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第十三章地下水资源开发环境负效应及预防措施
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一、海水入侵的概念及产生原因
海水入侵(海水倒灌)是指海滨地区因过量抽取地下水,导致海水(或地下咸水)和地下淡水的天然平衡条件被破坏,从而引起海水向大陆含水层推移的一种有害水文地质作用,也就是由于陆地地下淡水水位下降而引起的海水直接侵染淡水层的自然现象。有时风暴潮或大涌潮覆盖陆域,也称之为海水入侵。
海水入侵灾害是指由于自然或人为原因,海滨地区水动力条件发生变化,使海滨地区含水层中的淡水与海水之间的平衡状态遭到破坏,导致海水或与海水有水力联系的高矿化地下咸水沿含水层向陆地方向扩侵,影响入侵带内人、畜生活和工、农业生产就地用水,使淡水资源遇到破坏的现象或过程。
滨海含水层在海岸线处与海水接触,在自然状态下,地下水补给海洋。在很多临近海洋的地区,随着对地下水需求量的日益增多,滨海含水层已成为重要的水源。地下水的开采,使得地下水对海洋的补给量日趋减少。当滨海含水层的抽水量超过补给量时,海岸附近地下水位下降,海水进入滨海含水层,并逐步向内陆推进,直至达到新的平衡为止。海水入侵对社会经济、环境和人民生活都能产生重大影响,已引起人们广泛地关注。
早在1855年就有关于伦敦海水入侵问题的报导,德国、荷兰和日本等国也都有类似的报导。20世纪70年代以来,我国也出现了零星的海水入侵,进入80年代中期,入侵范围逐渐扩大,情况日益严重。目前比较严重的地区有河北秦皇岛、辽宁大连、山东莱州、浙江宁波等地。
淡水和海水都是可溶混流体,它们之间的接触带是由于水动力弥散作用而形成的过渡带。在这个过渡带中,混合水的密度由淡水逐渐变化为海水密度。过渡带的宽度随地质条件和水动力条件而异。在某些条件下,过渡带的宽度相对于含水层的厚度比较小时,可以近似地把它看成不相溶混的两种流体的突变界面。如沿以色列海岸带的观测资料表明, 这种突变界面的假定是合理的,但较宽的过渡带也是存在的。如山东莱州的观测资料表明,界面平缓不清晰,界面附近浓度变化缓慢,甚至有起伏。对于过渡带很宽的情况,突变界面的假设就不合适了,这时需用水动力弥散理论来研究过渡带发生、发展和运动情况。
近年来对山东龙口-莱州地区海水入侵的研究表明[薛禹群等,1992],造成海水入侵的主要原因是过量开采地下水。当淡水的开采量超过其补给量时,截断了原先向海洋排泄的淡水流,降低了海岸附近的地下水位,导致咸水模楔体向陆地推进,直至达到新的平衡。因而,海水入侵与抽水量大小、抽水井的分布及地下水开采利用方式有密切关系。用水量偏大、地下水补给量偏小将造成地下水位大幅度下降,出现大面积地下水位低于海平面的负值区,海水入侵则沿着负值区发展。海水入侵的分布与强抽水中心的位置有关,咸淡水界面沿海岸线逐渐向抽水中心移动,入侵带宽度逐渐增大,直至抽水中心为止。如强抽水中心向陆地方向移动,海水入侵将继续向前推进,直至形成新的平衡。海水入侵方式,依据咸淡水接触关系的几何形态主要有面状入侵体、带状入侵体、管状入侵体、舌状入侵体和锥状入侵体等。
在第四纪松散沉积的透水性比较均匀的含水层中,海水入侵可呈“面状”推进。沿古河道岩层导水性好,是海水入侵的有利途径,形成沿古河道深入的“带状”入侵。在基岩区的断裂带和岩溶发育带,海水入侵可呈“管状”入侵。咸淡水界面的形状与抽水井的分布和管理运用方式有关。在抽水量大、流量相对稳定的抽水井的集中地段,咸淡水面较清晰陡峻;在抽水井分散、单井抽水量小、抽水相对不稳定的地段,咸淡水界面平缓,不够清晰。以上第一种情况多出现在工业用水集中区和供水水源地的附近,第二种情况多出现在农业用水区。在上述类似地区,限制地下水开采是控制海水入侵的基本途径。
海水入侵发生主要原因除了人为因素影响之外,特定的自然环境引发影响也不能忽视。经调查分析,通常发生海水入侵的原因有下列因素构成:人为因素、气候因素、地质因素、地理环境因素。
人为因素包括超采地下水、上游蓄水、盐田扩建、陆地海产养殖等。而地质条件决定了海水入侵的方式、类型和发生强度。其内容包括地层结构、构造发育程度、地质历史事件影响等。
另外,还有气候原因,如干旱、风暴潮等此外还有地理环境因素。自然灾害的类型及强度与其所处地理环境相关,即使同一类型的自然灾害由于地理环境差异的影响其强度也具有很大差异,如河流短坡降大、滨海低地面积大的地区容易发生海水入侵等。
二、海水入侵调查
海水入侵勘查目的是通过对海水入侵状况、发展趋势和海水入侵对环境的影响等进行勘查和观测,认识海水入侵灾害及其形成规律,为海水入侵的防治提供基础地质资料。
勘查工作应遵循的一般原则是,海水入侵具有隐蔽性、且影响海水入侵的因素很多,单一的方法勘查研