滨海含水层海水入侵形成与治理机制研究

The study on seawater intrusion into fresh aquifer is a major frontier issue to be urgently solved in the field of international environmental geology and deserves worldwide attention. It is of great scientific significance and application to deeply study the formation mechanism and control measures of seawater intrusion due to human activities. In this study, with typical seawater intrusion sites in Shandong Peninsula as target areas, the major sources and evolution of underground salt water will be quantitatively investigated by means of M3 model. Through a combination of in-situ monitoring, series of simulation experiments, detailed numerical simulations and in-depth theoretical analysis, a deep insight will be addressed into the mechanism of diagnostic mineral precipitation during the process of seawater intrusion and control of seawater intrusion (freshwater barrier and cutoff engineering). In addition, more efforts will be made to develop a suitable non-deterministic simulation-optimization groundwater model to put forward a feasible technical solution for prevention and control of seawater intrusion and provide a scientific basis for the sustainable development of coastal economy and society in China. For another, the study deeply reveals the dynamics of coastal groundwater and water chemical mechanism, which can further enrich the theories of hydrogeology.

地下水海水入侵研究是国际环境地学领域亟待解决的重大前沿性课题，也是全世界面临的严重挑战，深入研究人类活动胁迫下海水入侵形成机理与防治对策，具有重大的科学意义和应用价值。本项目以山东半岛典型的海水入侵场地为依托，借助M3模型定量解析地下咸水的来源和演化；通过原位监测、系列模拟试验、精细的数值模拟、深入的理论分析，揭示海水入侵过程中特征矿物沉淀的机理，阐明海水入侵防治（淡水帷幕、截渗工程）机制与效应，开发适合滨海地下水非确定性模拟-优化模型，提出切实可行的海水入侵防治技术方案，为我国沿海经济和社会可持续发展提供科学依据。该研究深入揭示滨海地下水动力学和水化学机制，可以进一步丰富水文地质学的理论体系。

滨海地区在气候变化和人类活动的双重压力下，水资源和环境问题突出，深入研究含水层海水入侵形成机理，解决滨海地区水资源合理开发利用和环境保护瓶颈，迫在眉睫。本项目系统研究了典型海水入侵区地下咸水来源和人工回灌条件下含水层物理-生物复合堵塞的作用机制、滨海地下截渗工程的水动力机制与环境效应、开发了滨海地下水优化管理模型。取得的重要进展如下：.（1）提出一种新的地下咸水来源定量解析方法，克服了现有解析方法在复杂水文地质条件下应用的局限性，提高了地下水源解析的精度，确定了研究区地下咸水的来源及其贡献。.（2）定量计算了典型海水入侵区地下水中各元素组分分布，明晰了矿物-地下水之间的物质交换量，确定了沉淀物与介质孔隙结构的关系，从孔隙尺度上表征了沉淀矿物的数量、形态和分布。.（3）定量刻画了含水层堵塞过程中悬浮颗粒沉积量、微生物数量以及胞外分泌物的动态变化，建立了堵塞物质与渗透系数之间关系，解析了含水层复合堵塞的机理和行为。.（4）发明了变渗透和组合式截渗墙，定量分析了截渗墙结构（位置和高度）和水动力条件对地下咸水分布和硝酸盐富集的影响效应，阐明了截渗墙上游含水层残留咸水净化的动力学机制。.（5）开发了时间异变性-多目标优化模型（EGN），解决了现有优化管理模型的不确定性问题，可以显著降低全局优化算法的复杂性，而且大大提高计算效率。.（6）依托青岛市大沽河大型生态治理工程和地下截渗工程，建立了河流橡胶坝拦蓄补淡和井-湖排咸的区域海水入侵治理综合技术体系，解决了区域海水入侵治理的技术难题。.本项目执行过程中，在国内外学术期刊上发表论文37篇（其中中科院一区17篇，二区6篇；第一标注27篇，第二标注10篇）；出版专著1部，申请国家发明专利和申请软件著作权8项，获山东科技进步二等奖和山东省海洋科技创新二等奖各1项；培养博士后2名、研究生27名（其中博士生9名，硕士生18名），参加国际和国内学术会议18人次。培养青年骨干教师2人，郑天元入选“中国海洋大学英才计划”，郑天元、阎妮、张博分别获得国家自然科学基金面上、青年项目资助。