国内外海水入侵研究的现状与进展

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：海水入侵引起了世界广泛的关注，逐渐发展成为全球性的热点问题。高浓度溶质对淡水水体的侵染已经成为最重要的环境问题，滨海地区海水入侵就是其中之一。滨海地区海水入侵研究具有重要的实际和理论意义。黄河三角洲严峻的水资源与环境问题，成为国内外研究关注的热点。

世界各国的滨海地区几乎都是人口高度密集区，全世界有一半的人口居住在滨海地区，而且10个大城市中就有8个位于滨海地区。大量的用水需求对地下水资源造成了巨大的压力含水层受到了废物和生活污水以及污染物淋滤的威胁，同时，地下水水位的降低又造成了地面沉降。在干旱和半干旱地区，地下水作为唯一的淡水资源，在用水高峰期（如旅游季节）面临的问题尤为严重（Post，2005）。2004年，卡特里娜飓风和印度洋海啸引发海水入侵问题，继而产生一系列资源、环境和生态问题。海水入侵引起了世界广泛的关注，逐渐发展成为全球性的热点问题。与此同时，全球气候变化引起的海平面上升，人口的增加和经济的发展，污染物造成的水质恶化、河流补给减少等问题会造成海水进一步向内陆扩张，进而造成淡水资源的污染，对滨海地区人类生产、生活造成严重的影响。

目前，海水入侵理论和应用研究受到世界范围内诸多学者的广泛关注，准确定量描述咸淡水过渡带的溶质迁移转化规律，预报海水入侵动态发展，是当今水文地质领域非常重要的前沿方向，也是海岸带开发保护的重要基础研究，对滨海地区地下水保护有着重要现实意义（韩冬梅，2009）。

在研究如何建立准确可靠的海水入侵预测模型去定量评价海水入侵的发展趋势，必须要考虑浓度等条件引起流体密度变化，即建立变密度地下水渗流溶质运移模型。目前，在建立滨海地区海水入侵模型时并不考虑地表水与地下水的交互过程，只是简单地将降水量与降水入渗系数的乘积作为入渗补给，大大影响模型精度，因此滨海地区变密度地下水流溶质运移模型与分布式水文模型耦合模拟海水入侵趋势是一种很必要的尝试，也会是未来研究发展的主体方向。

（1）受到变密度驱动的水流过程在自然系统中起到非常重要的作用。流体力学中，流体被认为是一个与密度相关的有效连续介质，而密度是这种介质最重要的属性，其时空变化是密度驱使的流体问题中最基础的问题。在变密度系统中，有多种物理机制的流体模式，相关的数学模型中都存在着非定解现象，求解时伴随着波动和震荡（Diersch和Kolditz，2002）。在模型求解这种复杂系统时如果不考虑密度这一重要属性，就会影响结果精度甚至造成结果完全错误。

在所有密度驱使流体问题中，孔隙介质中变密度流与溶质运移受到了越来越多的关注。高浓度溶质对淡水水体的侵染已经成为最重要的环境问题，滨海地区海水入侵就是其中之一。滨海地区含水层有较特殊的水文地质特征，流动受浓度梯度的影响非常大（变密度流），由于淡水和咸水组成的差异，在混合区会形成不同的水质特征。由于处于地质活动强烈的环境，地下水类型通常受长时间地质作用（如海平面波动）的影响。

（2）地表水与地下水耦合模拟已成为国际水文水资源研究的热点。地表水与地下水的转化机制及耦合模拟，是水资源合理利用与有效管理的科学基础，也是当今“全球水系统项目（GWSP）”的重要前沿性问题之一。人类活动的影响，使得现代水循环已经不同于自然状态下的水循环模式，其变化给区域经济社会可持续发展和生态环境的保护带来极大挑战。随着全球变暖和极端天气事件的频繁发生，气候变化及其对区域水循环和水资源的影响也受到越来越多的关注。因此，探讨变化环境下的水循环与水资源演化规律，及其相关的资源环境问题，已逐渐成为当前国际水文水资源界研究的热点。

目前，国际上已提出许多关于水循环的大型科研计划，如国际地圈生物圈计划（IGBP）、世界气候研究计划（WCRP）、国际水文学计划（IHP）等，并相继实施了全球能量与水试验（GEWEX）、水循环的生物圈方面（BAHC）项目以及全球水系统项目（GWSP）等（夏军，2002，2009；胡立堂，2007；胡俊锋，2004）。这些项目分别以不同尺度研究水循环关键过程之间的联系与反馈机制和水循环系统的整体适应性问题。而地表水与地下水的转化机制及耦合模拟是其中一个重要方向。全面认识地表水和地下水转化机制，准确模拟地表水与地下水的交互转换过程，将两者作为一个整体循环系统，才能全面描述区域（或流域）水循环的动力过程，合理地评价、利用与有效管理水资源，并在变化环境下科学地评估和分析水循环系统的变化。

（3）滨海地区地下水溶质运移的研究既要考虑变密度又要考虑地表水地下水的相互作用。在滨海地区水文循环过程中，淡水水体经常会与变密度地下水流产生交互作用，例如干旱地区、河口或滨海地区。了解地表水地下水的交互问题对于进行高效的水资源管理起到至关重要的作用（Sophocleus，2002）。目前，大多数学者关注于地下水与河湖水交互作用（Winter，1999；Sophocleus，2002），地表水与地下水水力学（Winter，1999；Schubert，2002）或者生物地球化学的交互过程（Jacobs等，1988；Bourg和Bertin，1993；Dousson等，1997），而对在变密度流影响下的地表水与地下咸水交互所带来的影响研究较少。

传统的变密度渗流溶质运移模型例如河口或海水入侵模型不考虑地下水与地表水的交换，或是交换可以看作是一个简单的源汇项（Wang等，2003；Brown等，2003）。事实上在对河口或者滨海地区进行模拟时需要考虑变密度的情况，也同样需要考虑地表水与地下水渗流交换的情况，而大部分模型并不能同时满足条件，单纯的将两者分割开。Sophocleus（2002）在描述地表水地下水交互作用的综述中指出不考虑变密度在两者之间的作用在很多情况下显得过于简单甚至会影响结果的精度。基于此，本书选择将分布式水文模型与变密度地下水渗流溶质运移模型耦合，以提高河口以及滨海地区水循环及溶质运移过程模拟结果的准确性。

（4）开展黄河三角洲海水入侵模型研究具有重要的意义。滨海地区海水入侵研究具有重要的实际和理论意义。由于滨海地区经济的高速发展，对淡水资源的需求也越来越大，因而水资源短缺成为滨海地区的普遍问题。黄河三角洲位于环渤海经济圈和黄河经济带的交接地带，水资源问题成为该区域经济建设发展和生态环境保护的关键性制约因素。

黄河三角洲严峻的水资源与环境问题，成为国内外研究关注的热点。黄河三角洲地区多年平均降水量为554.5mm，人均占有水资源量仅为全国人均水平的12.32%，水资源供需矛盾十分突出。水资源时空分布不均，水资源优化配置和联合调度能力低，其供水水源过度依赖于黄河客水，地下淡水是三角洲地区非常宝贵的有限资源，而未来黄河来水量呈减少趋势，气候变化和海平面上升对三角洲地区淡水资源影响会愈来愈强烈，大大加速海水入侵并产生负面的生态效应，因此采取综合性的水资源管理对策来适应气候变化和海平面抬升对三角洲地区水循环的影响具有必要性和紧迫性。

黄河三角洲的水资源对气候变化非常敏感，水灾、旱灾、城镇化和生态多样性的损失都是潜在的威胁。本次研究重点在于变化环境下咸水对三角洲南部入侵的影响。三角洲的淡水基本上是以较薄的淡水透镜体形态浮在深度盐化的含水层之上，相当脆弱敏感，易受到气候变化的影响。同时，河流淡水供应量的减少、蒸发量的增加和海平面上升也会增加海水入侵及其对生态环境、农业和饮水供应的影响。虽然海水入侵机制方面的研究较多，但是本项研究旨在寻求定量确定特定区域范围内现状和未来几十年海水入侵的变化趋势，分析生态农业效应，从而提出适应性的管理对策。

国内外海水入侵研究的现状与进展

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