Вторжение соленой воды - Saltwater intrusion

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. В других топологиях подводный сброс подземных вод может выталкивать пресную воду в соленую.

Определенная деятельность человека, особенно откачка грунтовых вод из прибрежных пресноводных колодцев , увеличила вторжение соленой воды во многие прибрежные районы. Добыча воды снижает уровень пресных грунтовых вод, снижая давление в них 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. Вторжение соленой воды также может усугубиться экстремальными явлениями, такими как ураганные штормовые нагоны .

Гидрология

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. Поскольку соленая вода имеет более высокое содержание растворенных солей и минералов , она более плотная, 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.

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.

Причины

Добыча подземных вод

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. В Кейп-Мэй, штат Нью-Джерси , с 1940-х годов водозабор снизил уровень грунтовых вод до 30 метров, что привело к снижению уровня грунтовых вод до уровня ниже уровня моря и повсеместному проникновению и загрязнению водозаборных скважин.

Добыча подземных вод также может привести к загрязнению скважины, вызывая восходящий или приближающийся подъем соленой воды из глубин водоносного горизонта. 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 соленой воды, могут подтягивать соленую воду вверх, создавая конус соленой воды, который может достигнуть и загрязнить колодец. Некоторые водоносные горизонты предрасположены к этому типу вторжений, например водоносный горизонт Нижнего Флоридана : хотя относительно непроницаемый слой горных пород или глины отделяет пресные грунтовые воды от соленой воды, 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.

Каналы и дренажные сети

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 . 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.

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 водоконтрольные затворы.

Влияние на водоснабжение

Многие прибрежные общины вокруг Соединенных Штатов испытывают загрязнение соленой водой колодцев для водоснабжения, и эта проблема наблюдается уже несколько десятилетий. Многие прибрежные водоносные горизонты Средиземноморья страдают от вторжения морской воды. 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. 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, в Кейп-Мей, штат Нью-Джерси , где добыча подземных вод снизила уровень грунтовых вод до 30 метров, вторжение соленой воды привело к закрытию более 120 водозаборных скважин с 1940-х годов.

Соотношение Гибена – Герцберга

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. Они получили аналитические решения для аппроксимации поведения вторжения, которые основаны на ряде допущений, которые не выполняются во всех полевых случаях.

соотношение Гибена – Герцберга

В уравнении

толщина зоны пресной воды 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

.

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.

Моделирование

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.п.
  • 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

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 .

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.

Ареалы возникновения

Смотрите также

использованная литература