第1章 绪论
本章主要介绍海平面上升对沿海地区海水入侵的影响的研究背景、研究现状与发展趋势、研究目标与研究内容、研究方法与技术路线以及主要研究成果。
1.1 研究背景
天然条件下，地下水自陆地向海洋方向泄流，咸淡水界面因地下含水层入海泄流量波动变化而维持着动态平衡。海水入侵是各种自然因素（如连续干旱、海平面上升等）和人类活动（主要是过量开采地下淡水）导致的滨海地区淡水的水头低于附近海水的水头，海水与淡水之间的水动力平衡被破坏，造成咸淡水界面（过渡带）向陆地方向移动的现象。全球60%的大城市和60%～70%的人口分布在海岸带及邻近地区。受全球气候变化和人为因素（地下水超采等）的双重影响，沿海地区成为地球上*活跃但又*脆弱的区域，特别是海水入侵及其引发的土壤盐渍化灾害，造成滨海地下水水质恶化，对区域水安全造成威胁，严重影响沿海地区的可持续发展。
据统计，世界上已有几十个国家和地区的许多地方出现海水入侵，如美国、英国、法国、德国、日本、意大利、澳大利亚、荷兰、比利时、希腊、西班牙、葡萄牙、以色列、墨西哥、印度、印度尼西亚、菲律宾、埃及、巴基斯坦等。我国于1964 年*先在大连市出现海水入侵，随后在青岛市也出现海水入侵问题。自20世纪80年代以来，随着沿海地区经济社会用水量快速增加，地下水开采量不断增大，海水入侵范围也逐渐扩大。“十三五”国家重点研发计划“黄渤海沿海地区地下水管理与海水入侵防治研究”项目研究成果表明，我国遭受海水入侵的省（区）从北向南依次有辽宁、河北、山东、江苏、浙江、福建、广东、广西和海南。其中，黄渤海沿海地区是我国海水入侵*为严重的区域，海水入侵总面积达6842km2，主要分布于丹东、大连、营口、盘锦、锦州、葫芦岛、秦皇岛、唐山、烟台、威海等城市。此外，黄渤海沿海地区还分布有大片的氯离子（Cl–）浓度大于等于250mg/L 的咸水体，分布面积为7.76 万km2（含海水入侵面积），占全国的89.6%。沿海地区咸水体的形成与地质时期海水滞留、入侵有密切的关系。
海水入侵区原来通常是农业高产区。海水入侵使得地下水咸化、土壤盐渍化，大批机井因水质恶化而报废，农业产量大幅度下降，个别地方甚至绝产。海水入侵区通常又是沿海地区的工业密集区，海水入侵导致滨海平原地下水水质日趋恶化，另建水源地或者增加输水管线都会加大生产成本；水中Cl–浓度增大，总硬度升高，不仅增加了水处理费用，还降低了产品质量，并使生产设备及输水管线遭受严重腐蚀。海水入侵还会导致入侵区地下水饮用水源水质恶化，造成甲状腺肿、氟骨病、氟斑牙、布氏菌病、肝吸虫病等疾病的发病率显著提高。
我国大陆海岸线长约1.8 万km，国家重要的经济中心如长江三角洲、珠江三角洲和环渤海地区均分布在沿海地区。海水入侵对我国沿海地区水安全、粮食安全、生命健康和生态安全造成了很大的危害，还会影响京津冀协同发展、长江三角洲区域一体化发展、粤港澳大湾区建设等国家重大战略的顺利实施。
综合分析我国沿海地区海水入侵成因与影响因素，主要有人类活动与自然变化两种。
1.1.1 人类活动因素
（1）地下水超采。地下水的过量开采，破坏了天然条件下海岸带含水层中淡水与海水间的平衡，造成海水向内陆入侵。我国沿海地区的海水入侵主要由地下水超采引起。例如，在山东省沿海地区，由于工农业用水量持续增加，加上地表水资源供应不足，地下水超采量不断加大，导致东营、潍坊、烟台、威海、青岛、日照等海水入侵范围不断扩大，地下水水质不断恶化。
（2）河道无序拦水。在部分沿海地区，入海河流中上游修建了大量水库、挡水闸及截潜流工程，层层截流，缺乏统一调度管理，导致河道下泄生态流量无法保障，地下水补给量削减，海水入侵不断加剧。
（3）河道采砂。部分沿海地区在入海河流河道挖砂，造成河床高程逐年下降，延长了海潮上溯距离，同时造成含水层结构破坏、地下水补给条件改变等问题，加速了海水向内陆的入侵。
（4）晒盐与海水养殖。滨海地区在海边修建了大量虾池、参池等海水养殖池，扩建盐田，抽引海水或高浓度地下卤水晒盐，这些生产活动将海水引入内陆数千米，加剧了局部地区的海水入侵。
1.1.2 自然变化因素
（1）海平面上升。受全球气候变暖、极地冰川融化、上层海水受热膨胀等因素的影响，全球海平面持续升高已是不争的事实。1980～2020 年，中国沿海海平面上升速率为3.4mm/a，高于同时段全球平均水平。2010～2020 年，我国沿海平均海平面处于近40 年来高位。预计未来30 年，我国沿海海平面上升高度*大将达179mm。海平面的上升使原有咸淡水之间的水动力平衡遭到一定程度的破坏，咸淡水界面向内陆方向移动，加重了沿海地区的海水入侵问题。
（2）气象条件。浅层地下水的补给主要来源于大气降水。在丰水年，降水多，河道径流量大，地下水的补给量就大，海水入侵速度就会减慢；在枯水年，尤其是连枯年份，降水少，地下水的补给量就小，加上地表水资源减少，从而造成地下水开采量增大，地下水水位便会下降，海水入侵程度就会加重。此外，风暴潮会使沿海地区部分陆地被淹没，海水长时间在陆地滞留，为海水入侵创造了有利条件。
（3）海岸带地质条件。地质构造对海水入侵的发生地点、方式、途径等起到了控制作用。砂质海岸地层主要为第四系松散沉积物，容易发生海水入侵。另外，上覆第四系松散层、延伸入海的承压含水层顶部存在岩性天窗，或因海底地形切割造成隔水层变薄、缺失，形成具有一定透水性能的基岩断裂破碎带或岩溶溶隙、溶洞等，均使海水可直接与含水层中地下水发生水力联系，即形成连通海水与地下水的“通道”，也易引发海水入侵。
总而言之，海平面上升、干旱少雨、地表水资源不足是海水入侵的背景因素；地质条件是海水入侵的基础条件，控制着海水入侵的分布、方式和途径；不合理的人类活动是海水入侵的诱发因素，控制着海水入侵的速度和程度，其中过量开采地下淡水是*主要的原因。本书侧重海平面上升对海水入侵的影响机制探索。
1.2 研究现状与发展趋势
国外海水入侵研究可追溯到19 世纪，经历了静力学研究、渗流动力学研究和渗流-弥散动力学研究三个阶段，海水入侵模拟的空间尺度从一维发展至二维、三维，模拟介质从均质发展至非均质，模拟状态从稳定流发展至非稳定流。美国是*早进行海水入侵研究的国家之一，美国地质调查局成功开发了海水入侵通用模拟模型SEAWAT 与SUTRA，这两个模型被广泛用于全球沿海重点地区海水入侵模拟、预测等。
我国海水入侵研究始于20 世纪80 年代，40 多年来，我国在海水入侵现状调查评价、机制研究、模拟预测和防治措施等方面，均取得了重要进展。南京大学在国际上较早建立了潜水含水层中海水入侵三维混溶数学模型，提出了龙口市地下水开发、管理及海水入侵防治措施，取得了良好的应用效果[1-3]。李福林[4]利用动态监测与数值模拟相结合的方法系统研究了莱州湾东岸滨海平原海水入侵问题。陈广泉[5]采用序贯指示模拟方法开展了莱州湾地区海水入侵预警评价工作。Zeng 等[6]建立了莱州湾西部海水入侵数值模型，并且利用该模型对地下水源地进4 海平面上升对沿海地区海水入侵的影响研究
行了污染风险评价。
近年来，针对气候变化引起的海平面上升对海水入侵影响的研究越来越受到学术界的重视[7]，Ketabchi 等[8]总结了近十几年海平面上升和潮汐等对海水入侵影响的研究成果。
1.2.1 海平面上升影响
Sherif 和Singh[9]、Kooi 等[10]较早地预测研究了海平面上升对滨海含水层中海水入侵的影响，结果表明海平面上升会加剧滨海含水层中海水的运移。Yechieli等[11]研究了地中海和死海滨海含水层对地中海海平面上升与死海海平面下降的响应。过去相当多的研究均假设海平面瞬时上升，这种假设是在海水入侵模型中的简单概化，会导致评价的海水入侵速度高于实际海平面逐渐上升的海水入侵速度[11-17]。目前，大多数关于海平面上升对海水入侵影响的研究忽略了陆面淹没（land-surface inundation，LSI）的影响，只有少部分学者考虑了该因素的影响[10， 15， 18， 19]。Ataie-Ashtiani 等[15]定义了一个无量纲比例参数以量化陆面淹没对海平面上升引起海水入侵的影响，研究结果表明，当海岸带坡度为1%时，考虑陆面淹没情景下海平面上升对海水入侵的影响程度比只考虑垂直海平面上升的影响程度高出一个数量级。夏军等[20]利用黄渤海1978～2007 年海平面变化资料以及山东省滨海地区海水入侵资料分析了海平面上升对滨海地区海水入侵的影响，自然因素角度的研究结果表明，气候变化引起的海平面上升是山东省滨海地区海水入侵范围扩大的主要原因。Sefelnasr 和Sherif[21]的研究结果也表明，忽略陆面淹没的影响会低估海平面上升对海水入侵的影响。Chesnaux[17]提出了四种解析解模型以评价海平面上升对滨海含水层海水入侵的影响，并且对方程中的关键参数进行了敏感性分析，研究结果表明，海岸带坡度是控制海平面上升对海水入侵影响程度的重要因素。Mehdizadeh 等[22]通过砂箱实验和数值模拟研究了海平面瞬时上升和逐步上升对滨海多层含水层系统海水入侵的影响，研究结果表明，海平面瞬时上升会在存在弱透水层的含水层系统底部形成“过冲”现象。Vu 等[23]评估了气候变化引起的海平面上升对越南湄公河三角洲海水入侵的影响，与基准时期（2000 年）相比，若2050 年的海平面从25cm 增加到30cm，大约30 000hm2 的农田将受到影响。Xu 等[24]研究了沿海岩溶含水层海水入侵数值模拟及敏感性分析问题，由于双重介质系统之间存在动态交换，相比弥散度参数，岩溶参数和边界条件对多孔介质海水入侵的影响更加关键。Mastrocicco等[25]分析了气候变化对意大利局部沿海海水入侵的影响，高海平面上升将严重影响脆弱的过渡生态系统。Jasechko 等[26]分析了自2000 年以来在美国本土进行的约250 000 次沿海地下水水位观测，沿着超过15%的海岸线，大部分地下水水位均低于海平面，海平面上升、沿海陆地下沉和不断增加的用水需求将加剧海水入侵的威胁。Ketabchi 和Jahangir[27]研究了含水层非均质各向异性对海平面上升引起的海水入侵的影响，量化了渗透系数的非均质性对海水入侵的影响。
1.2.2 内陆边界影响
Ataie-Ashtiani 等[28， 29]*次提出内陆边界条件（landward boundary conditions，LWBCs）对滨海含水层地下水动力和海水入侵的重大影响，他们主要评价了滨海含水层流量控制（flux-controlled，FC）边界和水头控制（head-controlled，HC）边界两种主要类型，当内陆边界为水头控制边界时，海平面上升对海水入侵的影响更显著。流量控制边界比水头控制边界提供了更高的水力梯度，因为内陆边界水头会随着海岸带边界水头的升高而上升，相比于流量控制边界，水头控制边界由于水力梯度的降低会经历地下水淡水补给减少的过程[30， 31]。Werner 和Simmons[12]*次应用一个简单的解析解模型研究内陆边界对海平面上升引起海水入侵的影响，结果表明内陆边界类型是影响海平面上升引起海水入侵过程的重要因素，当内陆边界为流量控制边界时，地下水补给速度、水力传导系数、含水层厚度等参数不变，海平面上升0.1～1.5m 时海水入侵楔形体尖端位置增加不超过50m，而当内陆边界条件为水头控制边界时，在同样的海平面上升和含水层参数条件下海水入侵楔形体尖端位置增加达上百米。Michael 等[31]使用SUTRA 建立了一个评价海平面上升对海水入侵影响的二维数值模型，该模型包含补给限制（上部边界为补给控制类型）和地形限制（上部
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