深圳填海工程對(duì)海水入侵的影響研究

余海忠 馮書才

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074； 2.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518029)

深圳填海工程對(duì)海水入侵的影響研究

余海忠1，2馮書才2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074； 2.深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518029)

分析了填海工程對(duì)地下水流動(dòng)系統(tǒng)的影響和對(duì)地下水物理化學(xué)特征的影響，并通過有限元數(shù)值模擬的方法，研究了深圳地區(qū)填海工程對(duì)于海水入侵的影響，結(jié)果表明，當(dāng)填海材料的滲透性越低、填海的規(guī)模越大、地下水位上升的越高時(shí)，咸淡水分界面往海洋方向移動(dòng)的距離就越大，填海工程對(duì)海水入侵有一定的阻擋作用。

海水入侵，地下水，填海工程，環(huán)境，生態(tài)

0 引言

20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)沿海地區(qū)城市的海水入侵現(xiàn)狀日趨嚴(yán)重，據(jù)國(guó)家海洋局監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，遼東灣北部及兩側(cè)的濱海地區(qū)海水入侵的面積已超過4 000 km2，萊州灣海水入侵面積已達(dá)2 500 km2[1，2]。監(jiān)測(cè)及研究結(jié)果[3-10]顯示在深圳地區(qū)也存在不同程度的局部海水入侵區(qū)，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)、生活產(chǎn)生了危害影響。然而，深圳作為沿海經(jīng)濟(jì)特區(qū)，土地資源十分稀缺。隨著改革開放不斷推進(jìn)，土地資源的貧乏制約了深圳的進(jìn)一步發(fā)展，深圳只能通過填海來不斷提供新的發(fā)展用地。深圳的海岸線不停地在向外延伸，這也就意味著深圳不同于其他沿海城市，其海水入侵的研究還要考慮填海工程的影響。國(guó)內(nèi)其他城市在這方面的研究比較少，因此本文將通過分析填海工程對(duì)地下水流動(dòng)系統(tǒng)的影響和對(duì)地下水物理化學(xué)特征的影響，并通過有限元數(shù)值模擬的方法，來研究不同情況下填海工程對(duì)海水入侵的影響情況。

1 深圳填海工程概況

1.1 深圳填海工程的現(xiàn)狀及規(guī)劃

改革開放以來，尤其是20世紀(jì)90年代中后期以來，深圳地區(qū)的填海工程在東部的鹽田港片區(qū)和西部的寶安機(jī)場(chǎng)片區(qū)蓬勃展開，到2005年為止，填?？偯娣e超過了30 km2， 2005年—2010年，又完成了約30 km2的填海。

2011年—2020年正在進(jìn)行和將要進(jìn)行的填海工程主要包括：機(jī)場(chǎng)二跑道填海工程二期(8 km2)、大鏟灣集裝箱碼頭填海工程三四期(8.1 km2)、鹽田港填海工程(東港區(qū)新建2.1 km2)、壩光精細(xì)化工園填海工程(7.4 km2)、海上田園風(fēng)光填海工程(4.5 km2)、福田保稅(擴(kuò)展)區(qū)填海工程(4.2 km2)、寶安綜合港填海工程(2.5 km2)、大鏟灣碼頭陸域填海工程(8.1 km2)、大鏟灣后方陸域倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)(2.7 km2)。

到2020年，深圳總的填海面積將達(dá)到100 km2。

1.2 填海材料及工藝

填海工程所用填筑材料，因工程需要及材料來源不同，也各有不同。一是采用填石，主要由含少量粉質(zhì)粘土的花崗巖大塊石組成；二是采用素填土，如細(xì)砂或含少量碎石的粉質(zhì)粘土為填筑材料；三是采用雜填土，以建筑垃圾及碎塊石為主，混有少量粘性土。

深圳填海工藝主要有以下幾種填筑方式：

1)擠淤法。利用拋石或填土，采用“龍?zhí)ь^”的方法逐漸向前推進(jìn)，從而將海底流塑狀淤泥向外擠出填土區(qū)。目前大多填海工程采用的是這種擠淤法。采用擠淤法填海的場(chǎng)地往往還要進(jìn)行強(qiáng)夯處理。

這種方法由于填土多呈松散狀，其成分多為碎塊石，其中細(xì)顆粒成分一般不多，因此淤泥中賦存的咸水則進(jìn)入填土層下部大孔隙中，從而保存下來。若填土區(qū)暴露時(shí)間長(zhǎng)，接受大量大氣降水的入滲補(bǔ)給，其咸水上部可形成一定厚度的較淡水。

2)換填法。首先采用絞吸船將海底淤泥全部清理出來，然后填上合乎一定技術(shù)要求的砂土至水面以上，再對(duì)砂層進(jìn)行密實(shí)加固處理(寶安國(guó)際機(jī)場(chǎng)二期工程機(jī)場(chǎng)跑道區(qū)即采用這一方法)。這種方法雖然滿足了工程清淤的要求，但咸水卻基本留于砂層孔隙中，若上部覆蓋混凝土，不加任何處理則這部分咸水將會(huì)長(zhǎng)時(shí)間滯留于砂層中。

3)排水固結(jié)法。首先采用拋石擠淤或爆破擠淤修筑圍堤，將海水抽干，然后在淤泥上鋪上經(jīng)編復(fù)合土工布，再填砂墊層，插入排水板，最后采用堆載預(yù)壓和(或)真空預(yù)壓的辦法，使淤泥層中的咸水?dāng)D出排走，這樣使淤泥層得以加固處理。經(jīng)處理后的土層中仍殘留有部分咸水。

2 填海工程對(duì)地下水系統(tǒng)的影響

2.1 填海工程對(duì)地下水流動(dòng)系統(tǒng)的影響

填海造地行為可以明顯改變?cè)瓉淼牡叵滤a(bǔ)、徑、排條件。大規(guī)模填海對(duì)地下水流動(dòng)系統(tǒng)的影響有以下幾方面：1)大規(guī)模填海后，海岸線向海移動(dòng)，延長(zhǎng)了地下水向海水排泄徑流途徑，增大了地下水接受補(bǔ)給的面積，從而增加地下水資源量，最終導(dǎo)致內(nèi)陸地下水位抬高；原濱海區(qū)及部分填海區(qū)中的地下水將不斷淡化，這將改變?cè)叵滤c海水的咸淡水界面，經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間后，該界面會(huì)向海發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)而達(dá)到新的平衡。2)地下水位和咸淡水界面受填海影響的程度主要取決于填海的規(guī)模和填海材料的滲透性。當(dāng)填海材料的滲透性較低，填海的規(guī)模較大時(shí)，地下水位上升的越高時(shí)，咸淡水分界面往海洋方向移動(dòng)的距離就越大。3)填?；顒?dòng)使得海岸線向海洋方向移動(dòng)，實(shí)際是增大了地下水補(bǔ)給區(qū)的面積，補(bǔ)給量增加，相應(yīng)地下水排泄量也增加。其中，地下水潛水往海洋的排泄量減少，而以泉水形式的排泄量會(huì)增多，泉眼的位置主要分布在原海岸線與填海區(qū)界線附近，形成地下水溢出帶。填海后因?yàn)闈撍ㄟ^填海區(qū)向海排泄量減少，會(huì)使?jié)B流場(chǎng)重新分布，更多的潛水將集中向未填海的海岸帶。4)填海對(duì)地下水系統(tǒng)的影響程度取決于諸多因素，如原濱海含水系統(tǒng)特征(潛水或承壓水)、填海規(guī)模與填土滲透性。雖然填?？梢粌赡陜?nèi)完成，但填海工程對(duì)地下水系統(tǒng)的影響是相當(dāng)漫長(zhǎng)的非穩(wěn)定過程。

2.2 填海工程對(duì)地下水物理化學(xué)特征的影響

褐紅的風(fēng)化花崗巖填土與青灰色海底淤泥則表明兩者有著極為不同的化學(xué)成分與環(huán)境，如填土多富含氧化鐵，原處于氧化環(huán)境中；海底淤泥富含重金屬與有機(jī)質(zhì)，處于還原環(huán)境中。填海工程不僅使得地下水咸淡水界面向海推進(jìn)，也使填海區(qū)的沉積環(huán)境受到了較大的擾動(dòng)，填海區(qū)淤泥經(jīng)歷了嫌氧環(huán)境→氧化環(huán)境→嫌氧環(huán)境的變化過程，在這些過程中，區(qū)域沉積物與水體間的重金屬沉淀溶解平衡、吸附解吸平和、絡(luò)合平衡被打破，地下咸水逐漸被淡化，同時(shí)還伴隨著復(fù)雜的離子交換過程和水動(dòng)力彌散過程。

1)離子交換過程。在殘留海水被地下水逐漸取代的過程中，地下水中的Ca2+，Mg2+以及海水中的Na+之間將會(huì)發(fā)生離子交換反應(yīng)。

2)酸性硫酸鹽土生成與重金屬釋放化學(xué)過程。填海過程中，填土中氧化鐵和還原性的硫化物在水的作用下將會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

Fe2O3+4S2-+6H+→FeS2+3H2O+2e-

而酸性硫酸鹽土FeS2是一種非?；顫姷奈镔|(zhì)，它只能在還原條件下存在，而在填海后，咸淡水界面向填海區(qū)移動(dòng)，原來還原性的殘留海水將被別的地下水所代替，一旦略微氧化的地下水接觸到填海區(qū)的酸性硫酸鹽土，將會(huì)發(fā)生下面一連串的反應(yīng)：

FeS2+7/2O2+H2O→Fe2++2H++2(SO4)2-

Fe2++1/4O2+H+→Fe3++1/2H2O

FeS2+14Fe3++8H2O→15Fe2++16H++2(SO4)2-

以上這些反應(yīng)將會(huì)對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，另外，由于反應(yīng)過程中產(chǎn)生了酸性環(huán)境，將會(huì)導(dǎo)致原本淤泥表面吸附的大量重金屬釋放到水體中，水體中的重金屬含量將會(huì)增加，水體中生物的生存環(huán)境將會(huì)受到嚴(yán)重污染，但這些重金屬永遠(yuǎn)不會(huì)自然生物降解，因?yàn)橹亟饘僭趧?dòng)物和人體內(nèi)都有富集過程，它會(huì)隨著生物鏈進(jìn)入嗜吃魚蝦蟹蚌的人體內(nèi)，危害人們的身體健康。

3 填海工程對(duì)海水入侵影響的數(shù)值模擬

3.1 建立數(shù)值模擬模型

根據(jù)填海區(qū)地層分布、含水性質(zhì)、賦存條件及水力特征，可建立這樣的數(shù)值模型：①素填土和淤泥質(zhì)粘土，在模型中定義為弱透水層；②中砂，在模型中定義為第四系含水層；③砂質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土，在模型中定義為弱透水層；④全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化混合巖和全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，定義為基巖裂隙含水層。主要模型參數(shù)見表1。利用改進(jìn)的Henry問題，模擬二維承壓含水層不同條件下地下水位變化海水入侵發(fā)展演化情況。

表1 數(shù)值模型主要參數(shù)設(shè)置表

3.2 人工開采條件下填海對(duì)海水入侵的影響

當(dāng)?shù)谒南岛突鶐r裂隙中的地下水被開采后，形成了以水源井為中心的開采漏斗，地下水位將低于海水水位，從而引起海水入侵。通過模型預(yù)測(cè)，Cl-250 mg/L濃度線兩個(gè)半月后到達(dá)開采井位置，海水到達(dá)水源井后，以水源井為中心形成開采漏斗，水源井以北的陸域地下水位高于開采井的地下水位，海水入侵的范圍逐漸趨于穩(wěn)定。模擬表明在人工填海的情況下，海水入侵影響程度與沒有填海時(shí)是一樣的，填海對(duì)海水入侵影響不大，地下水開采才是海水入侵的主要原因。

3.3 無人工開采條件下人工填海對(duì)海水入侵的影響

由于沿海地區(qū)進(jìn)行人工填海，使得海岸線向陸域延伸，并因人工填海深度普遍達(dá)到一定厚度(平均13.5 m)，造成部分地區(qū)第四系含水層的滲透系數(shù)減弱，成為弱透水層。在沒有人工開采情況下，不能形成地下水漏斗時(shí)，陸域地下水的水位高于海域的水位，通過模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，海水入侵的范圍很小，沒有到達(dá)陸域范圍。

3.4 開采狀況下有無人工填海對(duì)海水入侵影響的分析

在人工開采或有地下水漏斗時(shí)，陸域地下水水位低于海域水位，在沒有人工填海作用下，模擬表明海水入侵的分界線(250 mg/L)在215 d內(nèi)運(yùn)移路徑為123.45 m；在有人工填海的狀況下，若不計(jì)算填海使海岸線向海域延伸的距離，模擬表明海水入侵的分界線(250 mg/L)在215 d內(nèi)運(yùn)移路徑為123.21 m。無人工填海海水入侵界線比人工填海后海水入侵界線多運(yùn)移0.24 m?？梢钥闯鋈斯ぬ詈?duì)海水入侵有一定的阻擋作用。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過以上的研究，可以得出如下結(jié)論：1)填海造地行為可以明顯改變?cè)瓉淼牡叵滤a(bǔ)、徑、排條件，引起內(nèi)陸地下水位抬高；咸淡水界面向海發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)。2)填海區(qū)的沉積環(huán)境受到了較大的擾動(dòng)，填海區(qū)淤泥經(jīng)歷了嫌氧環(huán)境→氧化環(huán)境→嫌氧環(huán)境的變化過程，填海區(qū)內(nèi)具有不同物理化學(xué)特征的水體與土體之間將會(huì)發(fā)生各類物理化學(xué)反應(yīng)。3)填海工程對(duì)填海區(qū)地下水、淤泥存在環(huán)境的擾動(dòng)，填海區(qū)地下水淡化和淤泥氧化還原條件的變化是影響重金屬元素遷移進(jìn)入水體的主要因素，另外填筑材料的進(jìn)一步風(fēng)化也是使地下水中重金屬含量增加的因素之一。4)通過對(duì)人工填海的垂向二維數(shù)值模擬，表明人工填海對(duì)海水入侵有一定的阻擋作用。

[1] 丁 玲，李碧英，張樹深.海岸帶海水入侵的研究進(jìn)展[J].海洋通報(bào)，2004,23(2):82-87.

[2] 成建梅，黃丹紅，胡進(jìn)武.海水入侵模擬理論與方法研究進(jìn)展[J].水資源保護(hù)，2004(2):3-8.

[3] 樊麗芳，陳植華.深圳濱海地帶海水入侵判定界限值的確定[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2004(2):16-19.

[4] 羅文藝，靳孟貴，劉延鋒，等.深圳南山區(qū)海水入侵綜合研究[J].海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài)，2007，23(9):8-12.

[5] 韓繪芳，蔣方媛，王 誼.海水入侵影響下的地下水化學(xué)演化及其指示意義——以深圳市寶安區(qū)為例[J].安全與環(huán)境工程，2009，16(4):1-5.

[6] 趙銳銳，成建梅，劉 軍，等.基于GIS的海水入侵危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法——以深圳市寶安區(qū)為例[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2009，28(5):96-100，108.

[7] 楊巧鳳，李文鵬，王瑞久.深圳沿海表層海水與地表水關(guān)系的地球化學(xué)分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010，37(1):45-49.

[8] 楊巧鳳，李文鵬，王瑞久.深圳大沙河河水與海水關(guān)系的水文化學(xué)識(shí)別[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010，37(2):32-35.

[9] 楊巧鳳，李文鵬，王瑞久.深圳沿海帶淺層地下水的穩(wěn)定同位素與地球化學(xué)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010，37(5):26-32.

[10] 殷建平，謝 強(qiáng)，孫宗勛，等.深圳沿岸海水入侵災(zāi)害現(xiàn)狀研究[J].海洋環(huán)境科學(xué)，2011，30(40):541-545.

The study on seawater intrusion affected by reclamation engineering in Shenzhen

Yu Haizhong1，2Feng Shucai2

(1.ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074,China；2.ShenzhenMunicipalDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shenzhen518029,China)

The influence of reclamation engineering on groundwater flow system and the influence on physical and chemical characteristics of groundwater were analyzed, and through the method of finite element numerical simulation, the effects of Shenzhen seawater intrusion under different circumstance of reclamation were studied. The research results show that, when the lower permeability of the filled medium, the bigger reclamation scale, the more high water level rose, the farther of the distance the interface between the fresh and brackish water moved to the sea. The reclamation project can play a part in the prevention of the seawater intrusion.

seawater intrusion， groundwater， reclamation engineering， environment， ecology

2014-11-26

余海忠(1971- )，男，在讀博士后，高級(jí)工程師； 馮書才(1954- )，男，高級(jí)工程師

1009-6825(2015)04-0056-03

X145

A