淡水帷幕防治海水入侵的國際經(jīng)驗(yàn)

王 輝，許學(xué)工

(1. 北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，北京 100871； 2. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

海岸帶含水層是維系海岸社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)運(yùn)行和發(fā)展的重要基礎(chǔ)自然資源，海岸社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的淡水需求很大程度上依賴海岸含水層地下水的供給。改革開放以來，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口的過度聚集，對淡水資源的需求快速增加，我國沿海一些地區(qū)地下水嚴(yán)重超采，海岸含水層出現(xiàn)逐漸疏干的問題，這會(huì)使得當(dāng)?shù)氐叵滤徊粩嘞陆?、海水入侵致使其鹽分含量逐步上升[1,2]。水位下降導(dǎo)致部分抽水井逐漸干枯、廢棄，而鹽分含量上升使得咸化的地下水不再適宜于灌溉、飲用以及工業(yè)生產(chǎn)等用途[3]。海岸含水層喪失了其功用，導(dǎo)致了嚴(yán)重的社會(huì)危機(jī)。因此，尋求地下水的合理利用以及海水入侵的防治途徑是海岸含水層開發(fā)與保護(hù)問題的焦點(diǎn)。

海水入侵的防治是海岸地下水優(yōu)化利用的一個(gè)重要方面，其防治措施包括減少地下水開采量、調(diào)整開采井群結(jié)構(gòu)、淡水帷幕、實(shí)體帷幕、抽水帷幕、氣體帷幕等[4-9]。其中，淡水帷幕是指通過人工回灌地表水等提高地下淡水水位，使得地下淡水水頭高于臨近的咸水水頭，重新建立起由陸地指向海洋的正向水力梯度，由此建立起阻止海水向陸入侵的“水力墻”，這種“水力墻”稱為淡水帷幕。在所有的海水入侵工程性治理措施中，淡水帷幕是較為有效的途徑。例如，Allow采用三維有限差分模型和變密度溶質(zhì)輸移模型SEAWAT來模擬海水入侵治理措施的防治效果，發(fā)現(xiàn)淡水帷幕修建后含水層鹽度下降比實(shí)體帷幕明顯，淡水帷幕防治海水入侵效果優(yōu)于實(shí)體帷幕[10]。Nishikawa等采用基于SUTRA的溶質(zhì)輸移模型模擬了洛杉磯多明戈斯地區(qū)3種海水入侵管理情景的相對效果。這3種情景分別為：維持現(xiàn)狀；50 m深的實(shí)體帷幕；通過淡水帷幕井將陸地含水層水位提升到海平面以上7.6 m。模型模擬結(jié)果表明，淡水帷幕措施海水入侵防治效果最好，且當(dāng)海平面上升1 m的情況下，(水位提升到海平面以上7.6 m)淡水帷幕措施仍能有效地控制海水入侵[11]。Park等采用突變界面模型和遺傳算法構(gòu)建模擬-優(yōu)化模型來研究淡水和咸水利用優(yōu)化問題，發(fā)現(xiàn)在保護(hù)開采過度的淡水井方面淡水帷幕要比抽水帷幕更為有效，而且能夠在地層中保留下更多的淡水，應(yīng)該在海水入侵防治措施中被優(yōu)先考慮[12]。Sun等采用TOUGH2/EOS7軟件，對承壓水層淡水帷幕和壓縮氣體帷幕海水入侵治理效果進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，結(jié)果表明淡水帷幕比氣體帷幕的海水入侵治理效果要好，同時(shí)也指出了淡水帷幕的實(shí)施受地表水源可得性以及價(jià)格的限制[8]。

雖然淡水帷幕在治理海水入侵上優(yōu)勢明顯，但是其構(gòu)建需要兩個(gè)基本條件，一是增加地表的入滲能力，二是有保證的地表水源用于回灌。下面分別從這兩個(gè)方面來梳理淡水帷幕營建的相關(guān)國際經(jīng)驗(yàn)，以為我國海水入侵淡水帷幕治理措施的發(fā)展提供借鑒。

1 淡水帷幕的構(gòu)建方式

淡水帷幕的建立依賴地下水人工回灌(Artificial Recharge)或回灌加強(qiáng)(Recharge Enhencement)工程的實(shí)施。地下水回灌加強(qiáng)主要采取3種方法實(shí)現(xiàn)：滲流盆地、回灌井[13]以及攔河壩促滲[14,15]。

1.1 滲流盆地

突尼斯東北部地區(qū)Korba含水層補(bǔ)給是通過構(gòu)建滲流盆地的方法來實(shí)現(xiàn)的[16]。2008年12月，突尼斯政府為增加地下水資源量、提高地下水水位、改善地下水水質(zhì)、治理海水入侵問題等綜合目的而啟動(dòng)了一項(xiàng)地下水管理工程計(jì)劃。該計(jì)劃即為Korba含水層的滲流盆地人工補(bǔ)給地下以及地表水-地下水聯(lián)合管理項(xiàng)目。該項(xiàng)目建造了3個(gè)滲流盆地，其中包括2個(gè)工作池和一個(gè)備用池。每個(gè)滲流盆地面積均為1 500 m2，由直徑0.2 m的水渠將水從修建于高處的儲(chǔ)存能力達(dá)300 m3的緩沖水箱中依靠重力作用引入。3個(gè)滲流盆地依據(jù)場地滲流條件以及堵塞狀況輪流工作。滲流盆地的使用改善了回灌地下的再生水的水質(zhì)。

滲流盆地對入滲場地條件有很高的要求，包括地表與潛水位間沒有明顯的隔滲層，需要在地面挖掘出淺的滲坑、滲盆等構(gòu)筑物以收集儲(chǔ)存地表水，并依靠良好的垂向滲流場地條件而使地表水轉(zhuǎn)化為地下水等，因而限制了它的進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。

1.2 回灌井

不同于滲流盆地的自然滲透，回灌井法需要改造垂向連接地層，將弱透水層如黏土等挖穿，采用生產(chǎn)井或?qū)ｉT的回灌井來補(bǔ)充地下水，因而使得地表水回補(bǔ)地下的效率大大增加。

南加州洛杉磯縣淡水帷幕防治海水入侵工程就是采用回灌井方式建成的[17,18]。為抵抗海水入侵危害，洛杉磯縣洪水控制區(qū)(Los Angeles County Flood Control District, LACFCD)于1951年在Manhattan海岸通過廢棄井將淡水注入承壓水層開展淡水帷幕實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明這種方法是可行的。隨后又使用更多的回灌井開展了一系列的淡水帷幕營建實(shí)驗(yàn)。在相關(guān)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，于1953年開始在洛杉磯縣最終建造了3個(gè)淡水帷幕工程，分別是西海岸盆地淡水帷幕工程(West Coast Basin Barrier Project)、多明戈斯谷地淡水帷幕工程(Dominguez Gap Barrier Project)和阿拉米托斯谷地淡水帷幕工程(Alamitos Gap Barrier Project)[11, 17-18]。這3個(gè)淡水帷幕工程總長度將近2.77 萬m，由290口回灌井和773口觀測井組成。淡水被回灌地下最深達(dá)213.36 m，回灌水源既包括飲用水也包括循環(huán)再生水，2008年全年回灌地下的淡水總量超過了1.042 億m3。淡水帷幕工程自建造以來已經(jīng)成功運(yùn)行超過60 a[18]。南部相鄰的奧蘭治縣塔爾伯特淡水帷幕工程(Talbert Barrier Project)由28口回灌井組成，自1975年建成以來，一直運(yùn)行良好[19]。

阿曼的Salalah地區(qū)也采用回灌井方式將處理過的地表再生水通過40 m深的回灌井注入地下構(gòu)筑淡水帷幕，治理海水入侵。在Salalah地區(qū)，有40口回灌井以及40口觀測井分布在距海岸線1.5～2 km范圍內(nèi)，回灌井與觀測井一一對應(yīng)，回灌井井間距為300 m，回灌井與觀測井井間距為3～5 m。觀測井用來觀測地表水回灌地下期間回灌井周圍地下水水位以及水質(zhì)變化狀況[20]。此外，突尼斯東部Teboulba含水層采用生產(chǎn)井將Nebhana壩收集的地表雨水回灌地下，使得當(dāng)?shù)氐叵滤缓退|(zhì)在回灌期內(nèi)都產(chǎn)生了明顯的好轉(zhuǎn)，海水入侵問題得到治理[21]。1972-1978年，該地區(qū)總共回灌補(bǔ)源地下152 萬m3地表水。由于這一期間持續(xù)不斷的回灌，1978年水位調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)1971年時(shí)還存在的地下水漏斗區(qū)消失，回灌中心區(qū)地下水位上升到海平面以上5 m，回升幅度達(dá)30 m以上。距離回灌中心區(qū)越遠(yuǎn)，地下水位回升幅度越小。1992-2000年，回灌補(bǔ)源工程重新開始運(yùn)行，在此期間總共回補(bǔ)地下水量達(dá)176 萬m3。1994年地下水水質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，回灌期間在回灌中心區(qū)出現(xiàn)一個(gè)低礦化度值區(qū)域，其礦化度值﹤2 g/L，遠(yuǎn)小于周邊3 g/L左右的鹽度值；2000年，當(dāng)?shù)厮徽{(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)地下水漏斗區(qū)范圍變窄，回灌中心區(qū)水位上升約13 m。

采用回灌井法構(gòu)筑淡水帷幕需要解決回灌井堵塞(Clogging)的問題[10]?；毓嘌a(bǔ)源工程運(yùn)行期間，為了防止回灌井的堵塞，地表雨洪水在回灌地下前經(jīng)過了過濾裝置的處理。此外，如何解決農(nóng)民因征用其生產(chǎn)井用于回灌所帶來的抵觸情緒也是一個(gè)需要解決的問題[21]。

1.3 攔河壩促滲

除了滲流盆地和回灌井，回灌加強(qiáng)還可以采用建立攔河閘壩延長地表水入滲時(shí)間，從而最終增加地表水入滲量的方法來實(shí)現(xiàn)。主要依靠河床以及水位提升后淹沒地段自然滲透補(bǔ)給含水層[14]。

葡萄牙南部Mexilhoeira Grande-Portim?o地區(qū)通過修筑堤壩加強(qiáng)河水的地下回灌，成功構(gòu)筑起了淡水帷幕，有效防治了海水入侵[15]。突尼斯Enfidha地區(qū)El Khairat含水層采用大壩截流的地表徑流水回灌地下，也產(chǎn)生了明顯的淡水帷幕治理海水入侵效果。河水回灌補(bǔ)源地下主要發(fā)生在大壩以下9.7 km的泄洪道上，其中能夠有效將河水引滲入地下的泄洪道長度約為6 km。2002-2005年間，通過El Khairat壩共將870 萬m3地表水引入地下含水層中。淡水回灌補(bǔ)源工程運(yùn)行之后，地下水監(jiān)測資料表明當(dāng)?shù)貪撍黄毡榛厣?.4～2.63 m，而含水層深部測壓管水位則回升3.82 m。實(shí)施回灌之后，回灌中心附近地下水水質(zhì)整體上表現(xiàn)為低于2 g/L的低礦化水，而遠(yuǎn)離回灌中心的近海岸地區(qū)則表現(xiàn)為超過3 g/L的高礦化水[22]。阿曼的AIKhod大壩也顯著地發(fā)揮了防治海水入侵的效益[14]。AIKhod大壩修建于1983-1985年，位于Samail流域的下游，距海約7 km。由于AIKhod大壩對周期性徑流的控制，優(yōu)化了地表水的入滲，起到了人工促滲的作用。季節(jié)性來水先在AIKhod大壩前的水庫庫區(qū)內(nèi)儲(chǔ)存起來，然后打開溢洪道緩慢而均勻地向下游排泄，經(jīng)過沉淀過濾的雨洪水徑流就流入AIKhod大壩下游的河床中，并逐步下滲補(bǔ)給潛水層地下水。通過這種方式，雨洪地表徑流中所含的細(xì)小顆粒物質(zhì)會(huì)沉積在AIKhod大壩前的水庫庫區(qū)內(nèi)，而不會(huì)沉積在AIKhod大壩后的下游河床中，從而有利于維持下游入滲河床的滲流能力。據(jù)估計(jì)，在比較濕潤的1997、2003和2005年，人工促滲地表水量分別為0.15、0.22和0.27 億m3，占到了當(dāng)?shù)氐叵滤觊_采量的40%～60%。AIKhod大壩建成后，地下水0 m等值線逐漸向陸移動(dòng)；當(dāng)?shù)氐叵滤}度在1997年時(shí)部分出現(xiàn)淡化，而到了2005年時(shí)則全部轉(zhuǎn)化為淡水。

地下水人工回灌也可以是ASR(Aquifer Storage and Recovery，地下水儲(chǔ)存與開采)系統(tǒng)的一部分[23,24]。ASR系統(tǒng)包含4個(gè)基本組成部分：用于回灌的地下水、促滲工程(回灌井等)、地下儲(chǔ)水層以及地下水開采設(shè)施。其中，促滲工程是關(guān)鍵，可通過滲流盆地以及回灌井等方式構(gòu)建[24]。ASR系統(tǒng)是由地下水人工回灌或回灌加強(qiáng)技術(shù)發(fā)展來的，是國際上先進(jìn)的地下水資源開發(fā)、利用與保護(hù)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于美國[24-25]、澳大利亞[13]等地。通過運(yùn)行良好的海岸帶ASR系統(tǒng)，既可以達(dá)到水資源供給的目的，又可以實(shí)現(xiàn)防治海水入侵的功效[24,25]。例如，美國南卡羅萊納Hilton Head 島在當(dāng)?shù)叵趟貙又薪⒘朔指粝痰木彌_區(qū)間[25]，構(gòu)建了一個(gè)化學(xué)邊界存儲(chǔ)方式[26]的ASR工程(Chemically-bounded ASR)。該ASR工程運(yùn)行表明，經(jīng)過126 d的開采后，注入地下的淡水其中一半已經(jīng)抽取出來，此時(shí)距離回灌井100 m的監(jiān)測井氯離子濃度為170 mg/L，相比較該監(jiān)測井518 mg/L的初始氯離子濃度下降很多，也低于安全飲用水的氯離子濃度界限值(250 mg/L)，取得了較好的海水入侵治理效果。其中，在第1次注水過程結(jié)束后，Hilton Head 島咸化地層監(jiān)測井氯離子濃度已經(jīng)降到了220 mg/L，在第2次注水過程結(jié)束后更是降到了40 mg/L，鹽分沖刷效果良好。經(jīng)過后續(xù)的開采過程，當(dāng)?shù)睾畬又宣}分含量會(huì)有所上升，但只要加強(qiáng)監(jiān)測、合理運(yùn)行，仍能夠達(dá)到理想的海水入侵治理效果[25]。

2 淡水帷幕營建所需水源

淡水帷幕的營建還需要可靠的用于回灌地下的水源保障，一般來自地表水，包括地表徑流、雨洪水，以及經(jīng)過處理的廢污水等。

2.1 地表徑流、雨洪水

Martinez-Santos等認(rèn)為通過相關(guān)措施將階段性雨洪水回灌補(bǔ)給地下可以有效防治海水入侵，并使得含水層的可持續(xù)利用得以實(shí)現(xiàn)[27]。

荷蘭利用河流徑流進(jìn)行人工回灌以維持海岸地區(qū)的地下水水動(dòng)力平衡，從而建立起防止海水入侵的淡水帷幕[28]，例如哈勒姆(Haarlem)(阿姆斯特丹)沙丘自20世紀(jì)60年代起就采用萊茵河水回灌地下，以保持地下水的平衡[29]，取得了良好的效果。佛羅里達(dá)西南部地區(qū)采用密集的水渠網(wǎng)絡(luò)在干旱季節(jié)將地表水源引入，水渠水的下滲在海岸地區(qū)形成了一道淡水帷幕，減緩了海水的入侵[17]。巴塞羅那Llobregat三角洲和低谷地區(qū)自20世紀(jì)40年代起就通過整理河道，促使河水入滲補(bǔ)給地下水來有效抵擋海水入侵；自20世紀(jì)60年代起又通過深井將多余的河水引入地下達(dá)到回灌加強(qiáng)的目的[29]。

2.2 中 水

突尼斯Korba含水層采用再生水回灌地下，阻止海水入侵。Korba廢污水處理采用3級處理方式完成，分別為：預(yù)處理，去除顆粒物質(zhì)以及低密度難溶物質(zhì)；2級處理，由4個(gè)通風(fēng)機(jī)或者4個(gè)攪拌機(jī)組成，促進(jìn)污染物質(zhì)的有氧去除；3級處理，由3個(gè)熟化池(總體積4.5 萬m3，總表面積3.62 萬m2)組成，經(jīng)過2級處理的廢污水會(huì)在其中儲(chǔ)存6～9 d，以除去其中的有機(jī)物質(zhì)。經(jīng)過3級處理的廢污水不能夠用作飲用水以及灌溉水，只能夠用于回灌水質(zhì)咸化的地下含水層。在2008年12月至2012年12月的4 a時(shí)間內(nèi)，共有141 萬m3再生水被引入地下，很好地提升了當(dāng)?shù)氐牡叵滤唬纳屏说叵滤|(zhì)。經(jīng)過4 a的運(yùn)行，Korba含水層內(nèi)有些地方地下水位回升了1.5 m，而在平行于海岸的一個(gè)2 km寬的帶狀區(qū)域內(nèi)地下水水質(zhì)也有顯著的改善[16]。

阿曼Salalah地區(qū)同樣采用經(jīng)過3級處理和氯化消毒的廢污水回灌地下，來穩(wěn)定咸淡水界面、控制海水入侵。2005年，該地區(qū)廢污水處理廠生產(chǎn)能力為1.5 萬m3/d，有效提供了用于回灌的地表水源保障[20]。自2007年起，巴塞羅那Llobregat三角洲和低谷地區(qū)沿著海岸修建了阻止海水入侵的回灌井工程，將經(jīng)過3級處理以及微濾、紫外線殺菌、反滲透削減礦化度等方式深度處理的廢污水回灌地下，構(gòu)建起了新的淡水帷幕工程[31]。南加州洛杉磯縣海水入侵防治淡水帷幕工程也采用經(jīng)過微濾、反滲透、氧化處理過的再生水回灌地下[18]。

2.3 地下水

除此之外，淡水帷幕構(gòu)建所需水源還可以來自地下水。Lu等通過假設(shè)穩(wěn)態(tài)和突變界面模型，模擬分析了抽水-注水系統(tǒng)(將抽取出來的部分淡水再重新通過位于咸淡水界面趾端與抽水井之間的回灌井注入地下，建立淡水帷幕的聯(lián)合系統(tǒng))最大抽水量以及相應(yīng)的咸淡水界面動(dòng)態(tài)平衡問題。模型模擬結(jié)果表明，對于一個(gè)20 m厚、滲透系數(shù)10 m/d、地下淡水入流量0.24 m2/d的含水層來說，抽水-注水聯(lián)合系統(tǒng)比單純的抽水系統(tǒng)可以提高50%的凈抽水量[5]。如此，則既提高了地下水抽水量，又無需另外的地表水源以構(gòu)建淡水帷幕，具有明顯的效益。加利福尼亞奧蘭治縣塔爾伯特淡水帷幕工程(Talbert Barrier Project)所用回灌水源中，30%～60%是循環(huán)再生水，其余則為深層地下水[19]。

Abd-Elhamid等提出了一個(gè)將抽取出來的地下咸水經(jīng)過反滲透咸水淡化處理以后再重新回灌補(bǔ)源地下以建立淡水帷幕的ADR方法(Abstraction, Desalination and Recharge)。該方法結(jié)合了抽水帷幕和淡水帷幕兩種海水入侵治理途徑，而且反滲透海水淡化裝置的應(yīng)用還解決了構(gòu)建淡水帷幕所需的地表水源這一制約因素，一舉兩得。采用動(dòng)態(tài)變密度有限元模擬與遺傳算法相結(jié)合的模擬-優(yōu)化方法比較了這3種海水入侵治理途徑的優(yōu)劣。模擬結(jié)果表明，ADR方法相比較單純的抽水帷幕以及淡水帷幕具有明顯的優(yōu)勢，所需成本最小，只占抽水帷幕成本的50%，淡水帷幕成本的25%；海水入侵治理效果也最好，含水層礦化度值分別比抽水帷幕和淡水帷幕低21和28 mg/L。其成本減小一方面是由于較小的抽水量以及注水量造成，而另一方面則是由于地下咸水淡化提供了用于回灌補(bǔ)源地下的地表水源所致。ADR方法中，回灌剩余部分淡水可以用于其他用途例如飲用、灌溉、工業(yè)生產(chǎn)等，也會(huì)產(chǎn)生額外的收益。當(dāng)然，隨著地下咸水鹽度的升高，反滲透咸水淡化成本隨之增高，ADR法成本開始上升，相對效益會(huì)逐漸下降[30]。

3 對我國淡水帷幕營建的借鑒意義

我國淡水帷幕防治海水入侵應(yīng)用還不廣泛，比較典型的例子是山東省萊州灣畔的朱家村[7, 31]。朱家村通過筑壩攔海、在新生成陸地上修筑滲渠、滲溝等攔蓄夏秋季雨洪水回灌地下，使得當(dāng)?shù)氐牡叵滤h(huán)境好轉(zhuǎn)，既解決了整個(gè)村莊的吃水問題，也使得受到海水入侵影響的土壤鹽漬化問題得以消除，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活重新回歸正軌。在這方面，我國相關(guān)研究和實(shí)踐都亟須加強(qiáng)。

回灌井法是國際上較為通用的淡水帷幕營建方式。我國可以借鑒的地方包括：重視觀測井的作用，加強(qiáng)對地下水位及水質(zhì)狀況的及時(shí)掌握；注意回灌水源的水質(zhì)問題，避免回灌井的堵塞；可以利用一部分生產(chǎn)井來進(jìn)行回灌，注意解決農(nóng)民對淡水帷幕工程的參與意愿問題；注重對承壓層淡水資源的利用以及人工回補(bǔ)，提高海岸含水層的地下水資源利用水平等。此外，回灌井淡水帷幕的效果受多個(gè)因素的制約，例如回灌井的位置、長度、回灌的水量、回灌地層的滲透系數(shù)等[10]，應(yīng)該注意回灌井的設(shè)計(jì)以及管理問題。例如，Luyun等通過室內(nèi)試驗(yàn)和地下水三維變密度動(dòng)態(tài)有限差分?jǐn)?shù)值模擬表明：非承壓水層淡水回灌補(bǔ)源發(fā)生在咸水楔趾部位置時(shí)海水入侵治理效果最好[32]。這些都對我國回灌井淡水帷幕措施的實(shí)行具有重要的指導(dǎo)意義。

此外，在我國沿海適宜地區(qū)，例如山東半島以及遼東半島等，應(yīng)該重視在獨(dú)流入海的丘陵山地小型水系的入?？谝陨线m當(dāng)位置，修筑攔河壩攔蓄夏季雨洪水，延長地表水在下游河道的入滲時(shí)間以及入滲水量，從而抬高河口平原區(qū)含水層的地下水位，起到淡水帷幕的作用。應(yīng)當(dāng)對現(xiàn)行的沿海河流上游筑壩攔截河水致使河道下游斷流、無地表水補(bǔ)給海岸海水層的現(xiàn)象予以糾正，保障下游河道的入滲水量，發(fā)揮下游河床入滲補(bǔ)給地下水、營建淡水帷幕的作用。

對于淡水帷幕的營建，除了雨洪水以外，經(jīng)過處理的廢污水也是可資利用的。而且考慮到其規(guī)模，這一水源也將會(huì)是淡水帷幕營建的重要開源途徑。除此之外，加強(qiáng)低礦化度地下咸水資源的脫鹽技術(shù)的研究與應(yīng)用也是解決淡水帷幕所需回灌水源的一個(gè)可行途徑，對于河北滄州等地下咸水廣布的海岸地區(qū)具有重要的意義。

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