黃渤海沿海地區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. 南京大學地球科學與工程學院，江蘇南京 210023；2. 南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京 210029）

沿海地區人口密集，經濟發展迅速。地下水開采等人類活動和海平面上升導致許多地區出現了嚴重的海水入侵問題，引發地下水水質惡化、土壤退化等一系列生態環境問題，嚴重制約經濟社會的可持續發展。科學管理沿海地區地下水，防止海水入侵加劇，已成為亟需解決的重要問題。為此，2016年7月經科技部批復正式立項“黃渤海沿海地區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生、演化、防治與地下水管理研究為主線，開展專項研發攻關，探求高效的黃渤海沿海地區地下水管理模式與海水入侵適應性管理對策。

1 研究背景與意義

我國約45%（全球約44%）的人口居住在沿海地區，國家重要的經濟中心，如長三角、珠三角及環渤海灣均分布在沿海地區，地下水開采等人類活動和海平面上升導致許多地區出現了嚴重的海水入侵問題，引發地下水水質惡化、土壤退化等一系列生態環境問題，嚴重制約經濟社會的可持續發展。科學管理沿海地區地下水，防止海水入侵加劇，已成為亟需解決的重要問題。

近十年來，隨著基礎理論、模擬技術、計算平臺及分析測試技術的迅速發展，海水入侵研究已從單一的地下水問題發展為融合水文地質、生態環境、全球變化、工程管理等多學科交叉綜合研究問題；從單一調查評價發展為結合地球物理探測、水文地球化學示蹤、3S技術、地下水優化管理及防治工程等多技術的綜合性研究。不同類型海岸帶海水入侵發生機理與作用機制、海水入侵中水—鹽—介質多過程模擬及耦合、海水入侵防治技術與地下水適應性管理等科學技術問題已引起國內外越來越多的關注，必將成為今后的研究熱點。

2 研究內容

2.1 擬解決的重大科學問題與關鍵技術問題

本項目面向國家水資源安全保障與高效利用的重大現實需求，以不同類型海岸帶的海水入侵發生、演化、防治與地下水管理研究為主線，重點解決3大關鍵科學技術問題：①不同類型海岸帶海水入侵發生機理與作用機制；②海水入侵中水—鹽—介質多過程模擬及耦合；③海水入侵防治技術與地下水適應性管理

2.2 主要研究內容

針對上述問題，本項目的研究重點：一是海平面上升和人類活動影響下不同類型海岸帶海水入侵發生機理與演化規律研究；二是海水入侵多種復雜過程的耦合模擬模型與優化技術研究；三是黃渤海沿海地區海水入侵綜合防治技術體系構建和地下水適應性管理模式研究。

具體開展的主要研究內容包括：

①沿海地區海水入侵現狀調查評價；

②黃渤海不同類型海岸帶海水入侵發展演化規律研究；

③沿海地區地下水開采與海水入侵作用機理研究；

④海平面上升對沿海地區海水入侵的影響研究；

⑤黃渤海沿海地區海水入侵水環境效應研究；

⑥海水入侵模擬與預測技術方法及軟件平臺研發；

⑦沿海地區地下水開采優化調控技術研發；

⑧黃渤海沿海地區海水入侵綜合防治與管理對策研究；

⑨渤海沿海典型區海水入侵防治技術研究與應用示范；

⑩黃海沿海典型區海水入侵防治技術研究與應用示范。

2.3 技術路線

以我國沿海地區海水入侵現狀調查評價為基礎，基于海平面上升和人類活動影響研究海水入侵的發生機理、發展演化規律及環境生態效應，研發海水入侵模擬與預測軟件平臺，以優化調控沿海地區的地下水開采，并通過應用示范來構建黃渤海沿海地區海水入侵綜合防治技術體系，提出和完善海水入侵防治與地下水管理對策。

本項目實施技術路線如圖1所示。

圖1 項目實施技術路線

3 研究目標

圍繞項目的關鍵科學問題與主要研究內容，項目力爭在以下3方面取得重要突破：

基礎理論方面，揭示海平面上升和人類活動影響下黃渤海不同類型海岸帶海水入侵發生機理和發展規律，解析海水入侵的危害及其環境、生態效應，定量刻畫不同層位地下水開采對海水入侵程度的影響，揭示海水入侵對海平面上升的響應機制，預測未來海平面變化對海水入侵的影響；

技術方法方面，改進海水入侵建模方法，研發具有我國自主知識產權的海水入侵模擬與預測軟件平臺，創新沿海地區地下水開采優化調控技術，建立變化環境下沿海地區地下水開采多目標優化管理模型；

應用示范方面，面向黃渤海沿海地區超采區治理、地下水水量與水位雙控和海水入侵防控需求，發展和提升沿海地區海水入侵防治技術，形成海水入侵綜合防治技術體系，集成典型區應用示范成果，提出黃渤海沿海地區地下水管理模式與海水入侵適應性管理對策。

圍繞以上創新目標，申報項目的具體目標包括：

①掌握沿海地區海水入侵現狀和演變規律，繪制我國海水入侵分布圖；

②闡明海水入侵發生機理、危害及其次生環境、生態效應，定量評價海平面上升和不同層位地下水開采對海水入侵的影響；

③研發具有我國自主知識產權的海水入侵模擬與預測軟件平臺，建立變化環境下黃渤海沿海地區地下水開采多目標優化管理模型；

④構建黃渤海沿海地區海水入侵綜合防治技術體系，實現黃渤海沿海示范區（不低于2 000km2）減少海水入侵范圍10%，提升沿海地區地下水管理水平，為地下水資源可持續利用提供可靠技術支撐。

4 預期成果和效益

本項目將在海水入侵發生機理、演化規律等科學理論方面取得重要進展，在沿海地區地下水管理、海水入侵綜合防治技術等方面取得突出成果，在典型區海水入侵防治技術應用示范中取得顯著的社會經濟與生態環境效益。

本項目預期成果主要有：

①我國沿海地區海水入侵分布圖；

②揭示海水入侵發生機理和演變規律；

③海水入侵模擬模型；

④沿海地區地下水優化調控管理模型；

⑤具有我國自主知識產權的海水入侵模擬與預測軟件平臺；

⑥沿海地區海水入侵綜合防治技術體系；

⑦沿海地區地下水管理模式和海水入侵適應性管理對策；

⑧沿海示范區減少海水入侵范圍10%；

⑨發明專利10項、專著2部、論文100篇，培養研究生30名。

本項目對“水資源高效開發利用”重點專項之“水資源智能調度與精細化管理”重點方向目標的支撐作用主要有：

①通過多種方法綜合運用，查明不同類型海岸帶海水入侵現狀，編制我國沿海地區海水入侵分布圖，闡明人類活動與海平面上升影響下沿海地區海水入侵發生機理，揭示人類活動與氣候變化雙重脅迫下海水入侵發展演化規律，定量分析海水入侵對地下水水量和水質現狀及未來演變趨勢的影響，為變化環境下沿海地區地下水管理與海水入侵防治提供理論支撐。

②發展海水入侵模擬與預測技術，建立變化環境下黃渤海沿海地區地下水開采多目標優化管理模型，研發具有我國自主知識產權的海水入侵模擬優化與預測軟件平臺，結合典型區的應用示范，形成黃渤海沿海地區海水入侵綜合防治技術體系，提出沿海地區地下水管理模式與海水入侵適應性管理對策，為基于地下水采補關系的水量—水位雙控管理提供創新技術，為沿海地區地下水資源保護和超采區治理修復提供技術應用示范。