海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈研究初探

徐興永付騰飛熊貴耀蘇 喬劉文全陳廣泉

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061；2.自然資源部 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266061；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266061；4.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院,北京100083)

近年來(lái),全球氣候變化異常加劇,社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,各類(lèi)災(zāi)害活動(dòng)頻發(fā),嚴(yán)重影響人類(lèi)生命、財(cái)產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境安全。災(zāi)害發(fā)生發(fā)展經(jīng)常伴隨著次生災(zāi)害,這些在時(shí)間上有先后、空間上彼此相依、成因上相互關(guān)聯(lián)、互為因果,呈連鎖反應(yīng)的災(zāi)害組成災(zāi)害鏈[1]。

災(zāi)害鏈的相關(guān)研究剛剛興起,不同學(xué)者對(duì)災(zāi)害鏈的概念有多種理解,對(duì)災(zāi)害鏈的研究?jī)?nèi)容與方法也各不相同[2]。國(guó)外對(duì)災(zāi)害鏈研究還處于初步階段:Dombrowsky等[3]認(rèn)為災(zāi)害鏈?zhǔn)亲匀慌c社會(huì)系統(tǒng)相互作用的后果；Menoni等[4]提出災(zāi)害損失鏈概念；Carpignano等[5]認(rèn)為災(zāi)害鏈?zhǔn)菫?zāi)害間相互作用而形成的多米諾現(xiàn)象；Helbing[6]認(rèn)為災(zāi)害之間具有因果關(guān)系；Delmonaco等[7]認(rèn)為災(zāi)害鏈?zhǔn)侵笧?zāi)害引發(fā)的次生災(zāi)害。國(guó)內(nèi)對(duì)災(zāi)害鏈的研究范圍較廣:如災(zāi)害鏈理論[2,8-9]、大氣災(zāi)害鏈[10]、山地災(zāi)害鏈[11]、生態(tài)環(huán)境災(zāi)害鏈[12]、自然災(zāi)害鏈[13]、地質(zhì)災(zāi)害鏈[14-18]、海洋災(zāi)害鏈研究[19]等,重點(diǎn)研究山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害鏈和沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害鏈等,仍處于災(zāi)害鏈研究的初步定性研究階段[18]。災(zāi)害鏈發(fā)生過(guò)程具有放大效應(yīng),致災(zāi)強(qiáng)度具有累加效應(yīng),而且災(zāi)害鏈形成機(jī)理復(fù)雜、預(yù)報(bào)難度大、防范要求高、造成損失嚴(yán)重,因此災(zāi)害鏈發(fā)生與治理機(jī)制是目前災(zāi)害研究的國(guó)際前沿問(wèn)題[20]。

地質(zhì)災(zāi)害是指在地球的發(fā)展演化過(guò)程中,由各種自然地質(zhì)作用和人類(lèi)活動(dòng)所形成的災(zāi)害性地質(zhì)事件。地質(zhì)災(zāi)害在時(shí)間和空間上的分布變化規(guī)律,既受制于自然環(huán)境,又與人類(lèi)活動(dòng)有關(guān),經(jīng)常是人類(lèi)與自然界相互作用的結(jié)果[21]。由成因上相互關(guān)聯(lián),時(shí)間上有先后順序,空間上彼此相依,并呈線性分布的一系列地質(zhì)災(zāi)害體組成,呈連鎖反應(yīng)依次出現(xiàn)的鏈?zhǔn)降刭|(zhì)災(zāi)害被稱之為地質(zhì)災(zāi)害鏈[14]。

全球60%的大城市和60%～70%的人口分布在海岸帶及緊鄰地區(qū)。受全球氣候變化和人為因素(地下水超采等)的雙重影響,海岸帶地區(qū)成為地球上最活躍、最脆弱的區(qū)域。根據(jù)《2017年中國(guó)海平面公報(bào)》[22],2017年中國(guó)沿海氣溫較常年均值高0.90℃,海平面較常年平均值高58 mm,高于全球平均水平。近年,海岸帶環(huán)境問(wèn)題突出,災(zāi)害加劇,嚴(yán)重影響海岸帶地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)引起海岸帶地下水動(dòng)力變化,并誘發(fā)一系列鏈?zhǔn)降刭|(zhì)災(zāi)害[23-24],海水入侵、土壤鹽漬化災(zāi)害等是典型的地質(zhì)災(zāi)害鏈。海水入侵-土壤鹽漬化鏈?zhǔn)綖?zāi)害的實(shí)質(zhì)是受外界因素影響,咸淡水楔形體運(yùn)移,鹽分在水土系統(tǒng)中遷移,導(dǎo)致地下水咸化,然后鹽分在毛細(xì)作用及蒸發(fā)作用下向表層遷移形成土壤鹽漬化,導(dǎo)致土壤功能退化[25-26]。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)海水入侵研究較多,濱海地區(qū)土壤鹽漬化也逐漸引起國(guó)內(nèi)外研究者廣泛關(guān)注,但主要開(kāi)展單災(zāi)種研究與防治,忽略了海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈的整體性,關(guān)于海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈的研究鮮有報(bào)道。

海岸帶地區(qū)在國(guó)家戰(zhàn)略布局中占有極為重要的地位,海岸帶的生態(tài)脆弱性及其復(fù)雜性致使該區(qū)域環(huán)境對(duì)全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的響應(yīng)十分迅速,但我國(guó)在海岸帶地質(zhì)災(zāi)害研究方面,尤其是針對(duì)多災(zāi)種的鏈?zhǔn)綖?zāi)害研究非常少,不能滿足海岸帶資源開(kāi)發(fā)利用和環(huán)境保護(hù)的急迫需求。本文以我國(guó)典型海岸帶地區(qū)海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈為研究對(duì)象,闡述了海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈的發(fā)育特征和研究中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,展望了海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈研究趨勢(shì),旨在豐富海岸帶地質(zhì)災(zāi)害理論,為海岸帶防災(zāi)減災(zāi)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 演化特征

1.1 海水入侵災(zāi)害和土壤鹽漬化災(zāi)害特征

海水入侵災(zāi)害是指在自然和人為因素影響下,海濱地區(qū)水動(dòng)力條件發(fā)生變化,使海濱地區(qū)含水層中的淡水與海水(咸水)之間的平衡狀態(tài)遭到破壞,導(dǎo)致海水或咸水沿含水層向陸地方向侵入或混染,使淡水資源遭到破壞的現(xiàn)象或過(guò)程。海水入侵是人為活動(dòng)強(qiáng)烈干擾自然生態(tài)系統(tǒng)而誘發(fā)的緩慢發(fā)生而又長(zhǎng)期危害的人為自然災(zāi)害,具有隱蔽、多變、難治理的特點(diǎn)。目前,全世界已經(jīng)有幾十個(gè)國(guó)家和地區(qū)的幾百個(gè)地方發(fā)現(xiàn)了海水入侵問(wèn)題,海水入侵給各國(guó)沿海地區(qū)帶來(lái)嚴(yán)重危害,造成巨大經(jīng)濟(jì)損失,嚴(yán)重阻礙社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。海水入侵嚴(yán)重污染地下水,造成工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量下降、生產(chǎn)設(shè)備腐蝕,人畜飲用水咸化,并導(dǎo)致多種疾病,影響健康。

土壤鹽漬化災(zāi)害指在自然和人為因素影響下,土壤或潛水層中的鹽分在毛管及蒸發(fā)作用下,在土壤向表層遷移富集形成的災(zāi)害現(xiàn)象。鹽漬化的形成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,目前對(duì)土壤鹽漬化影響因素的研究包括降水[27]、蒸發(fā)[28-29]、地形與土地覆被[30-31]、地下水[32-33]等。其中,地下水是鹽分運(yùn)移、聚集、交換的主要驅(qū)動(dòng)力[34],鹽漬化程度與地下水位、地下水的鹽度有密切聯(lián)系[35-37],也與土壤質(zhì)地、水力特性、水文地質(zhì)、地球化學(xué)條件等有關(guān)[38]。土壤鹽漬化災(zāi)害危害嚴(yán)重,造成土壤含鹽量增高,抑制植物生長(zhǎng)；土壤通透性、孔隙度、導(dǎo)水率等物理特性變差；植物發(fā)生生理干旱,農(nóng)作物減產(chǎn)或絕收；土壤富集重金屬,毒害嚴(yán)重。

海岸帶地區(qū)的海水入侵會(huì)導(dǎo)致地下水咸化,進(jìn)而誘發(fā)土壤鹽漬化。因此,海水入侵和土壤鹽漬化兩種地質(zhì)災(zāi)害在時(shí)間上有先后、空間上彼此相依、成因上相互關(guān)聯(lián),海水入侵-土壤鹽漬化屬于典型的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)災(zāi)害。

1.2 海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

災(zāi)害鏈復(fù)雜多樣,災(zāi)害鏈分類(lèi)對(duì)于深入了解災(zāi)害鏈的形成機(jī)制、時(shí)空演變規(guī)律及其斷鏈減災(zāi)對(duì)策具有重要意義。由于不同研究者對(duì)災(zāi)害鏈的認(rèn)識(shí)與理解不同,各學(xué)者對(duì)于災(zāi)害鏈的分類(lèi)方法也有差異。韓金良等[14]按照時(shí)空和主要誘發(fā)因素劃分地質(zhì)災(zāi)害鏈類(lèi)型,提出時(shí)空鏈?zhǔn)侵赣梢幌盗性跁r(shí)間上有先后,在空間上彼此相依,在成因上相互聯(lián)系、互為因果,呈連鎖反應(yīng)依次出現(xiàn)的幾種災(zāi)害組成的災(zāi)害鏈。其特點(diǎn)是前一種災(zāi)害作為后一種災(zāi)害的激發(fā)因素依次出現(xiàn)。按照誘發(fā)因素,把地質(zhì)災(zāi)害鏈分為內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害鏈、外動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害鏈、人類(lèi)工程活動(dòng)地質(zhì)災(zāi)害鏈、內(nèi)外地質(zhì)作用耦合地質(zhì)災(zāi)害鏈和復(fù)合型地質(zhì)災(zāi)害鏈。哈斯等[2]歸納總結(jié)災(zāi)害鏈分為3類(lèi):基于災(zāi)種的災(zāi)害鏈分類(lèi)、基于時(shí)空結(jié)構(gòu)的災(zāi)害鏈分類(lèi)、基于災(zāi)害系統(tǒng)要素的災(zāi)害鏈分類(lèi)。

以萊州灣為例,受全球氣候變化(降雨、蒸發(fā)、海平面上升等)和人類(lèi)活動(dòng)(超采地下水,不合理開(kāi)發(fā)地下鹵水、引水灌溉等)外界因素影響,咸淡水楔形體運(yùn)移,鹽分在水土系統(tǒng)中遷移,導(dǎo)致地下水咸化,發(fā)生海水入侵災(zāi)害,嚴(yán)重污染地下水,造成工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量下降、生產(chǎn)設(shè)備腐蝕,人畜飲用水咸化,導(dǎo)致多種疾病,影響健康；然后鹽分在毛細(xì)作用及蒸發(fā)作用下向表層遷移富集,形成土壤鹽漬化。土壤鹽漬化災(zāi)害危害嚴(yán)重,造成土壤含鹽量增高,抑制植物生長(zhǎng)；土壤通透性、孔隙度、導(dǎo)水率等物理特性變差；植物發(fā)生生理干旱,農(nóng)作物減產(chǎn)或絕收；土壤富集重金屬,毒害嚴(yán)重。綜合分析海水入侵與土壤鹽漬化之間的災(zāi)變關(guān)系和時(shí)空分布特征,海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈屬于典型的時(shí)空災(zāi)害鏈,是由自然因素和人類(lèi)活動(dòng)聯(lián)合作用誘發(fā)的復(fù)合型地質(zhì)災(zāi)害鏈(圖1)。

圖1 海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of seawater intrusion and soil salinization disaster chain

2 關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈?zhǔn)且运}運(yùn)移為鏈條的鏈?zhǔn)綖?zāi)害,掌握鏈?zhǔn)綖?zāi)害總鹽分實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,提高定量評(píng)估鏈?zhǔn)綖?zāi)害的精細(xì)化程度,清晰刻畫(huà)災(zāi)害鏈結(jié)構(gòu)特征,實(shí)現(xiàn)災(zāi)害鏈的精準(zhǔn)斷鏈減災(zāi)是研究海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

2.1 掌握鏈?zhǔn)綖?zāi)害的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程

海水入侵-土壤鹽漬化鏈?zhǔn)綖?zāi)害實(shí)質(zhì)為鹽分在水土系統(tǒng)中的遷移和富集,了解地下咸淡水混合和水鹽運(yùn)移動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,是掌握鏈?zhǔn)綖?zāi)害實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的關(guān)鍵。在海水入侵與土壤鹽漬化災(zāi)害的相關(guān)性研究中,研究者大多探討海水入侵導(dǎo)致地下水咸化后,利用微咸水灌溉導(dǎo)致次生鹽漬化的過(guò)程。Daliakopoulos等[39]利用數(shù)值模擬軟件模擬了濱海地區(qū)在氣候變化的影響下海水入侵導(dǎo)致地下水咸化,采用微咸水灌溉又致使土壤鹽漬化的過(guò)程。Russak和Sivan[40]利用土柱試驗(yàn)、田間試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬研究了海水入侵后含水層發(fā)生鹽漬化的過(guò)程。Mehnert和Jennings[41]通過(guò)地下水鹽度,研究了鹽度對(duì)于土壤滲透性的作用。有學(xué)者研究了海水入侵與鹽漬化的空間分布相關(guān)性[42-43]。在海水入侵和土壤鹽漬化的相關(guān)性研究中,發(fā)現(xiàn)地下水在鹽分的遷移、聚集和交換過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用[44],地下水位水質(zhì)的變化將導(dǎo)致一系列嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題,如農(nóng)作物減產(chǎn)、土地鹽漬化等[45-48]。研究發(fā)現(xiàn),水分遷移主要受溫度、土壤初始含水量、含鹽量、土壤結(jié)構(gòu)等因素的影響[49],水遷移的微觀機(jī)制包括氫鍵吸附能力、飽和蒸汽壓差和毛細(xì)管機(jī)制[50]。

圖2 孟加拉海岸帶海水入侵與土壤鹽漬化分布相關(guān)性[42]Fig.2 The correlation between seawater intrusion and soil salinization in coastal zone of Bangladesh

濱海地下水的咸化過(guò)程一直是國(guó)際研究的熱點(diǎn)。研究表明,除海平面上升因素之外,海平面周期性變化,如潮汐、波浪等同樣會(huì)影響海水入侵的驅(qū)動(dòng)及咸淡水界面之間海水與地下水之間的循環(huán)模式[51-52]。潮汐或波浪會(huì)導(dǎo)致咸淡水混合區(qū)域鹽度穩(wěn)態(tài)被打破,使得鹽分重新分布以達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)[53]。Najib等[54]利用摩洛哥地下水樣品和高密度電法研究了海水入侵導(dǎo)致地下水咸化并向內(nèi)陸侵染的過(guò)程；Badaruddin等[55]利用物理和數(shù)值模擬,模擬了非潮汐情況下海水入侵導(dǎo)致地下水咸化的過(guò)程。而在非飽和包氣帶區(qū)域,土壤底層或地下水中的鹽分在毛細(xì)作用及蒸發(fā)作用下隨毛管水上升到地表,當(dāng)?shù)叵滤缓偷叵滤柠}度達(dá)到一定的閾值時(shí),鹽分積累在表層土壤中,形成鹽漬化災(zāi)害[56],而閾值主要取決于土壤質(zhì)地及其水力特性、水文地質(zhì)和地球化學(xué)條件以及作物類(lèi)型[57]。由于濱海地區(qū)大多地勢(shì)平坦、地下水位埋深較淺,加之海岸帶區(qū)域過(guò)度抽水、蒸發(fā)量較大,致使導(dǎo)致咸淡水混合區(qū)域鹽度穩(wěn)態(tài)被打破,使得鹽分重新分布以達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài),衍生次生災(zāi)害—土壤鹽漬化,形成海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈[58]。

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈的水鹽運(yùn)移研究鮮有報(bào)道[59-60]。因此,采用多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉融合方法,掌握地下咸淡水混合和水鹽運(yùn)移動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,搞清潛水層咸淡水混合機(jī)制,包氣帶水鹽運(yùn)移規(guī)律,災(zāi)害鏈觸發(fā)條件、發(fā)生和發(fā)展過(guò)程,是研究海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。

2.2 提高定量評(píng)估模擬鏈?zhǔn)綖?zāi)害的精細(xì)化程度

海岸帶是水圈、巖石圈、大氣圈和生物圈相互作用的交匯地帶,物質(zhì)和能量通過(guò)陸-海、海-氣、陸-氣等關(guān)鍵界面進(jìn)行交換,由氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)造成的全球變化對(duì)海岸帶的影響主要表現(xiàn)為氣溫升高、海平面上升、極端降雨等造成的海水入侵、海岸侵蝕和生態(tài)系統(tǒng)損害等各方面[61]。海水入侵本質(zhì)為海岸帶咸淡水界面在地下水位的變化下水動(dòng)力平衡被破壞,導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是氣候變化、海面上升和人為超采地下水等。通過(guò)評(píng)估氣候變化(潮汐、海平面上升等)和人類(lèi)活動(dòng)(地下水開(kāi)采、地下鹵水開(kāi)采、農(nóng)業(yè)灌溉等)對(duì)災(zāi)害鏈影響,可以定量辨識(shí)氣候變化和區(qū)域人類(lèi)活動(dòng)對(duì)海水入侵和土壤鹽漬化的響應(yīng)機(jī)制,預(yù)測(cè)海平面上升不同情境下海水淹沒(méi)范圍的空間分布,評(píng)估海平面上升不同情境下災(zāi)害鏈強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間,評(píng)估風(fēng)暴潮等極端氣候事件對(duì)災(zāi)害鏈影響。同時(shí),也可以根據(jù)海水入侵受潮汐作用影響的內(nèi)在規(guī)律,建立地下水受海平面變化影響模型,分析海平面變化對(duì)海水入侵的影響因素；根據(jù)長(zhǎng)期氣候波動(dòng)數(shù)據(jù)(降雨、蒸發(fā)、徑流量以及ENSO等),結(jié)合水槽試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬,評(píng)估降雨量和蒸發(fā)量等氣候因素對(duì)海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈的影響；根據(jù)地下水開(kāi)采和農(nóng)業(yè)灌溉等數(shù)據(jù),分析區(qū)域人類(lèi)活動(dòng)對(duì)海水入侵與土壤鹽漬化的影響,定量辨識(shí)氣候變化和區(qū)域人類(lèi)活動(dòng)對(duì)海水入侵與土壤鹽漬化災(zāi)害鏈的影響。

因此,通過(guò)多種技術(shù)方法,獲取覆蓋面更廣、時(shí)效性更強(qiáng)、精度更高的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和關(guān)鍵信息,采取有效的科學(xué)方法定量辨識(shí)自然因素和人為因素等致災(zāi)因子對(duì)災(zāi)害鏈的影響,提高定量評(píng)估和模擬預(yù)測(cè)鏈?zhǔn)綖?zāi)害的精細(xì)化程度,可為研究海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈結(jié)構(gòu)特征和防災(zāi)減災(zāi)提供關(guān)鍵依據(jù),也是海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

2.3 長(zhǎng)期氣候變化對(duì)海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈影響預(yù)測(cè)

當(dāng)前,研究海平面上升對(duì)海水入侵的影響,都假設(shè)海平面是一種瞬時(shí)變化,而非實(shí)際的逐漸、緩慢過(guò)程,這種簡(jiǎn)化處理導(dǎo)致評(píng)估的海水入侵速率比實(shí)際快[58]。多數(shù)相關(guān)研究還忽略了陸地淹沒(méi)面積的影響,而陸地淹沒(méi)是海平面變化對(duì)地下水影響的一個(gè)重要控制因素[62-63]。

濱海平原區(qū)高程普遍較低,海平面加速上升,使海岸帶地區(qū)更容易被海水淹沒(méi)[64],進(jìn)而加劇土壤鹽漬化災(zāi)害。研究表明,當(dāng)出現(xiàn)百年一遇極端水位時(shí),2080年整個(gè)中國(guó)沿岸的可能淹沒(méi)面積為104.943 7×103km2[65]。隨海平面上升幅度增加,到2100年僅山東北部沿海地區(qū)遭遇百年一遇風(fēng)暴潮淹沒(méi)范圍將比2000年增加581.2～807.5 km2,向陸推進(jìn)距離最遠(yuǎn)超過(guò)810 m[66]。在大多數(shù)數(shù)值模擬研究中,通常假設(shè)含水層是水平的,而實(shí)際情況中,絕大多數(shù)海岸帶含水層都有一定坡度[58]。三維數(shù)值模擬研究表明,含水層坡度對(duì)海水入侵的影響要遠(yuǎn)大于含水層厚度和彌散速率,含水層坡度是控制海平面變化對(duì)海水入侵影響程度量級(jí)的重要因素,在含水層坡度為1%時(shí),陸地淹沒(méi)要比海平面垂直方向上升導(dǎo)致的海水入侵程度大一個(gè)數(shù)量級(jí)[62,67]。

近年,涉及氣候變化和水文地質(zhì)條件對(duì)海水入侵及其陸地淹沒(méi)影響的研究正在逐漸增多。但這些研究對(duì)不同因素在海水入侵中所起作用的重要程度也沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。因此,綜合考慮前人相關(guān)研究,建立一個(gè)包含所有影響因素的海平面上升對(duì)地下水的影響評(píng)估模型是本領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)[68]。海平面上升對(duì)地下水影響的研究應(yīng)包括咸淡水過(guò)渡帶、空間維度、地下水開(kāi)采、含水層的輸入輸出、海浪與潮汐,以及其誘發(fā)的次生災(zāi)害相關(guān)研究?jī)?nèi)容[62]。本問(wèn)題更深入的研究還需要以海平面上升驅(qū)動(dòng)海岸帶水土系統(tǒng)水鹽運(yùn)移機(jī)制為基礎(chǔ)[69]。

因此預(yù)測(cè)海平面上升不同情景下的海水淹沒(méi)范圍的空間分析；結(jié)合水槽試驗(yàn)建立數(shù)值模型,評(píng)估海平面上升不同情景下的海水入侵與土壤鹽漬化的強(qiáng)度、持續(xù)的時(shí)間與災(zāi)害鏈的演化機(jī)制；根據(jù)風(fēng)暴潮等極端氣候事件進(jìn)行驗(yàn)證,完善不同類(lèi)型海岸帶海水入侵與土壤鹽漬化災(zāi)害鏈對(duì)長(zhǎng)期氣候變化的響應(yīng)機(jī)制模型,開(kāi)展海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈長(zhǎng)期預(yù)測(cè)是濱海地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)的必然趨勢(shì)。

2.4 清晰刻畫(huà)災(zāi)害鏈結(jié)構(gòu)特征,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)斷鏈減災(zāi)

災(zāi)害鏈的防治是當(dāng)今災(zāi)害學(xué)研究的世界性難題,要把鏈?zhǔn)綖?zāi)害作為整體開(kāi)展研究,形成災(zāi)害鏈的協(xié)同防治技術(shù)方案。很多研究學(xué)者在災(zāi)害鏈的治理過(guò)程中提出孕源斷鏈減災(zāi),在災(zāi)害鏈形成初期利用工程措施、生物措施等手段阻止災(zāi)害發(fā)生,達(dá)到切斷災(zāi)害鏈的目的。當(dāng)前的研究多集中于地震、滑坡等災(zāi)害鏈,并已在地震前兆和預(yù)測(cè)等方面取得了一定的成果[70-71]。但在其他災(zāi)害鏈類(lèi)型上研究較少,且災(zāi)害鏈斷鏈減災(zāi)研究中缺乏斷鏈過(guò)程研究以及斷鏈減災(zāi)技術(shù)之間的有機(jī)結(jié)合,未能實(shí)現(xiàn)減災(zāi)措施的相互協(xié)調(diào)。

海水入侵-土壤鹽漬化鏈?zhǔn)綖?zāi)害具有獨(dú)特的發(fā)生機(jī)制及鏈結(jié)特點(diǎn),對(duì)于此類(lèi)鏈?zhǔn)綖?zāi)害的預(yù)防與治理需要進(jìn)行系統(tǒng)完善的治理機(jī)制的研究,應(yīng)當(dāng)瞄準(zhǔn)海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈的機(jī)理和演變過(guò)程,抓住災(zāi)害鏈的關(guān)鍵過(guò)程,尋蹤“鏈結(jié)”之所在,弄清阻斷或減輕后續(xù)災(zāi)害的可能性,進(jìn)而在海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈的不同鏈結(jié)處采取不同的斷鏈減災(zāi)手段。因此,要在明晰海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈發(fā)生機(jī)制,定量辨識(shí)自然因素和人為因素對(duì)災(zāi)害鏈影響的基礎(chǔ)上,清晰刻畫(huà)災(zāi)害鏈結(jié)構(gòu)特征,優(yōu)選精準(zhǔn)斷鏈減災(zāi)技術(shù),制定災(zāi)害鏈協(xié)同防治方案。例如,在海水入侵導(dǎo)致地下水咸化的過(guò)程中,可在入侵通道處構(gòu)建鹽敏性材料的選擇性滲透壩,將海水與地下水之間的鹽分聯(lián)系切斷,或者利用深井抽水與注水的方式建立地下水水力屏障阻礙海水向內(nèi)陸的侵染；在地下水鹽分向土壤表層集聚的過(guò)程中,則依據(jù)水鹽阻隔疏導(dǎo)的原則,利用深耕、微咸水灌溉等手段減輕鹽分在土壤中積累的程度；在濱海鹽漬土修復(fù)、改良的過(guò)程中,可構(gòu)建耐鹽微生物和耐鹽植物的復(fù)合群落進(jìn)行生物協(xié)同修復(fù),以改善土壤環(huán)境,降低土壤鹽分,構(gòu)建耐鹽群落生態(tài)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)各種斷鏈減災(zāi)手段及治理效果進(jìn)行綜合評(píng)估,制定出系統(tǒng)、協(xié)同的有效治理方案,實(shí)現(xiàn)海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈的防治。當(dāng)然防災(zāi)重于治災(zāi),減輕災(zāi)害鏈的危害效應(yīng),首先要做好防災(zāi)工作。災(zāi)害發(fā)生后措施再完備,缺乏災(zāi)前預(yù)防,仍是失策。因此,若要防止海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈發(fā)生,仍需從控制地下水過(guò)量開(kāi)采、有效應(yīng)對(duì)氣候變化著手,積極采取相關(guān)管理手段和應(yīng)對(duì)措施。

3 研究展望

海水入侵和土壤鹽漬化已成為我國(guó)海岸帶地區(qū)近40 a來(lái)比較突出的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害,其中以山東最為突出,河北、遼寧、江蘇、天津、上海、廣東等省市均有發(fā)生,危害身體健康和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),生態(tài)系統(tǒng)功能退化,嚴(yán)重制約了沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。根據(jù)《2017年中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)》[72],2017年我國(guó)各類(lèi)海洋災(zāi)害共造成直接經(jīng)濟(jì)損失63.98億元,環(huán)渤海地區(qū)海水入侵和土壤鹽漬化較為嚴(yán)重,海水入侵面積超過(guò)10 000 km2,土壤鹽漬化面積超過(guò)15 000 km2。其中,山東海水入侵面積超過(guò)4 000 km2,土壤鹽漬化面積超過(guò)7 000 km2。海水入侵和土壤鹽漬化災(zāi)害具有形成機(jī)理復(fù)雜、預(yù)報(bào)難度大、防范要求高、致災(zāi)嚴(yán)重、修復(fù)周期長(zhǎng)等特點(diǎn),在海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈孕育規(guī)律、形成機(jī)制、演化過(guò)程的系統(tǒng)研究中,還面臨大量的科學(xué)難題。未來(lái)隨著可持續(xù)發(fā)展與防災(zāi)減災(zāi)的迫切需求,災(zāi)害鏈研究的基礎(chǔ)理論和技術(shù)方法、災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)、災(zāi)害鏈損失評(píng)估技術(shù)、災(zāi)害鏈斷鏈減災(zāi)對(duì)策研究等將會(huì)得到重視[2],建議從以下方面開(kāi)展海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈研究。

3.1 研究思路由靜態(tài)分階段向?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)發(fā)展

海水入侵和土壤鹽漬化災(zāi)害研究由原來(lái)的單災(zāi)種、分階段單一評(píng)價(jià)指標(biāo),發(fā)展為由水文地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境、地球化學(xué)等多學(xué)科和地球物理探測(cè)、同位素示蹤、3S技術(shù)等多技術(shù)應(yīng)用的綜合研究技術(shù)體系。海水入侵-土壤鹽漬化鏈?zhǔn)綖?zāi)害實(shí)質(zhì)為鹽分在水土系統(tǒng)中的遷移和富集,掌握地下咸淡水混合和水鹽實(shí)時(shí)運(yùn)移動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,是掌握鏈?zhǔn)綖?zāi)害演化機(jī)制和綜合防災(zāi)減災(zāi)的關(guān)鍵。因此,在海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈的研究思路應(yīng)由靜態(tài)分階段向?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)發(fā)展。

3.2 研究目標(biāo)由定性描述向精細(xì)化定量評(píng)估與數(shù)值模擬發(fā)展

在海水入侵與土壤鹽漬化災(zāi)害的相關(guān)性研究中,開(kāi)始利用數(shù)值模擬軟件模擬濱海地區(qū)在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響下海水入侵導(dǎo)致地下水咸化,進(jìn)而發(fā)生土壤鹽漬化的過(guò)程,并由基于海平面波動(dòng)、地下水開(kāi)采、潮汐作用、極端氣候事件、岸線變化等單因素定量模擬逐漸向綜合評(píng)價(jià)和模擬模型方向發(fā)展。未來(lái)隨著空間和信息技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星遙感、3S技術(shù)將應(yīng)用于海水入侵-土壤鹽漬化鏈?zhǔn)綖?zāi)害的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中,并構(gòu)建區(qū)域地質(zhì)、水文、土地利用和作物生長(zhǎng)一體化的災(zāi)害監(jiān)測(cè)與定量評(píng)估預(yù)測(cè)模型,利用信息反演提高預(yù)測(cè)模型的效率與精度,最終實(shí)現(xiàn)區(qū)域海水入侵-土壤鹽漬化鏈?zhǔn)綖?zāi)害預(yù)測(cè)與防治。

3.3 防治機(jī)制由單災(zāi)種防治向鏈?zhǔn)綖?zāi)害協(xié)同防治發(fā)展

目前,對(duì)海水入侵與土壤鹽漬化災(zāi)害僅開(kāi)展單災(zāi)種研究與防治,忽略了災(zāi)害鏈的整體性研究和防治。海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈的研究仍處于海水入侵、土壤鹽漬化或者水鹽運(yùn)移單一研究的階段,必須將海水入侵與土壤鹽漬化作為一個(gè)災(zāi)害鏈整體進(jìn)行系統(tǒng)研究,考慮不同尺度的自然影響因子與人類(lèi)活動(dòng)要素,構(gòu)建全面的研究體系,進(jìn)而揭示災(zāi)害鏈發(fā)生機(jī)理、演化過(guò)程及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),清晰刻畫(huà)海水入侵-土壤鹽漬化災(zāi)害鏈結(jié)構(gòu)特征,加強(qiáng)斷鏈減災(zāi)技術(shù)研究,實(shí)施精準(zhǔn)斷鏈減災(zāi),實(shí)現(xiàn)防治機(jī)制由單災(zāi)種防治向鏈?zhǔn)綖?zāi)害協(xié)同防治方向發(fā)展。