深圳填海工程對海水入侵的影響研究

余海忠 馮書才

(1.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074； 2.深圳市市政設計研究院有限公司，廣東 深圳 518029)

深圳填海工程對海水入侵的影響研究

余海忠1，2馮書才2

(1.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074； 2.深圳市市政設計研究院有限公司，廣東 深圳 518029)

分析了填海工程對地下水流動系統的影響和對地下水物理化學特征的影響，并通過有限元數值模擬的方法，研究了深圳地區填海工程對于海水入侵的影響，結果表明，當填海材料的滲透性越低、填海的規模越大、地下水位上升的越高時，咸淡水分界面往海洋方向移動的距離就越大，填海工程對海水入侵有一定的阻擋作用。

海水入侵，地下水，填海工程，環境，生態

0 引言

20世紀80年代以來，我國沿海地區城市的海水入侵現狀日趨嚴重，據國家海洋局監測結果顯示，遼東灣北部及兩側的濱海地區海水入侵的面積已超過4 000 km2，萊州灣海水入侵面積已達2 500 km2[1，2]。監測及研究結果[3-10]顯示在深圳地區也存在不同程度的局部海水入侵區，并對其經濟、生活產生了危害影響。然而，深圳作為沿海經濟特區，土地資源十分稀缺。隨著改革開放不斷推進，土地資源的貧乏制約了深圳的進一步發展，深圳只能通過填海來不斷提供新的發展用地。深圳的海岸線不停地在向外延伸，這也就意味著深圳不同于其他沿海城市，其海水入侵的研究還要考慮填海工程的影響。國內其他城市在這方面的研究比較少，因此本文將通過分析填海工程對地下水流動系統的影響和對地下水物理化學特征的影響，并通過有限元數值模擬的方法，來研究不同情況下填海工程對海水入侵的影響情況。

1 深圳填海工程概況

1.1 深圳填海工程的現狀及規劃

改革開放以來，尤其是20世紀90年代中后期以來，深圳地區的填海工程在東部的鹽田港片區和西部的寶安機場片區蓬勃展開，到2005年為止，填海總面積超過了30 km2， 2005年—2010年，又完成了約30 km2的填海。

2011年—2020年正在進行和將要進行的填海工程主要包括：機場二跑道填海工程二期(8 km2)、大鏟灣集裝箱碼頭填海工程三四期(8.1 km2)、鹽田港填海工程(東港區新建2.1 km2)、壩光精細化工園填海工程(7.4 km2)、海上田園風光填海工程(4.5 km2)、福田保稅(擴展)區填海工程(4.2 km2)、寶安綜合港填海工程(2.5 km2)、大鏟灣碼頭陸域填海工程(8.1 km2)、大鏟灣后方陸域倉儲區(2.7 km2)。

到2020年，深圳總的填海面積將達到100 km2。

1.2 填海材料及工藝

填海工程所用填筑材料，因工程需要及材料來源不同，也各有不同。一是采用填石，主要由含少量粉質粘土的花崗巖大塊石組成；二是采用素填土，如細砂或含少量碎石的粉質粘土為填筑材料；三是采用雜填土，以建筑垃圾及碎塊石為主，混有少量粘性土。

深圳填海工藝主要有以下幾種填筑方式：

1)擠淤法。利用拋石或填土，采用“龍抬頭”的方法逐漸向前推進，從而將海底流塑狀淤泥向外擠出填土區。目前大多填海工程采用的是這種擠淤法。采用擠淤法填海的場地往往還要進行強夯處理。

這種方法由于填土多呈松散狀，其成分多為碎塊石，其中細顆粒成分一般不多，因此淤泥中賦存的咸水則進入填土層下部大孔隙中，從而保存下來。若填土區暴露時間長，接受大量大氣降水的入滲補給，其咸水上部可形成一定厚度的較淡水。

2)換填法。首先采用絞吸船將海底淤泥全部清理出來，然后填上合乎一定技術要求的砂土至水面以上，再對砂層進行密實加固處理(寶安國際機場二期工程機場跑道區即采用這一方法)。這種方法雖然滿足了工程清淤的要求，但咸水卻基本留于砂層孔隙中，若上部覆蓋混凝土，不加任何處理則這部分咸水將會長時間滯留于砂層中。

3)排水固結法。首先采用拋石擠淤或爆破擠淤修筑圍堤，將海水抽干，然后在淤泥上鋪上經編復合土工布，再填砂墊層，插入排水板，最后采用堆載預壓和(或)真空預壓的辦法，使淤泥層中的咸水擠出排走，這樣使淤泥層得以加固處理。經處理后的土層中仍殘留有部分咸水。

2 填海工程對地下水系統的影響

2.1 填海工程對地下水流動系統的影響

填海造地行為可以明顯改變原來的地下水補、徑、排條件。大規模填海對地下水流動系統的影響有以下幾方面：1)大規模填海后，海岸線向海移動，延長了地下水向海水排泄徑流途徑，增大了地下水接受補給的面積，從而增加地下水資源量，最終導致內陸地下水位抬高；原濱海區及部分填海區中的地下水將不斷淡化，這將改變原地下水與海水的咸淡水界面，經過相當長時間后，該界面會向海發生相應的移動而達到新的平衡。2)地下水位和咸淡水界面受填海影響的程度主要取決于填海的規模和填海材料的滲透性。當填海材料的滲透性較低，填海的規模較大時，地下水位上升的越高時，咸淡水分界面往海洋方向移動的距離就越大。3)填海活動使得海岸線向海洋方向移動，實際是增大了地下水補給區的面積，補給量增加，相應地下水排泄量也增加。其中，地下水潛水往海洋的排泄量減少，而以泉水形式的排泄量會增多，泉眼的位置主要分布在原海岸線與填海區界線附近，形成地下水溢出帶。填海后因為潛水通過填海區向海排泄量減少，會使滲流場重新分布，更多的潛水將集中向未填海的海岸帶。4)填海對地下水系統的影響程度取決于諸多因素，如原濱海含水系統特征(潛水或承壓水)、填海規模與填土滲透性。雖然填海可一兩年內完成，但填海工程對地下水系統的影響是相當漫長的非穩定過程。

2.2 填海工程對地下水物理化學特征的影響

褐紅的風化花崗巖填土與青灰色海底淤泥則表明兩者有著極為不同的化學成分與環境，如填土多富含氧化鐵，原處于氧化環境中；海底淤泥富含重金屬與有機質，處于還原環境中。填海工程不僅使得地下水咸淡水界面向海推進，也使填海區的沉積環境受到了較大的擾動，填海區淤泥經歷了嫌氧環境→氧化環境→嫌氧環境的變化過程，在這些過程中，區域沉積物與水體間的重金屬沉淀溶解平衡、吸附解吸平和、絡合平衡被打破，地下咸水逐漸被淡化，同時還伴隨著復雜的離子交換過程和水動力彌散過程。

1)離子交換過程。在殘留海水被地下水逐漸取代的過程中，地下水中的Ca2+，Mg2+以及海水中的Na+之間將會發生離子交換反應。

2)酸性硫酸鹽土生成與重金屬釋放化學過程。填海過程中，填土中氧化鐵和還原性的硫化物在水的作用下將會發生如下反應：

Fe2O3+4S2-+6H+→FeS2+3H2O+2e-

而酸性硫酸鹽土FeS2是一種非常活潑的物質，它只能在還原條件下存在，而在填海后，咸淡水界面向填海區移動，原來還原性的殘留海水將被別的地下水所代替，一旦略微氧化的地下水接觸到填海區的酸性硫酸鹽土，將會發生下面一連串的反應：

FeS2+7/2O2+H2O→Fe2++2H++2(SO4)2-

Fe2++1/4O2+H+→Fe3++1/2H2O

FeS2+14Fe3++8H2O→15Fe2++16H++2(SO4)2-

以上這些反應將會對海洋環境產生一定的影響，另外，由于反應過程中產生了酸性環境，將會導致原本淤泥表面吸附的大量重金屬釋放到水體中，水體中的重金屬含量將會增加，水體中生物的生存環境將會受到嚴重污染，但這些重金屬永遠不會自然生物降解，因為重金屬在動物和人體內都有富集過程，它會隨著生物鏈進入嗜吃魚蝦蟹蚌的人體內，危害人們的身體健康。

3 填海工程對海水入侵影響的數值模擬

3.1 建立數值模擬模型

根據填海區地層分布、含水性質、賦存條件及水力特征，可建立這樣的數值模型：①素填土和淤泥質粘土，在模型中定義為弱透水層；②中砂，在模型中定義為第四系含水層；③砂質粘土和粉質粘土，在模型中定義為弱透水層；④全風化、強風化混合巖和全風化、強風化花崗巖，定義為基巖裂隙含水層。主要模型參數見表1。利用改進的Henry問題，模擬二維承壓含水層不同條件下地下水位變化海水入侵發展演化情況。

表1 數值模型主要參數設置表

3.2 人工開采條件下填海對海水入侵的影響

當第四系和基巖裂隙中的地下水被開采后，形成了以水源井為中心的開采漏斗，地下水位將低于海水水位，從而引起海水入侵。通過模型預測，Cl-250 mg/L濃度線兩個半月后到達開采井位置，海水到達水源井后，以水源井為中心形成開采漏斗，水源井以北的陸域地下水位高于開采井的地下水位，海水入侵的范圍逐漸趨于穩定。模擬表明在人工填海的情況下，海水入侵影響程度與沒有填海時是一樣的，填海對海水入侵影響不大，地下水開采才是海水入侵的主要原因。

3.3 無人工開采條件下人工填海對海水入侵的影響

由于沿海地區進行人工填海，使得海岸線向陸域延伸，并因人工填海深度普遍達到一定厚度(平均13.5 m)，造成部分地區第四系含水層的滲透系數減弱，成為弱透水層。在沒有人工開采情況下，不能形成地下水漏斗時，陸域地下水的水位高于海域的水位，通過模擬結果發現，海水入侵的范圍很小，沒有到達陸域范圍。

3.4 開采狀況下有無人工填海對海水入侵影響的分析

在人工開采或有地下水漏斗時，陸域地下水水位低于海域水位，在沒有人工填海作用下，模擬表明海水入侵的分界線(250 mg/L)在215 d內運移路徑為123.45 m；在有人工填海的狀況下，若不計算填海使海岸線向海域延伸的距離，模擬表明海水入侵的分界線(250 mg/L)在215 d內運移路徑為123.21 m。無人工填海海水入侵界線比人工填海后海水入侵界線多運移0.24 m。可以看出人工填海對海水入侵有一定的阻擋作用。

4 結論與認識

通過以上的研究，可以得出如下結論：1)填海造地行為可以明顯改變原來的地下水補、徑、排條件，引起內陸地下水位抬高；咸淡水界面向海發生相應的移動。2)填海區的沉積環境受到了較大的擾動，填海區淤泥經歷了嫌氧環境→氧化環境→嫌氧環境的變化過程，填海區內具有不同物理化學特征的水體與土體之間將會發生各類物理化學反應。3)填海工程對填海區地下水、淤泥存在環境的擾動，填海區地下水淡化和淤泥氧化還原條件的變化是影響重金屬元素遷移進入水體的主要因素，另外填筑材料的進一步風化也是使地下水中重金屬含量增加的因素之一。4)通過對人工填海的垂向二維數值模擬，表明人工填海對海水入侵有一定的阻擋作用。

[1] 丁 玲，李碧英，張樹深.海岸帶海水入侵的研究進展[J].海洋通報，2004,23(2):82-87.

[2] 成建梅，黃丹紅，胡進武.海水入侵模擬理論與方法研究進展[J].水資源保護，2004(2):3-8.

[3] 樊麗芳，陳植華.深圳濱海地帶海水入侵判定界限值的確定[J].勘察科學技術，2004(2):16-19.

[4] 羅文藝，靳孟貴，劉延鋒，等.深圳南山區海水入侵綜合研究[J].海洋地質動態，2007，23(9):8-12.

[5] 韓繪芳，蔣方媛，王 誼.海水入侵影響下的地下水化學演化及其指示意義——以深圳市寶安區為例[J].安全與環境工程，2009，16(4):1-5.

[6] 趙銳銳，成建梅，劉 軍，等.基于GIS的海水入侵危險性評價方法——以深圳市寶安區為例[J].地質科技情報，2009，28(5):96-100，108.

[7] 楊巧鳳，李文鵬，王瑞久.深圳沿海表層海水與地表水關系的地球化學分析[J].水文地質工程地質，2010，37(1):45-49.

[8] 楊巧鳳，李文鵬，王瑞久.深圳大沙河河水與海水關系的水文化學識別[J].水文地質工程地質，2010，37(2):32-35.

[9] 楊巧鳳，李文鵬，王瑞久.深圳沿海帶淺層地下水的穩定同位素與地球化學[J].水文地質工程地質，2010，37(5):26-32.

[10] 殷建平，謝 強，孫宗勛，等.深圳沿岸海水入侵災害現狀研究[J].海洋環境科學，2011，30(40):541-545.

The study on seawater intrusion affected by reclamation engineering in Shenzhen

Yu Haizhong1，2Feng Shucai2

(1.ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074,China；2.ShenzhenMunicipalDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shenzhen518029,China)

The influence of reclamation engineering on groundwater flow system and the influence on physical and chemical characteristics of groundwater were analyzed, and through the method of finite element numerical simulation, the effects of Shenzhen seawater intrusion under different circumstance of reclamation were studied. The research results show that, when the lower permeability of the filled medium, the bigger reclamation scale, the more high water level rose, the farther of the distance the interface between the fresh and brackish water moved to the sea. The reclamation project can play a part in the prevention of the seawater intrusion.

seawater intrusion， groundwater， reclamation engineering， environment， ecology

2014-11-26

余海忠(1971- )，男，在讀博士后，高級工程師； 馮書才(1954- )，男，高級工程師

1009-6825(2015)04-0056-03

X145

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