淡水帷幕防治海水入侵的国际经验

王 辉，许学工

(1. 北京大学城市与环境学院，北京 100871； 2. 中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

海岸带含水层是维系海岸社会经济系统运行和发展的重要基础自然资源，海岸社会经济系统的淡水需求很大程度上依赖海岸含水层地下水的供给。改革开放以来，由于经济的快速发展、人口的过度聚集，对淡水资源的需求快速增加，我国沿海一些地区地下水严重超采，海岸含水层出现逐渐疏干的问题，这会使得当地地下水水位不断下降、海水入侵致使其盐分含量逐步上升[1,2]。水位下降导致部分抽水井逐渐干枯、废弃，而盐分含量上升使得咸化的地下水不再适宜于灌溉、饮用以及工业生产等用途[3]。海岸含水层丧失了其功用，导致了严重的社会危机。因此，寻求地下水的合理利用以及海水入侵的防治途径是海岸含水层开发与保护问题的焦点。

海水入侵的防治是海岸地下水优化利用的一个重要方面，其防治措施包括减少地下水开采量、调整开采井群结构、淡水帷幕、实体帷幕、抽水帷幕、气体帷幕等[4-9]。其中，淡水帷幕是指通过人工回灌地表水等提高地下淡水水位，使得地下淡水水头高于临近的咸水水头，重新建立起由陆地指向海洋的正向水力梯度，由此建立起阻止海水向陆入侵的“水力墙”，这种“水力墙”称为淡水帷幕。在所有的海水入侵工程性治理措施中，淡水帷幕是较为有效的途径。例如，Allow采用三维有限差分模型和变密度溶质输移模型SEAWAT来模拟海水入侵治理措施的防治效果，发现淡水帷幕修建后含水层盐度下降比实体帷幕明显，淡水帷幕防治海水入侵效果优于实体帷幕[10]。Nishikawa等采用基于SUTRA的溶质输移模型模拟了洛杉矶多明戈斯地区3种海水入侵管理情景的相对效果。这3种情景分别为：维持现状；50 m深的实体帷幕；通过淡水帷幕井将陆地含水层水位提升到海平面以上7.6 m。模型模拟结果表明，淡水帷幕措施海水入侵防治效果最好，且当海平面上升1 m的情况下，(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等采用突变界面模型和遗传算法构建模拟-优化模型来研究淡水和咸水利用优化问题，发现在保护开采过度的淡水井方面淡水帷幕要比抽水帷幕更为有效，而且能够在地层中保留下更多的淡水，应该在海水入侵防治措施中被优先考虑[12]。Sun等采用TOUGH2/EOS7软件，对承压水层淡水帷幕和压缩气体帷幕海水入侵治理效果进行了动态数值模拟，结果表明淡水帷幕比气体帷幕的海水入侵治理效果要好，同时也指出了淡水帷幕的实施受地表水源可得性以及价格的限制[8]。

虽然淡水帷幕在治理海水入侵上优势明显，但是其构建需要两个基本条件，一是增加地表的入渗能力，二是有保证的地表水源用于回灌。下面分别从这两个方面来梳理淡水帷幕营建的相关国际经验，以为我国海水入侵淡水帷幕治理措施的发展提供借鉴。

1 淡水帷幕的构建方式

淡水帷幕的建立依赖地下水人工回灌(Artificial Recharge)或回灌加强(Recharge Enhencement)工程的实施。地下水回灌加强主要采取3种方法实现：渗流盆地、回灌井[13]以及拦河坝促渗[14,15]。

1.1 渗流盆地

突尼斯东北部地区Korba含水层补给是通过构建渗流盆地的方法来实现的[16]。2008年12月，突尼斯政府为增加地下水资源量、提高地下水水位、改善地下水水质、治理海水入侵问题等综合目的而启动了一项地下水管理工程计划。该计划即为Korba含水层的渗流盆地人工补给地下以及地表水-地下水联合管理项目。该项目建造了3个渗流盆地，其中包括2个工作池和一个备用池。每个渗流盆地面积均为1 500 m2，由直径0.2 m的水渠将水从修建于高处的储存能力达300 m3的缓冲水箱中依靠重力作用引入。3个渗流盆地依据场地渗流条件以及堵塞状况轮流工作。渗流盆地的使用改善了回灌地下的再生水的水质。

渗流盆地对入渗场地条件有很高的要求，包括地表与潜水位间没有明显的隔渗层，需要在地面挖掘出浅的渗坑、渗盆等构筑物以收集储存地表水，并依靠良好的垂向渗流场地条件而使地表水转化为地下水等，因而限制了它的进一步的推广应用。

1.2 回灌井

不同于渗流盆地的自然渗透，回灌井法需要改造垂向连接地层，将弱透水层如黏土等挖穿，采用生产井或专门的回灌井来补充地下水，因而使得地表水回补地下的效率大大增加。

南加州洛杉矶县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]。为抵抗海水入侵危害，洛杉矶县洪水控制区(Los Angeles County Flood Control District, LACFCD)于1951年在Manhattan海岸通过废弃井将淡水注入承压水层开展淡水帷幕实验，结果表明这种方法是可行的。随后又使用更多的回灌井开展了一系列的淡水帷幕营建实验。在相关实验的基础上，于1953年开始在洛杉矶县最终建造了3个淡水帷幕工程，分别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]。这3个淡水帷幕工程总长度将近2.77 万m，由290口回灌井和773口观测井组成。淡水被回灌地下最深达213.36 m，回灌水源既包括饮用水也包括循环再生水，2008年全年回灌地下的淡水总量超过了1.042 亿m3。淡水帷幕工程自建造以来已经成功运行超过60 a[18]。南部相邻的奥兰治县塔尔伯特淡水帷幕工程(Talbert Barrier Project)由28口回灌井组成，自1975年建成以来，一直运行良好[19]。

阿曼的Salalah地区也采用回灌井方式将处理过的地表再生水通过40 m深的回灌井注入地下构筑淡水帷幕，治理海水入侵。在Salalah地区，有40口回灌井以及40口观测井分布在距海岸线1.5～2 km范围内，回灌井与观测井一一对应，回灌井井间距为300 m，回灌井与观测井井间距为3～5 m。观测井用来观测地表水回灌地下期间回灌井周围地下水水位以及水质变化状况[20]。此外，突尼斯东部Teboulba含水层采用生产井将Nebhana坝收集的地表雨水回灌地下，使得当地地下水位和水质在回灌期内都产生了明显的好转，海水入侵问题得到治理[21]。1972-1978年，该地区总共回灌补源地下152 万m3地表水。由于这一期间持续不断的回灌，1978年水位调查时发现1971年时还存在的地下水漏斗区消失，回灌中心区地下水位上升到海平面以上5 m，回升幅度达30 m以上。距离回灌中心区越远，地下水位回升幅度越小。1992-2000年，回灌补源工程重新开始运行，在此期间总共回补地下水量达176 万m3。1994年地下水水质调查发现，回灌期间在回灌中心区出现一个低矿化度值区域，其矿化度值﹤2 g/L，远小于周边3 g/L左右的盐度值；2000年，当地水位调查时发现地下水漏斗区范围变窄，回灌中心区水位上升约13 m。

采用回灌井法构筑淡水帷幕需要解决回灌井堵塞(Clogging)的问题[10]。回灌补源工程运行期间，为了防止回灌井的堵塞，地表雨洪水在回灌地下前经过了过滤装置的处理。此外，如何解决农民因征用其生产井用于回灌所带来的抵触情绪也是一个需要解决的问题[21]。

1.3 拦河坝促渗

除了渗流盆地和回灌井，回灌加强还可以采用建立拦河闸坝延长地表水入渗时间，从而最终增加地表水入渗量的方法来实现。主要依靠河床以及水位提升后淹没地段自然渗透补给含水层[14]。

葡萄牙南部Mexilhoeira Grande-Portimão地区通过修筑堤坝加强河水的地下回灌，成功构筑起了淡水帷幕，有效防治了海水入侵[15]。突尼斯Enfidha地区El Khairat含水层采用大坝截流的地表径流水回灌地下，也产生了明显的淡水帷幕治理海水入侵效果。河水回灌补源地下主要发生在大坝以下9.7 km的泄洪道上，其中能够有效将河水引渗入地下的泄洪道长度约为6 km。2002-2005年间，通过El Khairat坝共将870 万m3地表水引入地下含水层中。淡水回灌补源工程运行之后，地下水监测资料表明当地潜水水位普遍回升0.4～2.63 m，而含水层深部测压管水位则回升3.82 m。实施回灌之后，回灌中心附近地下水水质整体上表现为低于2 g/L的低矿化水，而远离回灌中心的近海岸地区则表现为超过3 g/L的高矿化水[22]。阿曼的AIKhod大坝也显著地发挥了防治海水入侵的效益[14]。AIKhod大坝修建于1983-1985年，位于Samail流域的下游，距海约7 km。由于AIKhod大坝对周期性径流的控制，优化了地表水的入渗，起到了人工促渗的作用。季节性来水先在AIKhod大坝前的水库库区内储存起来，然后打开溢洪道缓慢而均匀地向下游排泄，经过沉淀过滤的雨洪水径流就流入AIKhod大坝下游的河床中，并逐步下渗补给潜水层地下水。通过这种方式，雨洪地表径流中所含的细小颗粒物质会沉积在AIKhod大坝前的水库库区内，而不会沉积在AIKhod大坝后的下游河床中，从而有利于维持下游入渗河床的渗流能力。据估计，在比较湿润的1997、2003和2005年，人工促渗地表水量分别为0.15、0.22和0.27 亿m3，占到了当地地下水年开采量的40%～60%。AIKhod大坝建成后，地下水0 m等值线逐渐向陆移动；当地地下水盐度在1997年时部分出现淡化，而到了2005年时则全部转化为淡水。

地下水人工回灌也可以是ASR(Aquifer Storage and Recovery，地下水储存与开采)系统的一部分[23,24]。ASR系统包含4个基本组成部分：用于回灌的地下水、促渗工程(回灌井等)、地下储水层以及地下水开采设施。其中，促渗工程是关键，可通过渗流盆地以及回灌井等方式构建[24]。ASR系统是由地下水人工回灌或回灌加强技术发展来的，是国际上先进的地下水资源开发、利用与保护技术，广泛应用于美国[24-25]、澳大利亚[13]等地。通过运行良好的海岸带ASR系统，既可以达到水资源供给的目的，又可以实现防治海水入侵的功效[24,25]。例如，美国南卡罗莱纳Hilton Head 岛在当地咸水地层中建立了分隔咸淡水的缓冲区间[25]，构建了一个化学边界存储方式[26]的ASR工程(Chemically-bounded ASR)。该ASR工程运行表明，经过126 d的开采后，注入地下的淡水其中一半已经抽取出来，此时距离回灌井100 m的监测井氯离子浓度为170 mg/L，相比较该监测井518 mg/L的初始氯离子浓度下降很多，也低于安全饮用水的氯离子浓度界限值(250 mg/L)，取得了较好的海水入侵治理效果。其中，在第1次注水过程结束后，Hilton Head 岛咸化地层监测井氯离子浓度已经降到了220 mg/L，在第2次注水过程结束后更是降到了40 mg/L，盐分冲刷效果良好。经过后续的开采过程，当地含水层中盐分含量会有所上升，但只要加强监测、合理运行，仍能够达到理想的海水入侵治理效果[25]。

2 淡水帷幕营建所需水源

淡水帷幕的营建还需要可靠的用于回灌地下的水源保障，一般来自地表水，包括地表径流、雨洪水，以及经过处理的废污水等。

2.1 地表径流、雨洪水

Martinez-Santos等认为通过相关措施将阶段性雨洪水回灌补给地下可以有效防治海水入侵，并使得含水层的可持续利用得以实现[27]。

荷兰利用河流径流进行人工回灌以维持海岸地区的地下水水动力平衡，从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世纪60年代起就采用莱茵河水回灌地下，以保持地下水的平衡[29]，取得了良好的效果。佛罗里达西南部地区采用密集的水渠网络在干旱季节将地表水源引入，水渠水的下渗在海岸地区形成了一道淡水帷幕，减缓了海水的入侵[17]。巴塞罗那Llobregat三角洲和低谷地区自20世纪40年代起就通过整理河道，促使河水入渗补给地下水来有效抵挡海水入侵；自20世纪60年代起又通过深井将多余的河水引入地下达到回灌加强的目的[29]。

2.2 中 水

突尼斯Korba含水层采用再生水回灌地下，阻止海水入侵。Korba废污水处理采用3级处理方式完成，分别为：预处理，去除颗粒物质以及低密度难溶物质；2级处理，由4个通风机或者4个搅拌机组成，促进污染物质的有氧去除；3级处理，由3个熟化池(总体积4.5 万m3，总表面积3.62 万m2)组成，经过2级处理的废污水会在其中储存6～9 d，以除去其中的有机物质。经过3级处理的废污水不能够用作饮用水以及灌溉水，只能够用于回灌水质咸化的地下含水层。在2008年12月至2012年12月的4 a时间内，共有141 万m3再生水被引入地下，很好地提升了当地的地下水位，改善了地下水质。经过4 a的运行，Korba含水层内有些地方地下水位回升了1.5 m，而在平行于海岸的一个2 km宽的带状区域内地下水水质也有显著的改善[16]。

阿曼Salalah地区同样采用经过3级处理和氯化消毒的废污水回灌地下，来稳定咸淡水界面、控制海水入侵。2005年，该地区废污水处理厂生产能力为1.5 万m3/d，有效提供了用于回灌的地表水源保障[20]。自2007年起，巴塞罗那Llobregat三角洲和低谷地区沿着海岸修建了阻止海水入侵的回灌井工程，将经过3级处理以及微滤、紫外线杀菌、反渗透削减矿化度等方式深度处理的废污水回灌地下，构建起了新的淡水帷幕工程[31]。南加州洛杉矶县海水入侵防治淡水帷幕工程也采用经过微滤、反渗透、氧化处理过的再生水回灌地下[18]。

2.3 地下水

除此之外，淡水帷幕构建所需水源还可以来自地下水。Lu等通过假设稳态和突变界面模型，模拟分析了抽水-注水系统(将抽取出来的部分淡水再重新通过位于咸淡水界面趾端与抽水井之间的回灌井注入地下，建立淡水帷幕的联合系统)最大抽水量以及相应的咸淡水界面动态平衡问题。模型模拟结果表明，对于一个20 m厚、渗透系数10 m/d、地下淡水入流量0.24 m2/d的含水层来说，抽水-注水联合系统比单纯的抽水系统可以提高50%的净抽水量[5]。如此，则既提高了地下水抽水量，又无需另外的地表水源以构建淡水帷幕，具有明显的效益。加利福尼亚奥兰治县塔尔伯特淡水帷幕工程(Talbert Barrier Project)所用回灌水源中，30%～60%是循环再生水，其余则为深层地下水[19]。

Abd-Elhamid等提出了一个将抽取出来的地下咸水经过反渗透咸水淡化处理以后再重新回灌补源地下以建立淡水帷幕的ADR方法(Abstraction, Desalination and Recharge)。该方法结合了抽水帷幕和淡水帷幕两种海水入侵治理途径，而且反渗透海水淡化装置的应用还解决了构建淡水帷幕所需的地表水源这一制约因素，一举两得。采用动态变密度有限元模拟与遗传算法相结合的模拟-优化方法比较了这3种海水入侵治理途径的优劣。模拟结果表明，ADR方法相比较单纯的抽水帷幕以及淡水帷幕具有明显的优势，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，含水层矿化度值分别比抽水帷幕和淡水帷幕低21和28 mg/L。其成本减小一方面是由于较小的抽水量以及注水量造成，而另一方面则是由于地下咸水淡化提供了用于回灌补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饮用、灌溉、工业生产等，也会产生额外的收益。当然，随着地下咸水盐度的升高，反渗透咸水淡化成本随之增高，ADR法成本开始上升，相对效益会逐渐下降[30]。

3 对我国淡水帷幕营建的借鉴意义

我国淡水帷幕防治海水入侵应用还不广泛，比较典型的例子是山东省莱州湾畔的朱家村[7, 31]。朱家村通过筑坝拦海、在新生成陆地上修筑渗渠、渗沟等拦蓄夏秋季雨洪水回灌地下，使得当地的地下水环境好转，既解决了整个村庄的吃水问题，也使得受到海水入侵影响的土壤盐渍化问题得以消除，工农业生产生活重新回归正轨。在这方面，我国相关研究和实践都亟须加强。

回灌井法是国际上较为通用的淡水帷幕营建方式。我国可以借鉴的地方包括：重视观测井的作用，加强对地下水位及水质状况的及时掌握；注意回灌水源的水质问题，避免回灌井的堵塞；可以利用一部分生产井来进行回灌，注意解决农民对淡水帷幕工程的参与意愿问题；注重对承压层淡水资源的利用以及人工回补，提高海岸含水层的地下水资源利用水平等。此外，回灌井淡水帷幕的效果受多个因素的制约，例如回灌井的位置、长度、回灌的水量、回灌地层的渗透系数等[10]，应该注意回灌井的设计以及管理问题。例如，Luyun等通过室内试验和地下水三维变密度动态有限差分数值模拟表明：非承压水层淡水回灌补源发生在咸水楔趾部位置时海水入侵治理效果最好[32]。这些都对我国回灌井淡水帷幕措施的实行具有重要的指导意义。

此外，在我国沿海适宜地区，例如山东半岛以及辽东半岛等，应该重视在独流入海的丘陵山地小型水系的入海口以上适当位置，修筑拦河坝拦蓄夏季雨洪水，延长地表水在下游河道的入渗时间以及入渗水量，从而抬高河口平原区含水层的地下水位，起到淡水帷幕的作用。应当对现行的沿海河流上游筑坝拦截河水致使河道下游断流、无地表水补给海岸海水层的现象予以纠正，保障下游河道的入渗水量，发挥下游河床入渗补给地下水、营建淡水帷幕的作用。

对于淡水帷幕的营建，除了雨洪水以外，经过处理的废污水也是可资利用的。而且考虑到其规模，这一水源也将会是淡水帷幕营建的重要开源途径。除此之外，加强低矿化度地下咸水资源的脱盐技术的研究与应用也是解决淡水帷幕所需回灌水源的一个可行途径，对于河北沧州等地下咸水广布的海岸地区具有重要的意义。

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