Вторжение соленой воды - Saltwater intrusion

Вторжение соленой воды это движение соленая вода в пресная вода водоносные горизонты, что может привести к ухудшению качества подземных вод, в том числе питьевая вода источники и другие последствия. Вторжение соленой воды может естественным образом произойти в прибрежный водоносных горизонтов из-за гидравлический связь между грунтовые воды и морская вода. 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 пресных вод. колодцы, увеличили вторжение соленой воды во многие прибрежные районы. Добыча воды снижает уровень пресных подземных вод, снижая давление в них и позволяя соленой воде течь дальше вглубь суши. Среди других участников вторжения соленой воды: каналы навигации или сельское хозяйство и дренажные каналы, по которым соленая вода движется вглубь суши. Повышение уровня моря также может способствовать вторжению соленой воды.[2] Вторжение соленой воды также может усугубиться такими экстремальными явлениями, как ураганные штормовые нагоны.[3]

Гидрология

Дальнейшая информация: Клин соли
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 в соленой воде больше растворенные соли и минералы, он плотнее пресной воды, поэтому гидравлическая головка чем пресноводный. Гидравлический напор относится к давлению жидкости, оказываемому 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 перемещаться в прибрежные водоносные горизонты в форме клина под пресной водой. Морская и пресная вода встречаются в переходной зоне, где смешивание происходит через разброс и распространение. Обычно протяженность клина соленой воды внутри суши ограничена, потому что уровень пресных грунтовых вод или высота столба пресной воды увеличивается по мере увеличения высоты суши.[2]

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 пресноводный стол, уменьшая давление, оказываемое столбом пресной воды, и позволяя более плотной соленой воде перемещаться вглубь суши.[2] В Кейп-Мэй, Нью-Джерси, с 1940-х годов забор воды снизил уровень грунтовых вод до 30 метров, опустив уровень грунтовых вод ниже уровня моря и вызвав широкое вторжение и загрязнение водоснабжение колодцы.[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 достигнуть и загрязнить скважину. Некоторые водоносные горизонты предрасположены к этому типу вторжений, например, Нижний Флоридский водоносный горизонт: хотя относительно непроницаемый Слой породы или глины отделяет пресные грунтовые воды от соленой, отдельные трещины нарушают ограничивающий слой, способствуя движению морской воды вверх. Перекачка грунтовых вод усиливает этот эффект за счет понижения уровня грунтовых вод, уменьшая приток пресной воды вниз.[6]

Каналы и дренажные сети

Построение каналы и дренаж сети могут привести к проникновению соленой воды. Каналы обеспечивают проходы соленой воды вглубь суши, а также углубление существующих каналы за навигация целей.[2][8] В Sabine Lake Устье 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 территориях для облегчения бурения нефтяных и газовых скважин привело к появлению земли проседание, что еще больше способствует перемещению по внутренним морям.[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 между 1903 и 1980-ми годами для осушения воды. Эверглейдс для сельского хозяйства и городского развития. Основной причиной вторжения было понижение уровня грунтовых вод, хотя каналы также передавали морскую воду вглубь суши, пока не были построены водорегулирующие ворота.[6]

Влияние на водоснабжение

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 значительно сказалось на запасах грунтовых вод в регионе. Например, в Кейп-Мэй, 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.[6]

Соотношение Гибена – Герцберга

Первые физические формулировки вторжения соленой воды были сделаны В. Бадоном-Гийбеном (1888, 1889) и А. Герцбергом (1901), таким образом, это называется соотношением Гибена-Герцберга.[14] Они получили аналитические решения для приблизительного определения 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 и что ниже уровня моря представлено как . Две толщины и , связаны и куда плотность пресной воды и плотность соленой воды. Пресная вода имеет плотность около 1.000 граммов на кубический сантиметр (г / см3) при 20 ° C, в то время как у морской воды около 1,025 г / см3. 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 увеличилось вычисление доступная мощность позволяла использовать численные методы (обычно конечные разности или же конечные элементы ), которые требуют меньшего количества предположений и могут применяться в более общем плане.[15]

Моделирование

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

  • Возможное присутствие трещины и трещины и трещины в водоносном горизонте, точное положение и протяженность которых неизвестны, но которые имеют большое влияние на развитие проникновения соленой воды
  • Возможное наличие 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 недостаточно насыщена кальцием, что вызывает растворение кальция в зоне перемешивания и меняются гидравлические свойства.
  • Процесс, известный как катионный обмен, что 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 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 образует большое неизвестное, но возможны хорошие результаты. 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 замок отделяет соленую воду от пресной (например, Хирам М. Читтенден Замки 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 в рыбная лестница чтобы сделать его более привлекательным для миграции рыбы.[16]

Поскольку засоление подземных вод становится актуальной проблемой, следует применять более сложные инициативы, начиная с местных технических и инженерных решений и заканчивая правилами или нормативными инструментами для целых водоносных горизонтов или регионов.[17].


Районы проникновения соленой воды

Смотрите также

Рекомендации

  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 оригинал (PDF) на 2012-09-08. Получено 2012-10-08.
  2. ^ а б c d е ж грамм час Барлоу, Пол М. (2003). «Подземные воды в пресноводных и соленых средах Атлантического побережья». USGS. Получено 2009-03-21.
  3. ^ "CWPtionary Saltwater Intrusion да". LaCoast.gov. 1996 г.. Получено 2009-03-21.
  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 оригинал (PDF) на 2012-09-08. Получено 2012-10-08.
  5. ^ Лакомб, Пьер Дж. И Карлтон, Глен Б. (2002). «Гидрогеологическая структура, доступность водоснабжения и вторжение соленой воды, округ Кейп-Мэй, Нью-Джерси» (PDF). USGS. Получено 2012-12-10.
  6. ^ а б c d Барлоу, Пол М. и Райхард, Эрик Г. (2010). «Вторжение соленой воды в прибрежные районы Северной Америки». USGS. Получено 2012-12-10.
  7. ^ Рейли, Т. И Гудман, А. (1987). «Анализ подъема соленой воды под насосной скважиной». Журнал гидрологии. 89 (3–4): 169–204. Bibcode:1987JHyd ... 89..169R. Дои:10.1016 / 0022-1694 (87) 90179-х.
  8. ^ Good, B.J., Buchtel, J., Meffert, D.J., Radford, J., Rhinehart, W., Wilson, R. (1995). «Основные прибрежные навигационные каналы Луизианы» (pdf). Департамент природных ресурсов Луизианы. Получено 2013-09-14.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  9. ^ Барлоу, Пол М. (2008). «Предварительное расследование: заграждение с соленой водой - низовья реки Сабина» (PDF). Администрация реки Сабина Техаса. Получено 2012-12-09.[постоянная мертвая ссылка ]
  10. ^ Тодд, Дэвид К. (1960). «Вторжение соленой воды в прибрежные водоносные горизонты в США» (PDF). Подземные воды. IAHS Publ. (52): 452–461. Архивировано из оригинал (PDF) на 2005-10-25. Получено 2009-03-22.
  11. ^ 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. Дои: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. Дои:10.2112 / SI_58_4. ISSN  0749-0208. S2CID  54861536.
  13. ^ 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.
  14. ^ Веррюит, Арнольд (1968). «Заметка о формуле Гибена-Герцберга» (PDF). Бюллетень Международной ассоциации научной гидрологии. Делфт, Нидерланды: Технологический университет. 13 (4): 43–46. Дои:10.1080/02626666809493624. Получено 2009-03-21.[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». Экологические науки о Земле. 74 (1): 115–128. Дои:10.1007 / s12665-015-4423-6. ISSN  1866-6299. S2CID  56376966.
  16. ^ Моссхардт, Шерилл; Синглтон, Глен (1995). «Предотвращение проникновения соленой воды через шлюзы Хирама М. Читтендена». Журнал водного, портового, прибрежного и океанотехнического машиностроения. 121 (4): 224–227. Дои: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. Дои:10.1061 / (ASCE) WR.1943-5452.0001278. ISSN  0733-9496.
  18. ^ https://h2ocare.com/case-studies/
  19. ^ "В маринаде: Тайна соленой воды северного берега". www.seagrant.umn.edu. Получено 2018-09-27.
  20. ^ 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. Дои:10.3390 / w8040148.
  21. ^ 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. Дои:10.1016 / j.marpetgeo.2019.06.031. ISSN  0264-8172.
  22. ^ Zuffianò, L.E .; Basso, A .; Casarano, D .; Dragone, V .; Limoni, P.P .; 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. Дои:10.1007 / s11356-015-4932-6. ISSN  1614-7499. PMID  26201653. S2CID  9262421.