Вторжение соленой воды

Перемещение соленой воды в пресноводные водоносные горизонты

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 и морскими водами . Поскольку соленая вода имеет более высокое содержание минералов, чем пресная вода, она более плотная и имеет более высокое давление воды. В результате соленая вода может проникнуть вглубь суши под пресную воду. ^[1] В других топологиях подводный сброс грунтовых вод может вытеснить пресную воду в соленую.

Определенная деятельность человека, особенно откачка грунтовых вод из прибрежных колодцев с пресной водой , привела к увеличению проникновения соленой воды во многие прибрежные районы. Извлечение воды снижает уровень пресных грунтовых вод, снижая давление воды и позволяя соленой воде течь дальше вглубь суши. Другие факторы, способствующие проникновению соленой воды, включают судоходные каналы , а также сельскохозяйственные и дренажные каналы , которые обеспечивают каналы для перемещения соленой воды вглубь суши. Повышение уровня моря, вызванное изменением климата, также способствует проникновению соленой воды. ^[2] Вторжение соленой воды также может усугубляться экстремальными явлениями, такими как ураганные штормовые нагоны . ^[3]

Гидрология

Причины и последствия проникновения соленой воды

На прибрежной окраине пресные грунтовые воды, поступающие из внутренних районов, встречаются с солеными грунтовыми водами 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, поэтому ее гидравлический напор выше, чем у пресной воды. Гидравлический напор означает давление жидкости, оказываемое столбом воды: столб воды с более высоким гидравлическим напором переместится в столб воды 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 посредством дисперсии и диффузии . Обычно внутренняя протяженность клина соленой воды ограничена, поскольку уровень пресных грунтовых вод или высота столба пресной воды увеличивается по мере повышения высоты суши. ^[2]

Причины

Добыча подземных вод

Добыча подземных вод является основной причиной проникновения соленой воды. Грунтовые воды являются основным источником питьевой воды во многих прибрежных районах Соединенных Штатов, и их добыча со временем увеличилась. В исходных условиях протяженность соленой воды внутри страны ограничена более высоким давлением, оказываемым столбом пресной воды из-за его большей высоты. Добыча подземных вод может понизить уровень пресных вод , уменьшая давление, оказываемое столбом пресной воды, и позволяя более плотной соленой воде перемещаться вглубь суши вбок. ^[2] В Кейп-Мей, штат Нью-Джерси , с 1940-х годов забор воды понизил уровень грунтовых вод на 30 метров, снизив уровень грунтовых вод до уровня ниже уровня моря и вызвав широкомасштабное проникновение и загрязнение колодцев водоснабжения . ^{[5] [6]}

Добыча подземных вод также может привести к загрязнению скважин, вызывая подъем или выход соленой воды из глубин водоносного горизонта. ^[7] В исходных условиях клин соленой воды простирается вглубь суши, под пресной водой из-за ее более высокой плотности. Колодцы водоснабжения, расположенные над клином с соленой водой или рядом с ним, могут поднимать соленую воду вверх, создавая конус соленой воды, который может достичь колодца и загрязнить его. Некоторые водоносные горизонты предрасположены к такому типу вторжения, например, водоносный горизонт Нижней Флориды : хотя относительно непроницаемый слой породы или глины отделяет пресные грунтовые воды от соленой воды, отдельные трещины прорывают ограничительный слой, способствуя движению соленой воды вверх. Откачка грунтовых вод усиливает этот эффект за счет понижения уровня грунтовых вод и уменьшения толчка пресной воды вниз. ^[6]

Каналы и дренажные сети

Строительство каналов и дренажных сетей может привести к проникновению соленой воды. Каналы обеспечивают каналы для транспортировки соленой воды внутрь страны, равно как и углубление существующих каналов для навигационных целей. ^{[2] [8]} В устье 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 окружающих водно-болотных угодьях для облегчения бурения нефти и газа привело к проседанию земли , что еще больше способствовало движению соленой воды внутрь страны. ^[9]

Дренажные сети, построенные для осушения плоских прибрежных территорий, могут привести к вторжению из-за понижения уровня пресных вод и снижения давления воды, оказываемого столбом пресной воды. Вторжение соленой воды на юго-востоке Флориды произошло в основном в результате строительства 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 доставляли морскую воду вглубь суши до строительства водорегулирующих ворот. ^[6]

Решения

Двухслойная воздушно-пузырчатая завеса для предотвращения попадания морской воды в реки.

Рабочий процесс ABC

Вторжение морской воды (ИВИ) 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 уменьшения негативных последствий проникновения морской воды. Одним из устойчивых решений для рек является использование воздушно-пузырьковых завес, которые могут полностью решить проблемы КВИ в реках. ^[10]

Влияние на водоснабжение

Многие прибрежные поселения в Соединенных Штатах сталкиваются с загрязнением водопроводных колодцев соленой водой, и эта проблема наблюдается уже несколько десятилетий. ^[11] Многие прибрежные водоносные горизонты Средиземноморья страдают от последствий вторжения морской воды. ^{[12] [13]} 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] [14]} В некоторых районах, таких как штат Вашингтон, вторжение достигает только частей водоносного горизонта, затрагивая только некоторые скважины водоснабжения. Другие водоносные горизонты столкнулись с более масштабным загрязнением соленостью, что существенно повлияло на запасы подземных вод в регионе. Например, в Кейп-Мей, штат Нью-Джерси , где извлечение подземных вод привело к снижению уровня грунтовых вод на 30 метров, вторжение соленой воды с 1940-х годов привело к закрытию более 120 скважин водоснабжения. ^[6]

Отношение Гибена – Герцберга

Первые физические формулировки вторжения соленой воды были сделаны Виллемом Бадоном-Гийбеном  [pt] в 1888 и 1889 годах, а также Александром Герцбергом  [de] в 1901 году, что было названо соотношением Гибена-Герцберга. ^[15] 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

${\displaystyle z={\frac {\rho _{f}}{(\rho _{s}-\rho _{f})}}h}$

Толщина пресноводной зоны над уровнем моря обозначается как, а ниже уровня моря – как . Две толщины и связаны соотношением и где – плотность пресной воды и – плотность соленой воды. Пресная вода имеет плотность около 1000 грамм 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 ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle \rho _{f}}$ ${\displaystyle \rho _{s}}$ ${\displaystyle \rho _{f}}$ ${\displaystyle \rho _{s}}$

${\displaystyle z\ =40h}$. ^[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-м веке значительно возросшая доступная вычислительная мощность позволила использовать численные методы (обычно конечные разности или конечные элементы ), которые требуют меньше допущений и могут применяться в более широком смысле. ^[16]

Моделирование

Моделирование проникновения соленой воды считается сложной задачей. Некоторые типичные трудности, которые возникают:

• Возможное наличие трещин , трещин и разломов в водоносном горизонте, точное положение и протяженность которых неизвестны, но которые оказывают большое влияние на развитие внедрения соленой воды.
• Возможное наличие мелкомасштабных неоднородностей в гидравлических свойствах водоносного горизонта, которые слишком малы, чтобы быть учтены моделью, но которые также могут иметь большое влияние на развитие внедрения соленой воды.
• Изменение гидравлических свойств при вторжении соленой воды. Смесь морской и пресной воды часто недостаточно насыщена кальцием, что приводит к растворению кальция в зоне смешивания и изменению гидравлических свойств.
• 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, усложняет моделирование. Динамика водоносного горизонта имеет тенденцию быть медленной, и конусу внедрения требуется много времени, чтобы адаптироваться к изменениям в схемах откачки, осадкам и т. д. Таким образом, ситуация на месторождении может значительно отличаться от той, которую можно было бы ожидать, исходя из уровня моря, схемы откачки. и т. д.
• Для долгосрочных моделей будущее изменение климата остается большой неизвестностью, но хорошие результаты возможны. Результаты моделирования часто сильно зависят от уровня моря и скорости пополнения запасов. Ожидается, что в будущем оба эти изменения изменятся.

Смягчение последствий и управление

Контрольное сооружение (шлюз) Кэтфиш-Пойнт на реке Мерментау в прибрежной Луизиане.

Морская вода также является проблемой, когда шлюз отделяет соленую воду от пресной (например, шлюзы Хирама М. Читтендена в Вашингтоне). В этом случае был построен накопительный бассейн, из которого соленую воду можно перекачивать обратно в море. Часть проникающей соленой воды также перекачивается в рыбоход , чтобы сделать его более привлекательным для мигрирующей рыбы . ^[17]

Поскольку засоление подземных вод становится актуальной проблемой, следует применять более сложные инициативы, начиная от местных технических и инженерных решений и заканчивая правилами или нормативными документами для целых водоносных горизонтов или регионов. ^[18]

Районы возникновения

• Бенин
• Кипр
• Бу Регрег (Марокко)
• Пакистан
• Суринам
• Тунис
• Соединенные Штаты
  • Бассейн реки ACF (Флорида/Джорджия)
  • Окружающая среда Флориды
  • Округ Эссекс, Массачусетс ^[19]
  • Хирам М. Читтенден Локс (Вашингтон)
  • Остров Хатчинсон (Джорджия)
  • Озеро Ланье (Грузия)
  • Озеро Пончартрейн (Луизиана)
  • Река Майами (Флорида)
  • Дельта реки Миссисипи
  • Окснард Плейн (Калифорния)
  • Сан-Леандро (Калифорния)
  • Сонома-Крик (Калифорния)
  • Западный берег озера Верхнее ^[20] (Миннесота)
• Дельта Меконга
• Италия ^{[12] [21] [22]}

Смотрите также

• Подземные воды
• Экологический мигрант  - люди, вынужденные покинуть свой родной регион из-за изменений в местной среде.
• Гаральд Дж. Паркер  – американский гидрологСтраницы, отображающие описания викиданных в качестве запасного варианта
• Надувная коффердам
• Пик воды  - Концепция качества и доступности ресурсов пресной воды.

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 оригинала (PDF) 8 сентября 2012 г. Проверено 8 октября 2012 г.
2. Барлоу, Пол М. (2003). «Грунтовые воды в пресноводно-соленой среде Атлантического побережья». Геологическая служба США . Проверено 21 марта 2009 г.
3. «Выборочное вторжение соленой воды CWP да» . LaCoast.gov. 1996 год . Проверено 21 марта 2009 г.
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 оригинала (PDF) 8 сентября 2012 г. Проверено 8 октября 2012 г.
5. Лакомб, Пьер Дж. и Карлтон, Глен Б. (2002). «Гидрогеологическая структура, наличие запасов воды и проникновение соленой воды, округ Кейп-Мэй, Нью-Джерси» (PDF) . Геологическая служба США . Проверено 10 декабря 2012 г.
6. Барлоу, Пол М. и Райхард, Эрик Г. (2010). «Вторжение соленой воды в прибрежные районы Северной Америки». Гидрогеологический журнал . Геологическая служба США . 18 (1): 247–260. Бибкод : 2010HydJ...18..247B. дои : 10.1007/s10040-009-0514-3. S2CID  128870219 . Проверено 10 декабря 2012 г.
7. Рейли, Т.Э. и Гудман, А.С. (1987). «Анализ подъема соленой воды под насосной скважиной». Журнал гидрологии . 89 (3–4): 169–204. Бибкод : 1987JHyd...89..169R. дои : 10.1016/0022-1694(87)90179-x.
8. Гуд, Б.Дж., Бухтел, Дж., Мефферт, Д.Д., Рэдфорд, Дж., Райнхарт, В., Уилсон, Р. (1995). «Основные каналы прибрежного судоходства Луизианы» (pdf) . Департамент природных ресурсов Луизианы . Проверено 14 сентября 2013 г.{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
9. Барлоу, Пол М. (2008). «Предварительное расследование: Барьер с соленой водой – нижняя часть реки Сабина» (PDF) . Управление реки Сабин штата Техас . Проверено 9 декабря 2012 г.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
10. Кахризи, Эхсан; и другие. (2023). «Экспериментальная оценка двухслойных воздушно-пузырчатых завес для предотвращения проникновения морской воды в реки». Журнал воды и изменения климата . 14 (2): 543–558. дои : 10.2166/wcc.2023.384 . S2CID  255924963.
11. Тодд, Дэвид К. (1960). «Вторжение соленой воды в прибрежные водоносные горизонты США» (PDF) . Подземные воды . Издательство ИАГС. (52): 452–461. Архивировано из оригинала (PDF) 25 октября 2005 г. Проверено 22 марта 2009 г.
12. Полемио, Маурицио (1 апреля 2016 г.). «Мониторинг и управление карстовыми прибрежными подземными водами в меняющейся окружающей среде (Южная Италия): обзор регионального опыта». Вода . 8 (4): 148. дои : 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. дои : 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. 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 . Проверено 21 марта 2009 г.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
16. Романацци, А.; Джентиле, Ф.; Полемио, М. (01 июля 2015 г.). «Моделирование и управление карстовым прибрежным водоносным горизонтом Средиземноморья под воздействием вторжения морской воды и изменения климата». Экологические науки о Земле . 74 (1): 115–128. Бибкод : 2015EES....74..115R. дои : 10.1007/s12665-015-4423-6. ISSN  1866-6299. S2CID  56376966.
17. Моссхардт, Шерил; Синглтон, Глен (1995). «Уменьшение проникновения соленой воды через шлюзы Хирама М. Читтендена». Журнал водного, портового, прибрежного и океанического машиностроения . 121 (4): 224–227. дои : 10.1061/(ASCE) 0733-950X (1995) 121: 4 (224).
18. Полемио, Маурицио; Суффиано, Ливия Эмануэла (2020). «Обзор управления использованием подземных вод, находящихся под угрозой засоления». Журнал планирования и управления водными ресурсами . 146 (9): 03120002. doi :10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0001278. ISSN  0733-9496. S2CID  225224426.
19. «Примеры различных проблем с качеством воды | Уход за H2O» .
20. «В рассоле: Тайна соленой воды из колодца Северного берега» . www.seagrant.umn.edu . Проверено 27 сентября 2018 г.
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 : 2019МартPG.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.