Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Вторжение соленой воды - это перемещение соленой воды в пресноводные водоносные горизонты , что может привести к ухудшению качества подземных 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, она более плотная и имеет более высокое давление воды. В результате соленая вода может вытолкнуть внутреннюю часть суши под пресную. [1]

Определенная деятельность человека, особенно откачка грунтовых вод из прибрежных пресноводных колодцев , увеличила вторжение соленой воды во многие прибрежные районы. Забор воды снижает уровень пресных грунтовых вод, снижая давление воды и позволяя соленой воде течь дальше вглубь суши. Другие факторы, способствующие вторжению соленой воды, включают судоходные каналы или сельскохозяйственные и дренажные каналы , которые обеспечивают каналы для морской воды, перемещающейся вглубь суши. Повышение уровня моря, вызванное изменением климата, также способствует вторжению соленой воды. [2] Вторжение соленой воды также может усугубиться экстремальными явлениями, такими как ураганные штормовые нагоны . [3]

Гидрология [ править ]

Дополнительная информация: Соляной клин
Причина и последствия вторжения соленой воды

На прибрежной полосе 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 над уровнем моря и уровень грунтовых вод ниже. [2] Поскольку соленая вода имеет более высокое содержание растворенных солей и минералов , она плотнее, чем пресная вода, что приводит к более высокому гидравлическому напору, чем пресная вода. Гидравлический напор относится к давлению жидкости, создаваемому водяным столбом: водяной столб с более высоким гидравлическим напором переместится в водяной столб с более низким гидравлическим напором, если колонны соединены. [4]

Более высокое давление и плотность соленой воды заставляют ее двигаться в прибрежные водоносные горизонты в форме клина под пресной водой. Морская и пресная вода встречаются в переходной зоне, где смешивание происходит за счет диспергирования и диффузии . Обычно протяженность клина соленой воды внутри суши ограничена, потому что уровень пресных грунтовых вод или высота столба пресной воды увеличивается по мере повышения уровня суши. [2]

Причины [ править ]

Добыча подземных вод [ править ]

Добыча подземных вод является основной причиной вторжения соленой воды. Подземные воды являются основным источником питьевой воды во многих прибрежных районах США, и их добыча со временем увеличилась. В исходных условиях протяженность соленой воды на суше ограничена более высоким давлением, оказываемым столбом пресной воды из-за его более высокой отметки. Добыча подземных вод может снизить уровень зеркала пресной воды , уменьшая давление, оказываемое столбом пресной воды, и позволяя более плотной соленой воде перемещаться вглубь суши. [2] В Кейп-Мей, штат Нью-Джерси , с 1940-х годов забор воды снизил уровень грунтовых вод до 30 метров, что привело к снижению уровня грунтовых вод до уровня ниже уровня моря и вызвало широкомасштабное вторжение и загрязнениеводоснабжение скважин. [5] [6]

Добыча подземных вод также может привести к загрязнению скважины, вызывая подъем или выход соленой воды из глубины водоносного горизонта. [7] В исходных условиях клин соленой воды простирается вглубь суши под пресную воду из-за ее более высокой плотности. Колодцы водоснабжения, расположенные над или рядом с клином для соленой воды, могут подтягивать соленую воду вверх, создавая конус соленой воды, который может достигать и загрязнять скважину. Некоторые водоносные горизонты предрасположены к такому типу вторжений, например водоносный горизонт Нижней Флориды : хотя и относительно непроницаемыйСлой горной породы или глины отделяет пресные грунтовые воды от соленой, отдельные трещины нарушают ограничивающий слой, способствуя движению морской воды вверх. Перекачивание грунтовых вод усиливает этот эффект, понижая уровень грунтовых вод, уменьшая приток пресной воды вниз. [6]

Каналы и дренажные сети [ править ]

Строительство каналов и дренажных сетей может привести к проникновению соленой воды. Каналы служат для транспортировки соленой воды внутрь суши, так же как и углубление существующих каналов для целей судоходства . [2] [8] В устье озера Сабин в Мексиканском заливе крупномасштабные водные пути позволили соленой воде проникать в озеро и вверх по течению в реки, питающие озеро. Кроме того, дноуглубление каналов в окружающих заболоченных землях для облегчения бурения нефтяных и газовых скважин привело к проседанию земли , что еще больше способствовало перемещению внутренней морской воды. [9]

Дренажные сети, построенные для осушения плоских прибрежных территорий, могут привести к вторжению из-за понижения уровня пресной воды, уменьшая давление воды, оказываемое столбом пресной воды. Вторжение соленой воды на юго-восток Флориды произошло в основном в результате дренажных каналов, построенных между 1903 и 1980-ми годами для осушения Эверглейдс для сельскохозяйственного и городского развития. Основной причиной вторжения было понижение уровня грунтовых вод, хотя каналы также передавали морскую воду вглубь суши, пока не были построены водорегулирующие шлюзы. [6]

Влияние на водоснабжение [ править ]

Многие прибрежные общины вокруг Соединенных Штатов испытывают загрязнение соленой водой колодцев для водоснабжения, и эта проблема наблюдалась десятилетиями. [10] Многие прибрежные водоносные горизонты Средиземноморья страдают от вторжения морской воды. [11] [12] Последствия проникновения соленой воды для питающих скважин широко варьируются в зависимости от степени проникновения, предполагаемого использования воды и того, превышает ли соленость стандарты для предполагаемого использования. [2] [13] В некоторых областях, таких как штат Вашингтон, вторжение достигает только части водоносного горизонта, затрагивая только определенные колодцы водоснабжения. Другие водоносные горизонты столкнулись с более масштабным засолением, что существенно сказалось на запасах грунтовых вод в регионе. Например, вКейп-Мэй, штат Нью-Джерси , где добыча подземных вод снизила уровень грунтовых вод до 30 метров, вторжение соленой воды привело к закрытию более 120 колодцев для водоснабжения с 1940-х годов. [6]

Соотношение Гибена – Герцберга [ править ]

Первые физические формулировки проникновения соленой воды были сделаны Виллемом Бадоном-Гийбеном  [ pt ] в 1888 и 1889 годах, а также Александром Герцбергом  [ de ] в 1901 году, что называется соотношением Гибена-Герцберга. [14] Они получили аналитические решения для аппроксимации поведения вторжения, которые основаны на ряде предположений, которые не выполняются во всех полевых случаях.

соотношение Гибена – Герцберга [2]

В уравнении

толщина пресноводной зоны над уровнем моря представлена ​​как, а толщина зоны ниже уровня моря - как . Эти две толщины и , связаны , и где плотность пресной воды и 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

. [2]

Соотношение Гибена-Герцберга утверждает, 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-м веке значительно увеличившаяся вычислительная мощность позволила использовать численные методы (обычно конечные разности или конечные элементы ), которые требуют меньшего количества предположений и могут применяться в более широком смысле. [15]

Моделирование [ править ]

Моделирование вторжения соленой воды считается трудным. Вот некоторые типичные возникающие трудности:

  • Возможное присутствие трещин, трещин и трещин в водоносном горизонте, точное положение и протяженность которых неизвестны, но которые имеют большое влияние на развитие проникновения соленой воды.
  • Возможное присутствие мелкомасштабных неоднородностей в гидравлических свойствах водоносного горизонта, которые слишком малы, чтобы их можно было учесть в модели, но которые также могут иметь большое влияние на развитие интрузии соленой воды.
  • Изменение гидравлических свойств при проникновении соленой воды. Смесь соленой и пресной воды часто недонасыщена кальцием, вызывая растворение кальция в зоне смешения и изменяя гидравлические свойства.
  • Процесс, известный как катионный обмен , который замедляет продвижение вторжения соленой воды, а также замедляет отступление вторжения соленой воды.
  • Тот факт, что вторжения соленой воды часто не находятся в равновесии, затрудняет моделирование. Динамика водоносного горизонта, как правило, медленная, и конусу вторжения требуется много времени, чтобы адаптироваться к изменениям в схемах откачки, осадкам и т. Д. Таким образом, ситуация на месторождении может значительно отличаться от того, что можно было бы ожидать в зависимости от уровня моря, схемы откачки. и Т. Д.
  • Для долгосрочных моделей будущее изменение климата представляет собой большую неизвестную, но хорошие результаты возможны. Результаты модели часто сильно зависят от уровня моря и скорости восстановления. Ожидается, что оба варианта изменятся в будущем.

Смягчение и управление [ править ]

Контрольное сооружение (шлюз) Catfish Point на реке Мерментау в прибрежной Луизиане

Соленая вода также является проблемой, когда шлюз отделяет соленую воду от пресной (например, шлюзы Хирама М. Читтендена в Вашингтоне). В этом случае был построен сборный бассейн, из которого соленая вода может быть откачана обратно в море. Часть проникающей соленой воды также перекачивается по трапу для рыбы, чтобы сделать его более привлекательным для мигрирующих рыб . [16]

Поскольку засоление грунтовых вод становится актуальной проблемой, следует применять более сложные инициативы - от местных технических и инженерных решений до правил или регулирующих инструментов для целых водоносных горизонтов или регионов. [17]

Районы, где происходит вторжение соленой воды [ править ]

  • Бенин
  • Кипр
  • Бу Регрег (Марокко)
  • Пакистан
  • Тунис
  • Соединенные Штаты
    • Бассейн реки АКФ (Флорида / Джорджия)
    • Окружающая среда Флориды
    • Округ Эссекс, Массачусетс [18]
    • Хирам М. Читтенден Локс (Вашингтон)
    • Остров Хатчинсон (Джорджия)
    • Озеро Ланьер (Грузия)
    • Озеро Пончартрейн (Луизиана)
    • Река Майами (Флорида)
    • Окснард-Плейн (Калифорния)
    • Сан-Леандро (Калифорния)
    • Сонома Крик (Калифорния)
    • Западный берег озера Верхнее [19] (Миннесота)
  • Дельта Меконга
  • Италия [11] [20] [21]

См. Также [ править ]

  • Грунтовые воды
  • Экологический мигрант  - люди, вынужденные покинуть свой родной регион из-за изменений в их местной среде.
  • Гаральд Г. Паркер
  • Надувная плотина
  • Пиковая вода  - Концепция качества и доступности пресноводных ресурсов

Ссылки [ править ]

  1. ^ Джонсон, Тедди (2007). «Борьба с вторжением морской воды в бассейны центрального и западного побережья» (PDF) . Район пополнения запасов воды в Южной Калифорнии. Архивировано из оригинального (PDF) 08.09.2012 . Проверено 8 октября 2012 .
  2. ^ a b c d e f g h Барлоу, Пол М. (2003). «Подземные воды в пресноводно-соленых средах Атлантического побережья» . USGS . Проверено 21 марта 2009 .
  3. ^ "CWPtionary Saltwater Intrusion да" . LaCoast.gov. 1996 . Проверено 21 марта 2009 .
  4. ^ Джонсон, Тед (2007). «Борьба с вторжением морской воды в бассейны центрального и западного побережья» (PDF) . Район пополнения запасов воды в Южной Калифорнии. Архивировано из оригинального (PDF) 08.09.2012 . Проверено 8 октября 2012 .
  5. Перейти ↑ Lacombe, Pierre J. & Carleton, Glen B. (2002). «Гидрогеологические рамки, доступность водоснабжения и проникновение соленой воды, округ Кейп-Мэй, Нью-Джерси» (PDF) . USGS . Проверено 10 декабря 2012 .
  6. ^ a b c d Барлоу, Пол М. и Райхард, Эрик Г. (2010). «Вторжение соленой воды в прибрежные районы Северной Америки» . USGS . Проверено 10 декабря 2012 .
  7. Перейти ↑ Reilly, TE & Goodman, 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 . Проверено 14 сентября 2013 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  9. ^ Барлоу, Пол М. (2008). «Предварительное исследование: заграждение с соленой водой - низовья реки Сабина» (PDF) . Сабина Ривер Власть Техаса . Проверено 9 декабря 2012 . [ постоянная мертвая ссылка ]
  10. ^ Тодд, Дэвид К. (1960). «Вторжение соленой воды в прибрежные водоносные горизонты в Соединенных Штатах» (PDF) . Подземные воды . IAHS Publ. (52): 452–461. Архивировано из оригинального (PDF) 25 октября 2005 года . Проверено 22 марта 2009 .
  11. ^ a b Полемио, Маурицио (2016-04-01). «Мониторинг и управление карстовыми прибрежными подземными водами в меняющейся окружающей среде (Южная Италия): обзор регионального опыта» . Вода . 8 (4): 148. DOI : 10,3390 / w8040148 .
  12. ^ Полемио, Маурицио; Памбуку, Арбен; Лимони, Пьер Паоло; Петруччи, Ольга (01.01.2011). «Карбонатный прибрежный водоносный горизонт залива Влера и подводный сток подземных вод (Юго-Западная Албания)». Журнал прибрежных исследований . 270 : 26–34. DOI : 10,2112 / SI_58_4 . ISSN 0749-0208 . S2CID 54861536 .  
  13. ^ Romanazzi A, Polemio M. «Моделирование прибрежных карстовых водоносных горизонтов для поддержки управления: Исследование Саленто (Апулия, Италия)» (PDF) . Итальянский журнал инженерной геологии и окружающей среды . 13, 1: 65–83.
  14. ^ Verrjuit, Арнольд (1968). «Заметка о формуле Гибен-Герцберга» (PDF) . Бюллетень Международной ассоциации научной гидрологии . Делфт, Нидерланды: Технологический университет. 13 (4): 43–46. DOI : 10.1080 / 02626666809493624 . Проверено 21 марта 2009 . [ постоянная мертвая ссылка ]
  15. ^ Romanazzi, A .; Gentile, F .; Полемио, М. (01.07.2015). «Моделирование и управление средиземноморским карстовым прибрежным водоносным горизонтом под воздействием вторжения морской воды и изменения климата». Науки об окружающей среде . 74 (1): 115–128. DOI : 10.1007 / s12665-015-4423-6 . ISSN 1866-6299 . S2CID 56376966 .  
  16. ^ Mausshardt, Шерилл; Синглтон, Глен (1995). «Предотвращение проникновения соленой воды через шлюзы Хирама М. Читтендена» . Журнал морской, портовой, прибрежной и океанской инженерии . 121 (4): 224–227. DOI : 10.1061 / (ASCE) 0733-950X (1995) 121: 4 (224) .
  17. ^ Полемио, Маурицио; Дзуффиано, Ливия Эмануэла (2020). «Обзор управления использованием подземных вод, подверженных риску засоления» . Журнал планирования и управления водными ресурсами . 146 (9): 03120002. DOI : 10,1061 / (ASCE) WR.1943-5452.0001278 . ISSN 0733-9496 . 
  18. ^ https://h2ocare.com/case-studies/
  19. ^ «В рассоле: Тайна соленой воды из колодца северного берега» . www.seagrant.umn.edu . Проверено 27 сентября 2018 .
  20. ^ Веспазиано, Джованни; Чианфлоне, Джузеппе; Романацци, Андреа; Аполларо, Кармин; Доминичи, Рокко; Полемио, Маурицио; Де Роса, Розанна (01.11.2019). «Междисциплинарный подход к устойчивому управлению сложной прибрежной равниной: пример равнины Сибари (Южная Италия)». Морская и нефтяная геология . 109 : 740–759. DOI : 10.1016 / j.marpetgeo.2019.06.031 . ISSN 0264-8172 . 
  21. ^ Zuffianò, LE; Basso, A .; Casarano, D .; Dragone, V .; Limoni, PP; Romanazzi, A .; Santaloia, F .; Полемио, М. (01.07.2016). «Прибрежная гидрогеологическая система Мар Пикколо (Таранто, Италия)». Экология и исследования загрязнения окружающей среды . 23 (13): 12502–12514. DOI : 10.1007 / s11356-015-4932-6 . ISSN 1614-7499 . PMID 26201653 . S2CID 9262421 .