地下水都是淡水吗?
滨海含水层中淡水和咸水的相互作2007年06月10日 星期日 20:38一、概 述
滨海含水层是指陆地淡水和海水在地下相遇的部分，可以由不同类型的岩石组成，其中包括岩溶发育的石灰岩、裂隙发育的岩石和松散砂岩，厚度从几米到上千米不等。 地表上的土地利用、地形和气候条件也可能明显不同。尽管含水层性状迥异不同，但是滨海含水层还是有着相同的水文地质特征，例如，流动受浓度梯度的影响非常大，由于淡水和咸水组成的差异，在混合区会形成不同的水质特征。 由于处于地质活动强烈的环境，地下水类型通常受长时间地质作用（如海平面波动）的影响。
从水管理的角度来看，由于海水入侵和倒锥的形成，在滨海含水层，易于发生...全部
滨海含水层中淡水和咸水的相互作2007年06月10日 星期日 20:38一、概 述
滨海含水层是指陆地淡水和海水在地下相遇的部分，可以由不同类型的岩石组成，其中包括岩溶发育的石灰岩、裂隙发育的岩石和松散砂岩，厚度从几米到上千米不等。
地表上的土地利用、地形和气候条件也可能明显不同。尽管含水层性状迥异不同，但是滨海含水层还是有着相同的水文地质特征，例如，流动受浓度梯度的影响非常大，由于淡水和咸水组成的差异，在混合区会形成不同的水质特征。
由于处于地质活动强烈的环境，地下水类型通常受长时间地质作用（如海平面波动）的影响。
从水管理的角度来看，由于海水入侵和倒锥的形成，在滨海含水层，易于发生淡水咸化问题。随着对淡水资源需求的增加、天然水文地质条件的破坏、气候变化和地下水污染，可利用的水资源和宝贵的生态环境正面临着严重的压力。
本文将探讨滨海含水层目前的状态，常见的问题，以及水文地质学作为一门学科，如何在实现可持续发展过程中作出应有贡献。
二、现状分析
世界上的滨海地区几乎都是人口高度密集区，全世界有一半的人口居住在滨海地区，而且10个大城市中就有8个位于滨海地区（联合国海洋论坛， ），同时，大量的用水需求对地下水资源造成了巨大的压力；同时含水层也受到了废物和生活污水处置以及污染物淋滤的威胁；承压水水位的降低又造成了地面沉降。
在干旱和半干旱地区，地下水作为唯一的淡水资源，在用水高峰期（如旅游季节）面临的问题尤为严重。然而，这些问题并不只出现在滨海含水层中，将滨海含水层与其它含水层分开来考虑，只会造成由于过度开采而导致的海水入侵变得更为严重。
关于海水入侵问题，没有全面的评论。在一些文献中，完整地记录了美国（Konikow 和Reilly，1999）和地中海（López-Geta等，2003）滨海含水层的一些海水入侵的案例，包括夏威夷、加利福尼亚、佛罗里达、大西洋和海湾的沿海平原等。
欧洲环境保护署的最近数据表明，在欧洲，至少有100个地区受到了海水入侵的影响（Scheidleger等，2004）。在荷兰，拥有来自河流和大气降水的充足淡水资源，但是在1880～1992年间，由于盐化作用，有20个井群被迫关闭，另外的9个不得不利用人工补给（Stuyfzand等，2004）。
这些数字表明，海水入侵是全球性的问题。另外，由于人口的增加和经济的发展，污染物造成的水质恶化、河流补给减少以及气候变化等问题在未来的10年内将会变得更加严峻。预计在某些地区海平面上升和地下水补给率减少，会造成海水进一步向内陆扩张，进而造成淡水资源的污染。
三、解决方案
和其它含水层一样，滨海含水层的管理也包括需求和更新的平衡问题。因此，滨海含水层管理的主要问题是优化抽水方案，预防并减少含盐地下水的侧向运移。更多情况下，水需求量远远大于供给量，这样就必须采用其它一些补充方案，以保证充足的用水量。
这些方案可能包括从湿润地区引水在干旱期将过量的水资源进行人工补给，循环再利用，脱盐和用水定额配给等。
假如在不久的将来出现水资源短缺问题，那么将会增加对含盐地下水和处理废水的利用。需要确定不同的用水需求，从而可以为不同的用户分配不同的用水量，例如，为何用宝贵的淡水资源作工业用途呢？譬如进行工业冷却。
对于特定地区而言，最佳方案取决于该区的社会经济、法律、环境和水文地质条件等诸多因素。对评价方案的可行性和影响力，水文地质学家起着非常重要的作用。但是最新的水文地质工具和知识水平可以回答滨海区最佳的地下水管理问题吗？还存在着一些什么样的科学问题？
四、科学挑战
有人认为滨海水文地质始于Badon Ghijben（1888）和Herzberg（1901）的研究工作。
此后的10年内，许多野外研究和理论分析相结合，使得滨海含水层地下水流动和盐分分配等基本理论得到了发展。从上世纪70年代早期开始，建立了许多模型。随着计算机的广泛应用，现在可以用一些软件来模拟实际含水层的情况，如三维流、非均质和各向异性等。
关于滨海区地下水水质问题的研究，也得到了一定的发展。Versluys（1916）最先认识到阳离子交换作用对流动的淡水和含盐地下水水体的化学组成的重要性。在上世纪80年代和90年代，学者们对含水层的性质进行了广泛的研究。
同时也详细研究了海水和淡水相互混合的化学过程，如方解石溶解。另外，在许多研究中也用到了同位素方法，据此来确定咸水的来源，进而来确定水体的年代。
以上对滨海水文地质发展概况的总结尽管非常简洁，但已充分说明了所取得的巨大进步，而这一点是复杂的水资源管理工作所必不可少的。
当然，仍有许多问题有待进一步研究，如滨海水文地质系统的总体把握、数学模型的发展、地下水的水文地质特征和地球化学性质等。
（一）概念的理解
传统的概念认为，含水层中淡水和咸水的空间分布是淡水水体覆于咸水水体之上的，咸水水体位于海平面以下。
这一概念仅限于那些海岸线很长而且保持平稳的地区。然而，由于全球海平面波动和海岸线不断迁移，因此，这一概念只是一种特例。在最后一次冰川期（110～10ka BP）海平面下降，随后的全新世（10ka BP至今）时期海平面持续上升。
因此，在近海有时会发现几十千米的淡水层，相反，在距目前海岸线很远的内陆却会发现含盐地下水。
研究地下咸水的古水文地质演化过程和影响因素是一个学术挑战，同时对于了解水资源演化和进行咸水入侵研究，也具有重要的意义。
应当对目前近海淡水资源的可持续开采量进行计算，并认真选择模型计算的初始条件和边界条件。例如，通常假定浓度（海水）和海岸线的水文地质边界条件是定值，而事实上如果淡水延伸到了海平面以下，这一假定是不合理的。
由于目前滨海含水层中的淡水和含盐地下水分布仍可以反映以前的环境状况，因此，不清楚目前的环境有多大程度上是由长期影响或最近人为活动影响的结果。这一问题也引起了对海底地下水排泄的研究（Kooi和Groen，2001）。
目前已经意识到，近海地下水排泄造成了营养负荷加大和沿海海水污染，在这一方面有许多工作要做。需要采用多种方法对排泄量进行可行性的定量评价，同时，为了预测营养物质和污染物进入海水后的运移情况，需要对由于海水和地下水相互作用而导致的地球化学作用进行研究。
在这一方面，可以采用耦合多组分反应运移模型模拟变密度流动过程。
天然水文地质条件的破环是影响地下淡水资源的另一个因素。例如，上游河流水量减少到一定程度，会造成海水在河口逆流迁移，由于海滨海地区的沉积物减少，从而会造了成海岸线的后退。
例如在澳大利亚墨累河和埃及尼罗河的某些地区，海岸线平均每年会后退几十米（Frihy等，2003）。显然，海岸线后退会对内陆的淡水资源造成一定的负面影响。
预期的气候变化和相应的海平面抬升将会影响滨海含水层的流动区域（Oude Essink，2001）。
由于海平面抬升会造成海水入侵和淡水资源的减少，所以必须进行精确地定量研究，并告知水资源管理者，同时也需要对影响海水向内陆推进范围和海底地下水排泄率的含水层排泄区变化进行定量化研究。在进行这些预测时，需要有良好的理论知识和可靠的模拟手段。
（二）数学模型
在滨海区的地下水流动和溶质运移模型中，需要考虑密度的差异。Simmons（2005）对该问题进行了深入探讨。
模拟密度驱动流的数字代码的明显缺陷，是很少有分析方案和实验室实验结果可以对此进行验证，目前仍有许多问题没有得到解决，例如，关于模拟上覆于淡水含水层的咸水的非稳定流时，不稳定性依赖于空间和时间的离散性（Diersch和Kolditz，2002）。
目前多采用将模拟变密度地下水流代码和地球化学代码相结合的方法，来完整地描述耦合流和水文地球化学系统（Freedman和Ibaraki，2002；Langevin等，2004）。已有的耦合模型的应用方法有所不同，这与解决方案和复杂的地球化学反应有关。
这些代码的发展仍处于初始阶段，仍需要深入研究。
在污染羽迁移受变密度流影响的滨海区，咸水入侵导致某些反应，如阳离子交换、矿物溶解/沉淀和发生氧化还原反应时，会采用多组分反应运移模型。化学反应会影响到地下水的密度，进而会影响到流域的范围。
随着对脱盐后地下水需求量的增加，相应地需要设计脱盐工厂，需要精确计算所抽取地下水的组分。此时，这些模型的重要性就可以更加充分地发挥出来。
通过将化学反应之间的相互作用（如沉淀/溶解反应）和含水层的物理特性（如水力传导系数和孔隙度）包括在内，多组分反应运移模型可以得到进一步发展（Freedman和Ibaraki，2002）。
这些模型可以用于验证方案的可行性，用来评价人工障碍物对咸水入侵的影响。尽管目前在这一领域已经开展了一些工作，但是关于这些相互作用的机理仍不太清楚。
由于水盐预算，地表水和地下水有了更紧密地联系。
由于地下水比地表水的反应要滞后，因此，模拟二者之间的相互作用时，需要确定一个合适的时间尺度。在这一领域进行的研究工作不多，需要建立一些评价海平面上升对河流含盐量影响的模型。
（三）地下特征
为了准确地应用模型来描述真实的三维流动、迁移以及不同密度条件下的地球化学作用，需要对地下特征进行准确而详细的描述。
由于海水迁移在很大程度上是受地下非均质性的控制，因此在确定海水入侵时有一定的难度。当然，在其它水文地质领域也会出现这一难题，如受污染的水文地质条件；然而，咸水入侵问题涉及的范围要大得多。所以，对裂隙等具有优先流动路径的地质结构的描述就显得尤为重要。
绘制水文地质图不能仅依靠钻孔资料，因为钻孔数量一般都相对较少。在数值模型中，地下含盐量分布情况也是一个非常重要的参数。需要采用可以提供岩性、水力特性和盐分变化的方法来获得有效的地下特征，如二维或三维地电、航空电磁和地震方法等。
目前在滨海水文地质研究工作中，用到了这些相对较新的技术。而且已经证实沉积学模型在这方面起着独到的作用。
逆解法是确定所需输入参数的另一种方法。新的最优化算法正在发展用来校正变密度模型。在新的方法中，将水头和盐分结合起来分析，从而提高了参数估计的可靠性。
尽管确定地下特征的技术方法在不断改进，但是仍存在不确定性，需要进一步研究。用统计属性确定参数代替定性模型确定参数的随机模型能够量化预测模型中的不确定性。同时也需要评价小尺度范围内的非均质性影响，在区域尺度模型中，非均质性的影响是通过有效参数确定的。
小尺度渗透性变化的影响通过弥散系数进行模拟。这一方法是否有效仍在争议之中，在将来的研究工作中是一个重要的课题（Diersch和Kolditz，2002）。
在确定非均质性时也需要对地下水补给进行定量化。
补给率随时空变化极不平衡，特别是在城市地区表现得尤为明显，而在滨海地区又有大量的城市存在。应当在滨海地区采用新的同位素技术，如氚－氦测年方法来了解含水层补给的变化情况。之后，建模者通过这一信息来对模型进行改进。
近海区的资料缺乏是一个严峻的问题。滨海含水层通常会延伸至海底以下，因此在建立正确的咸水入侵模型时需要精确的海底地质条件。目前陆地－海洋相互联系方面的研究工作还不够，在将来的研究工作中，水文地质学家应当和海洋地质学家进行合作，以解决这方面的问题。
五、结 论
滨海区的供水条件和生态系统面临着极大的压力，而且这种压力估计会在将来所增加。问题是，什么时候是受淡水资源所限制的人口数量和生活条件会达到极限？目前的技术，如人工补给和恢复、脱盐作用和水循环利用可以缓解这一问题吗？或者说使居民逐渐适应退化的生态环境，甚至是放弃利用这些地区？要回答这些问题，需要考虑许多因素。
水文地质学家的作用是如何实现滨海含水层的最佳管理，从而实现资源的可持续利用。
重新回到前面的问题上来，目前的技术可以解决这一问题吗？在过去的几十年间，进行了大量的滨海水文地质方面的研究。目前，已经建立了许多很好的模型，根据这些模型可以模拟变密度条件下的地下水流动和溶质运移。
尽管仍需进一步考虑将弥散和自然对流相结合的问题，事实上在模拟过程更多要考虑的是模拟真实的情况，而不仅仅是对过程进行描述。非常需要采用一些更好的方法来确定模型中的输入参数，进而可以确定含水层物理化学性质的空间变化和补给率。
另外，需要将陆地和海洋结合起来分析，而且需要研究长期的变化规律，据此预测气候变化的影响。
。收起
