黃渤海沿海地區(qū)地下水管理與海水入侵防治研究

吳吉春，吳永祥，林 錦，韓江波*

（1. 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210023；2. 南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029）

沿海地區(qū)人口密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速。地下水開(kāi)采等人類活動(dòng)和海平面上升導(dǎo)致許多地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的海水入侵問(wèn)題，引發(fā)地下水水質(zhì)惡化、土壤退化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展?？茖W(xué)管理沿海地區(qū)地下水，防止海水入侵加劇，已成為亟需解決的重要問(wèn)題。為此，2016年7月經(jīng)科技部批復(fù)正式立項(xiàng)“黃渤海沿海地區(qū)地下水管理與海水入侵防治研究”（2016YFC0402800），以不同類型海岸帶的海水入侵發(fā)生、演化、防治與地下水管理研究為主線，開(kāi)展專項(xiàng)研發(fā)攻關(guān)，探求高效的黃渤海沿海地區(qū)地下水管理模式與海水入侵適應(yīng)性管理對(duì)策。

1 研究背景與意義

我國(guó)約45%（全球約44%）的人口居住在沿海地區(qū)，國(guó)家重要的經(jīng)濟(jì)中心，如長(zhǎng)三角、珠三角及環(huán)渤海灣均分布在沿海地區(qū)，地下水開(kāi)采等人類活動(dòng)和海平面上升導(dǎo)致許多地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的海水入侵問(wèn)題，引發(fā)地下水水質(zhì)惡化、土壤退化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展?？茖W(xué)管理沿海地區(qū)地下水，防止海水入侵加劇，已成為亟需解決的重要問(wèn)題。

近十年來(lái)，隨著基礎(chǔ)理論、模擬技術(shù)、計(jì)算平臺(tái)及分析測(cè)試技術(shù)的迅速發(fā)展，海水入侵研究已從單一的地下水問(wèn)題發(fā)展為融合水文地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境、全球變化、工程管理等多學(xué)科交叉綜合研究問(wèn)題；從單一調(diào)查評(píng)價(jià)發(fā)展為結(jié)合地球物理探測(cè)、水文地球化學(xué)示蹤、3S技術(shù)、地下水優(yōu)化管理及防治工程等多技術(shù)的綜合性研究。不同類型海岸帶海水入侵發(fā)生機(jī)理與作用機(jī)制、海水入侵中水—鹽—介質(zhì)多過(guò)程模擬及耦合、海水入侵防治技術(shù)與地下水適應(yīng)性管理等科學(xué)技術(shù)問(wèn)題已引起國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的關(guān)注，必將成為今后的研究熱點(diǎn)。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 擬解決的重大科學(xué)問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

本項(xiàng)目面向國(guó)家水資源安全保障與高效利用的重大現(xiàn)實(shí)需求，以不同類型海岸帶的海水入侵發(fā)生、演化、防治與地下水管理研究為主線，重點(diǎn)解決3大關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題：①不同類型海岸帶海水入侵發(fā)生機(jī)理與作用機(jī)制；②海水入侵中水—鹽—介質(zhì)多過(guò)程模擬及耦合；③海水入侵防治技術(shù)與地下水適應(yīng)性管理

2.2 主要研究?jī)?nèi)容

針對(duì)上述問(wèn)題，本項(xiàng)目的研究重點(diǎn)：一是海平面上升和人類活動(dòng)影響下不同類型海岸帶海水入侵發(fā)生機(jī)理與演化規(guī)律研究；二是海水入侵多種復(fù)雜過(guò)程的耦合模擬模型與優(yōu)化技術(shù)研究；三是黃渤海沿海地區(qū)海水入侵綜合防治技術(shù)體系構(gòu)建和地下水適應(yīng)性管理模式研究。

具體開(kāi)展的主要研究?jī)?nèi)容包括：

①沿海地區(qū)海水入侵現(xiàn)狀調(diào)查評(píng)價(jià)；

②黃渤海不同類型海岸帶海水入侵發(fā)展演化規(guī)律研究；

③沿海地區(qū)地下水開(kāi)采與海水入侵作用機(jī)理研究；

④海平面上升對(duì)沿海地區(qū)海水入侵的影響研究；

⑤黃渤海沿海地區(qū)海水入侵水環(huán)境效應(yīng)研究；

⑥海水入侵模擬與預(yù)測(cè)技術(shù)方法及軟件平臺(tái)研發(fā)；

⑦沿海地區(qū)地下水開(kāi)采優(yōu)化調(diào)控技術(shù)研發(fā)；

⑧黃渤海沿海地區(qū)海水入侵綜合防治與管理對(duì)策研究；

⑨渤海沿海典型區(qū)海水入侵防治技術(shù)研究與應(yīng)用示范；

⑩黃海沿海典型區(qū)海水入侵防治技術(shù)研究與應(yīng)用示范。

2.3 技術(shù)路線

以我國(guó)沿海地區(qū)海水入侵現(xiàn)狀調(diào)查評(píng)價(jià)為基礎(chǔ)，基于海平面上升和人類活動(dòng)影響研究海水入侵的發(fā)生機(jī)理、發(fā)展演化規(guī)律及環(huán)境生態(tài)效應(yīng)，研發(fā)海水入侵模擬與預(yù)測(cè)軟件平臺(tái)，以優(yōu)化調(diào)控沿海地區(qū)的地下水開(kāi)采，并通過(guò)應(yīng)用示范來(lái)構(gòu)建黃渤海沿海地區(qū)海水入侵綜合防治技術(shù)體系，提出和完善海水入侵防治與地下水管理對(duì)策。

本項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)路線

3 研究目標(biāo)

圍繞項(xiàng)目的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與主要研究?jī)?nèi)容，項(xiàng)目力爭(zhēng)在以下3方面取得重要突破：

基礎(chǔ)理論方面，揭示海平面上升和人類活動(dòng)影響下黃渤海不同類型海岸帶海水入侵發(fā)生機(jī)理和發(fā)展規(guī)律，解析海水入侵的危害及其環(huán)境、生態(tài)效應(yīng)，定量刻畫不同層位地下水開(kāi)采對(duì)海水入侵程度的影響，揭示海水入侵對(duì)海平面上升的響應(yīng)機(jī)制，預(yù)測(cè)未來(lái)海平面變化對(duì)海水入侵的影響；

技術(shù)方法方面，改進(jìn)海水入侵建模方法，研發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海水入侵模擬與預(yù)測(cè)軟件平臺(tái)，創(chuàng)新沿海地區(qū)地下水開(kāi)采優(yōu)化調(diào)控技術(shù)，建立變化環(huán)境下沿海地區(qū)地下水開(kāi)采多目標(biāo)優(yōu)化管理模型；

應(yīng)用示范方面，面向黃渤海沿海地區(qū)超采區(qū)治理、地下水水量與水位雙控和海水入侵防控需求，發(fā)展和提升沿海地區(qū)海水入侵防治技術(shù)，形成海水入侵綜合防治技術(shù)體系，集成典型區(qū)應(yīng)用示范成果，提出黃渤海沿海地區(qū)地下水管理模式與海水入侵適應(yīng)性管理對(duì)策。

圍繞以上創(chuàng)新目標(biāo)，申報(bào)項(xiàng)目的具體目標(biāo)包括：

①掌握沿海地區(qū)海水入侵現(xiàn)狀和演變規(guī)律，繪制我國(guó)海水入侵分布圖；

②闡明海水入侵發(fā)生機(jī)理、危害及其次生環(huán)境、生態(tài)效應(yīng)，定量評(píng)價(jià)海平面上升和不同層位地下水開(kāi)采對(duì)海水入侵的影響；

③研發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海水入侵模擬與預(yù)測(cè)軟件平臺(tái)，建立變化環(huán)境下黃渤海沿海地區(qū)地下水開(kāi)采多目標(biāo)優(yōu)化管理模型；

④構(gòu)建黃渤海沿海地區(qū)海水入侵綜合防治技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)黃渤海沿海示范區(qū)（不低于2 000km2）減少海水入侵范圍10%，提升沿海地區(qū)地下水管理水平，為地下水資源可持續(xù)利用提供可靠技術(shù)支撐。

4 預(yù)期成果和效益

本項(xiàng)目將在海水入侵發(fā)生機(jī)理、演化規(guī)律等科學(xué)理論方面取得重要進(jìn)展，在沿海地區(qū)地下水管理、海水入侵綜合防治技術(shù)等方面取得突出成果，在典型區(qū)海水入侵防治技術(shù)應(yīng)用示范中取得顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境效益。

本項(xiàng)目預(yù)期成果主要有：

①我國(guó)沿海地區(qū)海水入侵分布圖；

②揭示海水入侵發(fā)生機(jī)理和演變規(guī)律；

③海水入侵模擬模型；

④沿海地區(qū)地下水優(yōu)化調(diào)控管理模型；

⑤具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海水入侵模擬與預(yù)測(cè)軟件平臺(tái)；

⑥沿海地區(qū)海水入侵綜合防治技術(shù)體系；

⑦沿海地區(qū)地下水管理模式和海水入侵適應(yīng)性管理對(duì)策；

⑧沿海示范區(qū)減少海水入侵范圍10%；

⑨發(fā)明專利10項(xiàng)、專著2部、論文100篇，培養(yǎng)研究生30名。

本項(xiàng)目對(duì)“水資源高效開(kāi)發(fā)利用”重點(diǎn)專項(xiàng)之“水資源智能調(diào)度與精細(xì)化管理”重點(diǎn)方向目標(biāo)的支撐作用主要有：

①通過(guò)多種方法綜合運(yùn)用，查明不同類型海岸帶海水入侵現(xiàn)狀，編制我國(guó)沿海地區(qū)海水入侵分布圖，闡明人類活動(dòng)與海平面上升影響下沿海地區(qū)海水入侵發(fā)生機(jī)理，揭示人類活動(dòng)與氣候變化雙重脅迫下海水入侵發(fā)展演化規(guī)律，定量分析海水入侵對(duì)地下水水量和水質(zhì)現(xiàn)狀及未來(lái)演變趨勢(shì)的影響，為變化環(huán)境下沿海地區(qū)地下水管理與海水入侵防治提供理論支撐。

②發(fā)展海水入侵模擬與預(yù)測(cè)技術(shù)，建立變化環(huán)境下黃渤海沿海地區(qū)地下水開(kāi)采多目標(biāo)優(yōu)化管理模型，研發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海水入侵模擬優(yōu)化與預(yù)測(cè)軟件平臺(tái)，結(jié)合典型區(qū)的應(yīng)用示范，形成黃渤海沿海地區(qū)海水入侵綜合防治技術(shù)體系，提出沿海地區(qū)地下水管理模式與海水入侵適應(yīng)性管理對(duì)策，為基于地下水采補(bǔ)關(guān)系的水量—水位雙控管理提供創(chuàng)新技術(shù)，為沿海地區(qū)地下水資源保護(hù)和超采區(qū)治理修復(fù)提供技術(shù)應(yīng)用示范。