海水入侵的地球化学作用及数值模拟研究进展

海水入侵的地球化学作用及数值模拟研究进展

1城市海水入侵的现状中国有一条全长18000公里的海上航线。海水主要来自盐城市，地下水资源巨大。1964年首先在大连市发现了海水入侵。紧随其后,1970年青岛市也出现海水入侵问题。而大部分城市的海水入侵出现在20世纪70年代后期及80年代初期之后(表1)。到目前为止,中国沿海地区发生海水入侵的城市有十几座。沿海岸带从北到南,主要的海水入侵城市有大连市、营口市、葫芦岛市、秦皇岛市、莱州市、龙口市、蓬莱市、烟台市、威海市、青岛市、日照市、宁波市、温州市、湛江市及北海市等。这些城市海水入侵面积总计超过900km2。最早发生海水入侵的大连市,在34a的时间里,入侵面积达223.5km2,年均入侵速度为6.6km2/a(表1)。莱州市是发生海水入侵面积最大的城市,入侵面积为260.0km2,年均入侵速度高达10.4km2/a(表1)。一些小城市海水入侵速度较慢,如北海市在十几年间,入侵面积仅4km2,年均入侵速度小于0.3km2/a。这与当地地下水采水量少以及开采水速度增加较慢有关(表1)。中国沿海城市的海水入侵在发生初期,发展速度较慢;20世纪80年代,海水入侵速度发展很快,这与该期地下水用水量猛增密切相关。90年代由于政府采取了一系列有效的措施,海水入侵速度明显减缓,有的城市海水入侵面积基本不再扩大。胶东半岛的莱州市、龙口市的海水入侵就经历了上述这一发展过程。莱州市自1976年发生入侵以来,海水入侵面积逐年增大,其中20世纪80年代是海水入侵发展最快速的时期。1979年,累积海水入侵面积仅15.8km2,1989年,累积海水入侵面积就达到238.7km2。1979～1989年,平均每年增加入侵面积22.3km2/a,最大的年入侵速度达到39.1km2/a(1987年)(表2)。1990年以来,莱州市政府采取了控制海水入侵的措施,海水入侵速度有所减缓(表2)。1991年,累积海水入侵面积212.0km2;2001年,累积海水入侵面积260.0km2。10年间,平均每年增加4.8km2,远低于上述80年代海水入侵速度(22.3km2/a)(表2)。2001年入侵速度减小到3.7km2/a(表2)。龙口市于1976年发生海水入侵。1984年,累积海水入侵面积45.8km2。1990年,累积海水入侵面积达78.7km2。1984～1990年,年均增加海水入侵面积7.2km2,最大年入侵速度达到19.4km2/a(1989年)(表3)。20世纪90年代,龙口市政府采取了控制海水入侵的措施,海水入侵速度减缓。1991年,累积海水入侵面积89.0km2。1998年,累积海水入侵面积105.0km2。7年间,平均每年增加海水入侵面积2.3km2,明显低于80年代海水入侵速度(7.2km2/a)(表3)。1998年入侵速度减小到1.7km2/a,最大海水入侵距离达到5.9km。2地下水超采严重影响海水入侵的降水过程中国开展海水入侵研究始于1975年。多年来,通过对众多海水入侵城市的调查,认为滨海地区地下淡水的过量开采,是引发海水入侵的主要原因。同时,降水对海水入侵也有影响。干旱年份,地下水补给量减少,海水入侵加速;相反,丰水年份,地下水补给量增加,对海水入侵速度起到缓解作用。20世纪70～80年代,莱州市由于缺乏对地下水资源统筹规划和有效管理,滨海地区开采井越打越多,而且开采井越打越深,开采井密度达到10眼/km2以上。从1978～1990年的12a内,滨海地区共超采地下水6.5亿m3。由于严重超采,地下水水位持续下降,严重破坏了滨海平原咸、淡水界面的平衡关系,导致海水入侵发生和发展。到1989年,莱州市地下水水位低于海平面的面积达262.1km2,开采中心地下水位下降到-16.7m(表4)。降水增加对海水入侵速度起到一定缓解作用。例如,1990年,莱州市降水量明显偏多,年降水量达到816mm,地下水补给量增加,同时开采量减少,地下水水位低于海平面的面积比1989年减少55.1km2,累积海水入侵面积比1989年减少52.2km2(表4)。而1991年,降水量明显减少,仅461mm,地下水水位低于海平面的面积再度增大,达到289.8km2。开采中心地下水位保持持续下降趋势,1992年达到-19.9m(表4)。与上述莱州市的情况类似,20世纪70～80年代,龙口市地下水超采也非常严重。1986～1993年,滨海地区地下水超采1.1亿m3。同时,连续干旱年份,加速了海水入侵的发展。1981～1989年为连续干旱年,年平均降水量为471.8mm,仅占多年平均降水量的80.0%。龙口市海水入侵面积快速增加,主要发生在这段时期内。其中1986～1989年为连续特别干旱年份,年平均降水量仅381.9mm,占多年平均降水量的64.9%。在这段时间里海水入侵面积增加最为迅速。仅1989年海水入侵面积就增加19.4km2,地下水水位低于海平面的面积增加58.5km2(表5)。1990年降水量偏多,同样对海水入侵起到缓解作用。地下水水位低于海平面的面积比1989年减少38.7km2,累积海水入侵面积比1989年减少5.0km2(表5)。3混合水中阳离子交换在海水入侵之前,陆相成因的含水介质长期被相对富集Ca2+的淡水所饱和,表面吸附有大量Ca2+。而海水与淡水的混合水中Na+和Mg2+的含量偏高,为水-岩间阳离子交换创造了条件。在龙口市,实验证明海水入侵淡水含水层过程中,水-岩间的阳离子交换反应非常明显。咸、淡水混合水中高浓度的Na+、Mg2+将含水介质所吸附的Ca2+替换下来,使过渡带地下水中的Ca2+含量比当地地下淡水中和海水中的Ca2+含量都高。在Pipe三线图上形成Ca-Na型及Ca-Mg型混合水,混合水中没有1个阴、阳离子对超过50%。阳离子交换反应以Na+与Ca2+间的交换为主,Mg2+、Ca2+间的交换为辅,且在海水入侵的最初阶段,Mg2+、Ca2+间的交换几乎不存在。海水入侵含水层过程中,含水介质对混合水中的K+表现为较强烈的化学吸附,K+、Ca2+间的交换非常小。含水介质对混合水中的Cl-的吸附几乎不存在。只有当混合水中Cl-的毫克当量百分数超过90%以后,Na+含量才急剧增加,最终形成TDS达3～11g/l的Cl-Na型地下水。因此,海水入侵过渡带的混合水不是淡水和海水的简单混合,而是在混合过程中还伴随有物理化学作用。4过渡带模型的建立海水入侵的数学模型,概括起来有2种,即突变界面模型和过渡带模型。早期,许多学者将突变界面模型用于海水入侵的平面或剖面二维模拟研究。事实上,淡水与海水彼此是完全可以溶解的,它们之间存在一个咸、淡水过渡带,且多数情况下过渡带的宽度不能忽略。使用过渡带模型才能够较准确地模拟实际情况。多年来,中国沿海城市地下水动态监测网资料表明,海水区与淡水区之间不存在明显突变界面,而是存在一个宽广的海水与淡水相互混溶的过渡带(混合带)。莱州市的过渡带宽度达2.0～4.0km。龙口市的过渡带宽度也达到了1.5～2.5km。具有过渡带特征的海水入侵过程,必须用两个偏微分方程来描述:第1个方程用来描述密度不断改变的液体(淡水与海水的混合水)的流动;第2个方程用来描述混合水中溶解盐分的运移。在龙口市,针对潜水含水层的海水入侵,曾经建立了三维特征有限元过渡带模型。在该模型中,不仅考虑降水对溶质运移的影响,而且考虑潜水面波动对海水入侵过程的影响,并采用边界条件的形式来解决这两种影响,从而发展了潜水含水层条件下的海水入侵模型。与此同时,在龙口市还建立了三维有限元溶质运移过渡带模型。该模型在前面模型的基础上,增加了能刻画海水入侵过程中水-岩间交换阳离子Na+、Mg2+、Ca2+的运移行为的功能。在烟台市,建立了三维特征有限元过渡带模型。该模型根据当地的实际水文地质条件,不仅考虑过渡带混合水的密度变化,而且还根据潮汐观测资料确定承压含水层的海底延伸边界,解决了多层承压含水层(5层)海水入侵过程的模拟问题。在北海市,建立了准三维有限元过渡带模型,考虑过渡带混合水的密度变化,对第1承压含水层的海水入侵进行了数值模拟。上述这些模型的建立,不仅加深了对海水入侵规律的认识,而且对于预测和预报海水入侵的发展趋势,帮助政府采取措施防止海水入侵,发挥了重要作用。5海水入侵引起地质环境和社会问题5.1水、海水入侵对耕地的影响海水入侵导致地下淡水水质咸化。水质咸化使大量地下水开采井报废,居民生活、农业灌溉和工业生产均受到严重影响。莱州市海水入侵地区内有2600多眼开采井报废,15万人口饮水发生困难,1.7万hm2耕地的灌溉受到不同程度的影响。龙口市海水入侵地区内有1000多眼开采井报废,3万人口饮水发生困难,0.67万hm2农田的灌溉受到不同程度的影响。海水入侵造成工业设备锈蚀严重,产品质量下降,部分企业转产或停产,失业人口增加。莱州市每年工业产值因海水入侵损失1.5亿元左右。5.2积极积极内标2海水入侵使地下水盐分增加。如果长期使用高盐分的地下水灌溉,盐分不断地在土壤表层聚积,导致土壤盐渍化。而土壤盐渍化导致土壤肥力下降,造成粮食减产。截至1995年,莱州市土壤盐渍化面积达4600hm2;龙口市土壤盐渍化面积达3300hm2。受土壤盐渍化影响,多数农田减产20%～40%,严重的减产50%～60%,个别甚至绝产。1989年,龙口市海水入侵区受土壤盐渍化影响的粮食作物有168hm2,减产12347t;油料作物有49hm2,减产1120t;果园有48hm2,减收水果3730t,经济损失达1592万元。1979年,莱州市粮食产量5.20亿kg,受土壤盐渍化灾害加重的影响,1989年粮食产量减少为3.02亿kg。截止1991年,葫芦岛市海水入侵造成土壤盐渍化面积467hm2,粮食减产2250kg/hm2。5.3氟斑牙的流行海水入侵造成人口健康水平下降。由于淡水不断地咸化,海水入侵地区居民时常或常年饮用咸水,导致地方病流行。许多居民患有甲状腺肿大、氟斑牙等。根据1995年统计资料,莱州市和龙口市氟斑牙患者分别为15600人及798人。由于各种地方病增多,海水入侵影响地区的人口平均死亡率比非入侵区高1‰。6设置抽水场及隔水区为了预防与治理海水入侵,世界各国许多学者提出了各种见解和方法。诸如限制海岸带地下淡水开采量、在海岸带布置井排进行人工回灌、在海岸线附近布置一排抽水井形成抽水槽、沿海岸灌注某种物质形成隔水帷幕等。每种方法都有与之相矛盾的问题需要解决,而且在技术上和经济上是否可行,尚需视具体地区情况做出论证。20世纪90年代,中国海水入侵城市根据实际情况,采取了行之有效的海水入侵防治对策,取得了明显成效。例如,莱州市和龙口市采取了加强地下水管理、地下水补给工程、农田灌溉节水工程和远距离调水工程等措施,致使海水入侵速度明显减缓,个别地段海水入侵面积不再增加。6.1政策采取分类、从严管理,进一步加强沿海城市地下水开采管理20世纪90年代之前,地下水开采多处于无序状态。为了防止海水入侵面积继续扩大,沿海城市加强了滨海地区地下水开采的管理,严格执行取水许可证审批制度,严禁乱打井。严禁打深井,通过行政手段减少地下水开采量,将地下水开采量控制在允许开采范围内。6.2拦洪坝洪水补给地下水允许开采量是有限的。要想增加开采量,必须增加地下水的补给。增加地下水补给可以通过拦、蓄降水和地表径流来实现。如修建拦洪闸、渗井、渗渠等工程。莱州市的河流径流季节性变化强烈,径流主要集中在每年7～8月份,占全年径流量的70%～80%,而且河流源短流急,汛期洪水暴涨暴落,对地下水的补给非常不利。20世纪90年代,莱州市在河道中、下游修建了中、小型拦河闸(坝)10座,蓄水能力330万m3,并修建了输水渠,将洪水引入渗坑、渗渠、渗井等回灌工程。这些地下水补给工程总共投入1.5亿元人民币。在莱州市内的王河下游修建渗渠、渗井,就是一个典型的人工补给地下水工程。1990年之前,莱州市政府在王河下游2.9km长的河床上,开挖了渗渠122条、渗井244眼。渗渠长80m,宽2m,深2m,渗渠间距50m。在每条渗渠内开挖简易渗井2眼,井径2m,井深4～9m,挖穿上部粘土隔水层,进入砂砾层0.5～1.0m,井内和渗渠内充填卵砾石。1990年汛期的3次降水中,王河流域拦洪坝拦蓄洪水1523万m3,然后引入渗渠、渗井,并补给地下水。根据地下水水位观测资料,在历时144h内,入渗补给地下水量达31.7万m3。补给区地下水水位平均回升了3.17m,补给效果良好。6.3地下水防渗墙工程陆地地下淡水有一部分以地下径流形式输入海洋。如果能把这部分地下淡水利用起来,那么可以增加地下水可开采量。1995年,龙口市采用高压定向喷射灌浆方法,在八里沙河下游和黄水河下游修建了地下水防渗墙,防渗墙长6km,宽2～3m。建成了2个地下水库。其中黄水河地下水库总库容达5239万m3,最大调节库容达3329万m3,可以使180km2区域内的地下水水位平均回升2.5m。地下水库建成后,不仅阻止了海水入侵的发展,而且缓解了龙口市部分地区的饮用供水紧张局面。6.4灌溉节水工程节水最有潜力的部门是农业。因为农业灌溉方式比较落后,农田灌溉定额普遍比较高。莱州市采取了一系列有效措施,降低农田灌溉定额。包括大畦改小畦、渠道防渗、发展低压管道灌溉和微灌。这项农业灌溉节水工程总投入1.8亿元人民币。根据多年实践,半固定式低压管道灌溉每年可以节约用水900m3/hm2左右。微灌每年可以节约用水3000m3/hm2左右。目前,莱州市已经发展低压输水管道灌