人工调控下海岸带地下水库水盐运移规律研究

China is a country with a typical continental monsoon climate, where rainfall is intensive during a year but varies significantly between years, water disasters occur frequently, and water resources imbalance between supply and demand is intense. The Aquifer Storage and Recovery (ASR) technique is one of effective ways of solving this imbalance, with the advantages of low construction cost, no space needed, safety, low evapotranspiration, and simple construction conditions. When operating an ASR in a coastal region, the challenging issue is that the intruded saltwater leads to a low recovery ratio. The salt transport during the ASR operation is controlled by a number of factors, including operational conditions, groundwater density, and hydrogeological and boundary conditions. This project aims to investigate comprehensively and systematically the salt transport during the ASR operation, and its impact on the recovery ratio, to explore various artificial and natural factors on the position and shape of the saltwater-freshwater interface, and to develop the quantitative model between operational conditions and recovery ratio. The results expected could improve the capacity of our country in managing surface and subsurface water resources, ensuring water safety, and tackling the climate change.

我国是个典型的大陆性季风气候国家，降水在年度高度集中，年际变化剧烈，水旱灾频繁，水资源供需矛盾十分尖锐。利用地下水库来调蓄水资源是解决这些矛盾的有效途径之一。地下水库具有建设成本低、不占地、较安全、蒸发损耗小、建库条件选择比较简单、水资源调蓄空间大等方面优点。在海岸带含水层中实施地下水库工程，遇到的最大挑战就是入侵的高密度咸水导致的低淡水回采率。地下水库的水盐运移受多因素的协同影响，包括：人工调控方式、地下水密度、水文地质条件及水动力边界条件。本项目拟结合野外调查、现场试验、室内试验、数值模拟等手段，全面、系统、深入研究人工调控下海岸带地下水库水盐运移规律及其对淡水回采率的影响，探索各人工与自然因子对咸淡水界面位置与形态的影响，建立人工调控方式与淡水回采率之间的定量模型。研究成果将对于提升我国水资源地表-地下联合调蓄水平、增强水安全保障能力和科学应对气候变化，具有重大科学意义和应用前景。

我国海岸线长达1.8万公里，沿海地区经济发达、人口稠密，对水资源需求量大，而海水入侵问题严重制约着海岸带社会经济的可持续发展，科学利用海岸带地下水库来调蓄水资源是解决水资源供需的有效途径，本研究采用解析推导、变密度数值模型和室内物理模型等方法，针对海岸带地下水合理开发利用获得了一系列创新成果，主要内容有：1) 探究复杂水文地质条件对海水入侵的影响机理，研究了填海造陆对盐水楔、上盐水羽和地下淡水排放的影响，阐明了水流和盐度的时空分布对人类活动和潮汐波动的响应机制；2) 探究了海陆水动力边界条件对海水入侵的影响机理，给出L形海陆水动力边界的解析解，建立了海岸带含水层海水入侵解析模型，能够实现海水入侵范围和海岸带地下水可开采量的准确和快速计算；3) 探究海平面上升与地下水开采单一因子与耦合驱动下的海水入侵机理及演变规律，开发分别考虑海平面上升和地下水开采影响的海水入侵解析、数值和物理模型，建立地下水开采和海平面上升共同作用下的的海水入侵概念模型，揭示了自然与人为因素共同作用下海水入侵的响应机制，为海平面上升背景下的海水入侵防治和沿海抽水井布设提供了指导；4) 进行了实用性适应性海水入侵防治方法研究，首次验证了注气法对海水入侵的防治作用，为滨海地区海水入侵防治提供了新手段；5) 开发了基于含水层储存和回采技术的滨海地下水库数值统计模型和双域物质传输模型。阐明了海岸带含水层的空间变异性对ASR技术的地下水库系统中地下水流和盐浓度分布变化，以及对长时间、多周期淡水回采率的影响规律，揭示了双域物质传输和密度效应对地下水库的水盐运移规律和淡水回采率的耦合影响机制。6) 提出了基于低渗透介质的海岛淡水增储技术，极大地增加了海岛淡水储量。研究成果将对整体提升我国海岸综合治理与保护的学科水平和我国沿海地区地下水管理水平、增强水安全保障能力和科学应对全球气候变化，具有重大科学意义和实际价值。