Вторжение соленой воды
Движение соленой воды в пресноводные водоносные горизонты

Вторжение соленой воды — это перемещение соленой воды в пресноводные водоносные горизонты , что может привести к ухудшению качества грунтовых вод, включая источники питьевой воды , и другим последствиям. Вторжение соленой воды может естественным образом происходить в прибрежных водоносных горизонтах из-за гидравлической связи между грунтовыми водами и морской водой . Поскольку соленая вода имеет более высокое содержание минералов, чем пресная вода, она плотнее и имеет более высокое давление воды. В результате соленая вода может проталкиваться вглубь суши под пресную воду. [1] В других топологиях подводный сброс грунтовых вод может проталкивать пресную воду в соленую.

Определенные виды деятельности человека, особенно откачка грунтовых вод из прибрежных пресноводных скважин , увеличили проникновение соленой воды во многие прибрежные районы. Извлечение воды снижает уровень пресных грунтовых вод, уменьшая их давление воды и позволяя соленой воде течь дальше вглубь страны. Другими факторами, способствующими проникновению соленой воды, являются навигационные каналы или сельскохозяйственные и дренажные каналы , которые обеспечивают каналы для перемещения соленой воды вглубь страны. Повышение уровня моря, вызванное изменением климата , также способствует проникновению соленой воды. [2] Вторжение соленой воды также может быть усугублено экстремальными явлениями, такими как ураганные штормовые нагоны . [3]

Гидрология

Причина и последствия проникновения соленой воды

На прибрежной границе пресные грунтовые воды, текущие из внутренних районов, встречаются с солеными грунтовыми водами из океана. Пресные грунтовые воды текут из внутренних районов к побережью, где высота и уровень грунтовых вод ниже. [2] Поскольку соленая вода имеет более высокое содержание растворенных солей и минералов , она плотнее пресной воды, в результате чего она имеет более высокий гидравлический напор, чем пресная вода. Гидравлический напор относится к давлению жидкости, оказываемому столбом воды: столб воды с более высоким гидравлическим напором переместится в столб воды с более низким гидравлическим напором, если столбы соединены. [4]

Более высокое давление и плотность соленой воды заставляет ее перемещаться в прибрежные водоносные горизонты в форме клина под пресной водой. Соленая и пресная вода встречаются в переходной зоне, где смешивание происходит посредством дисперсии и диффузии . Обычно внутренняя протяженность клина соленой воды ограничена, поскольку уровни пресных грунтовых вод или высота столба пресной воды увеличиваются по мере того, как высота суши становится выше. [2]

Причины

Добыча грунтовых вод

Извлечение грунтовых вод является основной причиной проникновения соленой воды. Грунтовые воды являются основным источником питьевой воды во многих прибрежных районах Соединенных Штатов, и добыча со временем увеличилась. В исходных условиях внутреннее распространение соленой воды ограничено более высоким давлением, оказываемым пресноводным столбом, из-за его большей высоты. Извлечение грунтовых вод может понизить уровень пресноводного зеркала , уменьшая давление, оказываемое пресноводным столбом, и позволяя более плотной соленой воде перемещаться вглубь суши в боковом направлении. [2] В Кейп-Мей, штат Нью-Джерси , с 1940-х годов изъятие воды понизило уровень грунтовых вод до 30 метров, уменьшив уровень грунтовых вод до уровня ниже уровня моря и вызвав широкомасштабное проникновение и загрязнение скважин водоснабжения . [5] [6]

Извлечение грунтовых вод также может привести к загрязнению скважин, вызывая подъем или подъем соленой воды из глубин водоносного горизонта. [7] При базовых условиях клин соленой воды простирается вглубь суши, под пресной водой из-за ее более высокой плотности. Водоснабжающие скважины, расположенные над или около клина соленой воды, могут вытягивать соленую воду вверх, создавая конус соленой воды, который может достичь и загрязнить скважину. Некоторые водоносные горизонты предрасположены к этому типу вторжения, например, водоносный горизонт Нижней Флориды : хотя относительно непроницаемый слой породы или глины отделяет пресную грунтовую воду от соленой, изолированные трещины нарушают удерживающий слой, способствуя движению соленой воды вверх. Откачка грунтовых вод усиливает этот эффект, понижая уровень грунтовых вод, уменьшая нисходящий напор пресной воды. [6]

Каналы и дренажные сети

Строительство каналов и дренажных сетей может привести к проникновению соленой воды. Каналы обеспечивают пути для переноса соленой воды вглубь суши, как и углубление существующих каналов для целей навигации . [2] [8] В эстуарии озера Сабин в Мексиканском заливе крупные водные пути позволили соленой воде попасть в озеро и вверх по течению в реки, питающие озеро. Кроме того, углубление каналов в близлежащих водно-болотных угодьях для облегчения бурения нефтяных и газовых скважин вызвало просадку почвы , что еще больше способствовало перемещению соленой воды вглубь суши. [9]

Дренажные сети, построенные для осушения плоских прибрежных территорий, могут привести к вторжению из-за понижения уровня пресной воды, что снижает давление воды, оказываемое столбом пресной воды. Вторжение соленой воды на юго-востоке Флориды произошло в основном в результате дренажных каналов, построенных в период с 1903 по 1980-е годы для осушения Эверглейдс для сельскохозяйственного и городского развития. Основной причиной вторжения было понижение уровня грунтовых вод, хотя каналы также транспортировали морскую воду вглубь страны до строительства водорегулирующих ворот. [6]

Решения

Двухслойная воздушно-пузырьковая завеса для предотвращения проникновения морской воды в реки
Рабочий процесс ABC

Вторжение морской воды (SWI) в реки может привести ко многим негативным последствиям, особенно для сельскохозяйственной деятельности и живых экосистем в верховьях рек. Существует множество решений, разработанных для предотвращения или снижения негативных последствий вторжения морской воды. Одним из устойчивых решений для рек является использование воздушно-пузырьковых завес, которые могут полностью решить проблемы SWI в реках. [10]

Влияние на водоснабжение

Многие прибрежные сообщества вокруг Соединенных Штатов сталкиваются с загрязнением соленой водой скважин водоснабжения, и эта проблема наблюдается уже десятилетиями. [11] Многие средиземноморские прибрежные водоносные горизонты страдают от последствий вторжения морской воды. [12] [13] Последствия вторжения соленой воды для скважин водоснабжения сильно различаются в зависимости от масштаба вторжения, предполагаемого использования воды и того, превышает ли соленость стандарты предполагаемого использования. [2] [14] В некоторых областях, таких как штат Вашингтон, вторжение достигает только частей водоносного горизонта, затрагивая только определенные скважины водоснабжения. Другие водоносные горизонты столкнулись с более распространенным загрязнением соленостью, что значительно повлияло на запасы грунтовых вод в регионе. Например, в Кейп-Мей, штат Нью-Джерси , где извлечение грунтовых вод привело к снижению уровня грунтовых вод на 30 метров, вторжение соленой воды привело к закрытию более 120 скважин водоснабжения с 1940-х годов. [6]

Соотношение Гибена–Герцберга

Первые физические формулировки интрузии соленой воды были сделаны Виллемом Бадон-Гейбеном  [порт] в 1888 и 1889 годах, а также Александром Герцбергом  [нем.] в 1901 году, поэтому они получили название соотношения Гибена–Герцберга. [15] Они вывели аналитические решения для аппроксимации поведения интрузии, которые основаны на ряде предположений, которые не выполняются во всех полевых случаях.

соотношение Гибена–Герцберга [2]

В уравнении

з = ρ ф ( ρ с − ρ ф ) час {\displaystyle z={\frac {\rho _{f}}{(\rho _{s}-\rho _{f})}}h}

толщина пресноводной зоны над уровнем моря представлена ​​как , а ниже уровня моря представлена ​​как . Две толщины и , связаны соотношением и где - плотность пресной воды, а - плотность соленой воды. Пресная вода имеет плотность около 1,000 граммов на кубический сантиметр (г/см 3 ) при 20 °C, тогда как плотность морской воды составляет около 1,025 г/см 3 . Уравнение можно упростить до час {\displaystyle ч} з {\displaystyle z} час {\displaystyle ч} з {\displaystyle z} ρ ф {\displaystyle \rho _{f}} ρ с {\displaystyle \rho _{s}} ρ ф {\displaystyle \rho _{f}} ρ с {\displaystyle \rho _{s}}

з   = 40 час {\displaystyle z\ =40h} . [2]

Соотношение Гибена-Герцберга гласит, что на каждый метр пресной воды в неограниченном водоносном горизонте над уровнем моря приходится сорок метров пресной воды в водоносном горизонте ниже уровня моря.

В 20 веке значительно возросшая вычислительная мощность позволила использовать численные методы (обычно конечные разности или конечные элементы ), которые требуют меньше предположений и могут применяться более широко. [16]

Моделирование

Моделирование вторжения соленой воды считается сложным. Некоторые типичные трудности, которые возникают:

  • Возможное наличие трещин , разломов и трещин в водоносном горизонте, точное положение и протяженность которых неизвестны, но которые оказывают большое влияние на развитие интрузии соленой воды.
  • Возможное наличие мелкомасштабных неоднородностей в гидравлических свойствах водоносного горизонта, которые слишком малы, чтобы быть учтенными моделью, но которые также могут оказать большое влияние на развитие интрузии соленой воды.
  • Изменение гидравлических свойств при вторжении соленой воды. Смесь соленой и пресной воды часто недонасыщена кальцием, что вызывает растворение кальция в зоне смешения и изменение гидравлических свойств.
  • Процесс, известный как катионный обмен , который замедляет продвижение вторжения соленой воды, а также замедляет отступление вторжения соленой воды.
  • Тот факт, что интрузии соленой воды часто не находятся в равновесии, затрудняет моделирование. Динамика водоносного слоя, как правило, медленная, и конусу интрузии требуется много времени, чтобы адаптироваться к изменениям в схемах откачки, осадкам и т. д. Поэтому ситуация на месте может значительно отличаться от того, что можно было бы ожидать на основе уровня моря, схемы откачки и т. д.
  • Для долгосрочных моделей будущее изменение климата формирует большую неизвестную, но хорошие результаты возможны. Результаты моделирования часто сильно зависят от уровня моря и скорости пополнения. Оба, как ожидается, изменятся в будущем.

Смягчение и управление

Сооружение для контроля (шлюз) Кэтфиш-Пойнт на реке Мерментау в прибрежной Луизиане

Соленая вода также является проблемой, когда шлюз разделяет соленую воду от пресной (например, шлюзы Хирама М. Читтендена в Вашингтоне). В этом случае был построен сборный бассейн, из которого соленая вода может быть перекачана обратно в море. Часть вторгшейся соленой воды также перекачивается в рыбоход, чтобы сделать ее более привлекательной для мигрирующих рыб . [17]

Поскольку засоление грунтовых вод становится актуальной проблемой, следует применять более сложные инициативы — от местных технических и инженерных решений до правил или нормативных инструментов для целых водоносных горизонтов или регионов. [18]

Районы распространения

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Джонсон, Тедди (2007). «Борьба с вторжением морской воды в бассейны Центрального и Западного побережья» (PDF) . Район пополнения водных ресурсов Южной Калифорнии. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-09-08 . Получено 2012-10-08 .
  2. ^ abcdefgh Барлоу, Пол М. (2003). "Грунтовые воды в пресноводно-соленых средах Атлантического побережья". USGS . Получено 21.03.2009 .
  3. ^ "CWPtionary Saltwater Intrusion да". LaCoast.gov. 1996. Получено 21.03.2009 .
  4. ^ Джонсон, Тед (2007). «Борьба с вторжением морской воды в бассейны Центрального и Западного побережья» (PDF) . Район пополнения водных ресурсов Южной Калифорнии. Архивировано из оригинала (PDF) 2012-09-08 . Получено 2012-10-08 .
  5. ^ Лакомб, Пьер Дж. и Карлтон, Глен Б. (2002). «Гидрогеологическая структура, доступность водоснабжения и проникновение соленой воды, округ Кейп-Мэй, Нью-Джерси» (PDF) . USGS . Получено 10.12.2012 .
  6. ^ abcd Барлоу, Пол М. и Рейхард, Эрик Г. (2010). «Вторжение соленой воды в прибрежные районы Северной Америки». Hydrogeology Journal . 18 (1). USGS : 247– 260. Bibcode : 2010HydJ...18..247B. doi : 10.1007/s10040-009-0514-3. S2CID  128870219. Получено 10.12.2012 .
  7. ^ Рейли, TE и Гудман, AS (1987). «Анализ подъема соленой воды под насосной скважиной». Журнал гидрологии . 89 ( 3–4 ): 169–204 . Bibcode : 1987JHyd...89..169R. doi : 10.1016/0022-1694(87)90179-x.
  8. ^ Good, BJ, Buchtel, J., Meffert, DJ, Radford, J., Rhinehart, W., Wilson, R. (1995). "Основные прибрежные навигационные каналы Луизианы" (pdf) . Департамент природных ресурсов Луизианы . Получено 14 сентября 2013 г.{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  9. ^ Барлоу, Пол М. (2008). «Предварительное расследование: барьер соленой воды — нижняя часть реки Сабин» (PDF) . Управление реки Сабин в Техасе . Получено 09.12.2012 .[ постоянная мертвая ссылка ‍ ]
  10. ^ Кахризи, Эхсан и др. (2023). «Экспериментальная оценка двухслойных воздушно-пузырьковых завес для предотвращения проникновения морской воды в реки». Журнал «Вода и изменение климата » . 14 (2): 543–558 . doi : 10.2166/wcc.2023.384 . S2CID  255924963.
  11. ^ Тодд, Дэвид К. (1960). «Интрузия соленой воды в прибрежных водоносных горизонтах в Соединенных Штатах» (PDF) . Подземные воды (52). IAHS Publ.: 452– 461. Архивировано из оригинала (PDF) 2005-10-25 . Получено 2009-03-22 .
  12. ^ ab Polemio, Maurizio (2016-04-01). "Мониторинг и управление карстовыми прибрежными грунтовыми водами в изменяющейся среде (Южная Италия): обзор регионального опыта". Water . 8 (4): 148. doi : 10.3390/w8040148 .
  13. ^ Полемио, Маурицио; Памбуку, Арбен; Лимони, Пьер Паоло; Петруччи, Ольга (01 января 2011 г.). «Карбонатный прибрежный водоносный горизонт залива Влера и сброс подземных вод (Юго-Западная Албания)». Журнал прибрежных исследований . 270 : 26–34 . doi : 10.2112/SI_58_4. ISSN  0749-0208. S2CID  54861536.
  14. ^ Романацци А., Полемио М. «Моделирование прибрежных карстовых водоносных горизонтов для поддержки управления: исследование Саленто (Апулия, Италия)» (PDF) . Итальянский журнал инженерной геологии и окружающей среды . 13, 1: 65–83 .
  15. ^ Verrjuit, Arnold (1968). "Заметка о формуле Гибена-Герцберга" (PDF) . Бюллетень Международной ассоциации научной гидрологии . 13 (4). Делфт, Нидерланды: Технологический университет: 43– 46. doi :10.1080/02626666809493624 . Получено 21.03.2009 .[ постоянная мертвая ссылка ‍ ]
  16. ^ Романацци, А.; Джентиле, Ф.; Полемио, М. (2015-07-01). «Моделирование и управление средиземноморским карстовым прибрежным водоносным горизонтом под воздействием вторжения морской воды и изменения климата». Environmental Earth Sciences . 74 (1): 115– 128. Bibcode :2015EES....74..115R. doi :10.1007/s12665-015-4423-6. ISSN  1866-6299. S2CID  56376966.
  17. ^ Моссхардт, Шеррилл; Синглтон, Глен (1995). «Смягчение проникновения соленой воды через шлюзы Хирама М. Читтендена». Журнал по водным путям, порту, прибрежной и океанической инженерии . 121 (4): 224– 227. doi :10.1061/(ASCE)0733-950X(1995)121:4(224).
  18. ^ Полемио, Маурицио; Зуффиано, Ливия Эмануэла (2020). «Обзор управления использованием грунтовых вод при риске засоления». Журнал планирования и управления водными ресурсами . 146 (9): 03120002. doi :10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0001278. ISSN  0733-9496. S2CID  225224426.
  19. ^ «Исследования различных проблем с качеством воды | H2O Care».
  20. ^ «В рассоле: Тайна соленой колодезной воды Северного берега». www.seagrant.umn.edu . Получено 27.09.2018 .
  21. ^ Веспасиано, Джованни; Чианфлоне, Джузеппе; Романацци, Андреа; Аполларо, Кармине; Доминичи, Рокко; Полемио, Маурицио; Де Роза, Розанна (01 ноября 2019 г.). «Многодисциплинарный подход к устойчивому управлению сложной прибрежной равниной: пример равнины Сибари (Южная Италия)». Морская и нефтяная геология . 109 : 740–759 . Бибкод : 2019МарПГ.109..740В. doi :10.1016/j.marpetgeo.2019.06.031. ISSN  0264-8172. S2CID  197580624.
  22. ^ Суффиано, LE; Бассо, А.; Казарано, Д.; Драгоне, В.; Лимони, ПП; Романацци, А.; Санталойя, Ф.; Полемио, М. (01 июля 2016 г.). «Прибрежная гидрогеологическая система Мар-Пикколо (Таранто, Италия)». Наука об окружающей среде и исследования загрязнения . 23 (13): 12502–12514 . Бибкод : 2016ESPR...2312502Z. дои : 10.1007/s11356-015-4932-6. ISSN  1614-7499. PMID  26201653. S2CID  9262421.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Saltwater_intrusion&oldid=1199151321"