(zhì)對混合水中的Cl-的吸附幾乎不存在。只有當混合水中Cl-的毫克當量百分數(shù)超過90%以后,Na+含量才急劇增加,最終形成TDS達3～11g/l的Cl-Na型地下水。因此,海水入侵過渡帶的混合水不是淡水和海水的簡單混合,而是在混合過程中還伴隨有物理化學作用。4過渡帶模型的建立海水入侵的數(shù)學模型,概括起來有2種,即突變界面模型和過渡帶模型。早期,許多學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。事實上,淡水與海水彼此是完全可以溶解的,它們之間存在一個咸、淡水過渡帶,且多數(shù)情況下過渡帶的寬度不能忽略。使用過渡帶模型才能夠較準確地模擬實際情況。多年來,中國沿海城市地下水動態(tài)監(jiān)測網(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,而是存在一個寬廣的海水與淡水相互混溶的過渡帶(混合帶)。萊州市的過渡帶寬度達2.0～4.0km。龍口市的過渡帶寬度也達到了1.5～2.5km。具有過渡帶特征的海水入侵過程,必須用兩個偏微分方程來描述:第1個方程用來描述密度不斷改變的液體(淡水與海水的混合水)的流動;第2個方程用來描述混合水中溶解鹽分的運移。在龍口市,針對潛水含水層的海水入侵,曾經(jīng)建立了三維特征有限元過渡帶模型。在該模型中,不僅考慮降水對溶質(zhì)運移的影響,而且考慮潛水面波動對海水入侵過程的影響,并采用邊界條件的形式來解決這兩種影響,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,在龍口市還建立了三維有限元溶質(zhì)運移過渡帶模型。該模型在前面模型的基礎上,增加了能刻畫海水入侵過程中水-巖間交換陽離子Na+、Mg2+、Ca2+的運移行為的功能。在煙臺市,建立了三維特征有限元過渡帶模型。該模型根據(jù)當?shù)氐膶嶋H水文地質(zhì)條件,不僅考慮過渡帶混合水的密度變化,而且還根據(jù)潮汐觀測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)海水入侵過程的模擬問題。在北海市,建立了準三維有限元過渡帶模型,考慮過渡帶混合水的密度變化,對第1承壓含水層的海水入侵進行了數(shù)值模擬。上述這些模型的建立,不僅加深了對海水入侵規(guī)律的認識,而且對于預測和預報海水入侵的發(fā)展趨勢,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)境和社會問題5.1水、海水入侵對耕地的影響海水入侵導致地下淡水水質(zhì)咸化。水質(zhì)咸化使大量地下水開采井報廢,居民生活、農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)生產(chǎn)均受到嚴重影響。萊州市海水入侵地區(qū)內(nèi)有2600多眼開采井報廢,15萬人口飲水發(fā)生困難,1.7萬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多眼開采井報廢,3萬人口飲水發(fā)生困難,0.67萬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)設備銹蝕嚴重,產(chǎn)品質(zhì)量下降,部分企業(yè)轉產(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2海水入侵使地下水鹽分增加。如果長期使用高鹽分的地下水灌溉,鹽分不斷地在土壤表層聚積,導致土壤鹽漬化。而土壤鹽漬化導致土壤肥力下降,造成糧食減產(chǎn)。截至1995年,萊州市土壤鹽漬化面積達4600hm2;龍口市土壤鹽漬化面積達3300hm2。受土壤鹽漬化影響,多數(shù)農(nóng)田減產(chǎn)20%～40%,嚴重的減產(chǎn)50%～60%,個別甚至絕產(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)濟損失達1592萬元。1979年,萊州市糧食產(chǎn)量5.20億kg,受土壤鹽漬化災害加重的影響,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?；虺Ｄ觑嬘孟趟?導致地方病流行。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設置抽水場及隔水區(qū)為了預防與治理海水入侵,世界各國許多學者提出了各種見解和方法。諸如限制海岸帶地下淡水開采量、在海岸帶布置井排進行人工回灌、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題需要解決,而且在技術上和經(jīng)濟上是否可行,尚需視具體地區(qū)情況做出論證。20世紀90年代,中國海水入侵城市根據(jù)實際情況,采取了行之有效的海水入侵防治對策,取得了明顯成效。例如,萊州市和龍口市采取了加強地下水管理、地下水補給工程、農(nóng)田灌溉節(jié)水工程和遠距離調(diào)水工程等措施,致使海水入侵速度明顯減緩,個別地段海水入侵面積不再增加。6.1政策采取分類、從嚴管理,進一步加強沿海城市地下水開采管理20世紀90年代之前,地下水開采多處于無序狀態(tài)。為了防止海水入侵面積繼續(xù)擴大,沿海城市加強了濱海地區(qū)地下水開采的管理,嚴格執(zhí)行取水許可證審批制度,嚴禁亂打井。嚴禁打深井,通過行政手段減少地下水開采量,將地下水開采量控制在允許開采范圍內(nèi)。6.2攔洪壩洪水補給地下水允許開采量是有限的。要想增加開采量,必須增加地下水的補給。增加地下水補給可以通過攔、蓄降水和地表徑流來實現(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,對地下水的補給非常不利。20世紀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,就是一個典型的人工補給地下水工程。1990年之前,萊州市政府在王河下游2.9km長的河床上,開挖了滲渠122條、滲井244眼。滲渠長80m,寬2m,深2m,滲渠間距50m。在每條滲渠內(nèi)開挖簡易滲井2眼,井徑2m,井深4～9m,挖穿上部粘土隔水層,進入砂礫層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m3,然后引入滲渠、滲井,并補給地下水。根據(jù)地下水水位觀測資料,在歷時144h內(nèi),入滲補給地下水量達31.7萬m3。補給區(qū)地下水水位平均回升了3.17m,補給效果良好。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,那么可以增加地下水可開采量。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6km,寬2～3m。建成了2個地下水庫。其中黃水河地下水庫總庫容達5239萬m3,最大調(diào)節(jié)庫容達3329萬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)。因為農(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