利用经济型防渗墙建造地下水库并保护沿海土地：一石二鸟

《ACS ES&T Water》：Creating Underground Reservoirs and Protecting Coastal Lands Using Economical Seepage Cutoff Walls: One Stone, Two Birds

沿海地区面临淡水短缺与土地退化双重危机，提出利用沙地孔隙建造地下淡水储层，通过隔断墙与主动稀释技术将海水转化为淡水并稳定土地，以新加坡为例显示该方案潜力巨大，需解决稀释效率、地基变形及隔断墙耐久性问题。

　　

困境与机遇

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全球沿海地区面临着双重危机：日益严重的淡水短缺（1,2）和逐渐恶化的土地退化（3,4），这些问题表现为洪水、盐碱化、侵蚀、地面沉降以及生态系统的衰退。在低洼的三角洲和小岛国家，这种挑战尤为突出，因为快速的城市化进程与海平面上升同时发生，例如雅加达和新加坡。5,6 尽管这些地区降雨频繁，但蒸发率却很高。大多数此类地区缺乏足够的储水能力，如可行的含水层或大规模的地表水库，导致大量淡水通过径流直接流入海洋。7,8 无论是大坝型还是开放式地表水库，都需要大量的土地和特定的地形条件，而这些在人口密集的沿海城市中往往难以满足。沙质海岸线虽然具有较大的孔隙空间，可以储存雨水，但严重的海水入侵使其失效。3 这种盐分饱和不仅消除了其储水潜力，还破坏了土壤的完整性以及地上和地下基础设施的稳定性。7,8

水资源压力与土地脆弱性的这种结合带来了一个非传统的机遇：能否将沿海沙地的地下孔隙转化为淡水储存设施，同时稳定土地？我们提出了一种可扩展的、可持续的解决方案，即建造低成本的防渗墙，通常与海堤结合使用，以将目标沙地区域与海洋隔离开来。在这些围护区内，海水可以通过主动稀释逐渐被雨水替代，从而将一个脆弱点转变为韧性来源。以新加坡为例，填海造地已经占其国土面积的26%，表明其潜在的储水能力超过5亿吨，相当于该国目前从马来西亚进口的日用水量的500多倍。9

行动框架

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受到12世纪威尼斯经验的启发——当时在三角洲前缘的沙地中建造了内衬黏土的地下蓄水池，尽管周围有海水，但仍能收集和净化雨水（10），我们概述了一个三阶段策略，在沿海沙质土壤中创建地下蓄水池（图1）。

图1

图1. 在沿海沙质地区建立地下蓄水池的策略：(a) 沙质地区的现状；(b) 建造防渗墙以形成封闭的地下空间；(c) 通过主动抽水稀释海水并补充雨水；(d) 形成充满淡水的地下蓄水池。

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第一步：围护

在目标区域周围建造垂直的防渗墙。这些屏障不是用传统的钢材或混凝土结构制成，而是通过将当地沙子与10-20%的黏土（如膨润土或海黏土）以及水泥或粒化高炉矿渣等粘合剂混合，在现场制成。这些墙体向下延伸至不透水的底层（如海黏土或基岩），形成一个能够储存淡水的地下容器。为了灵活管理水资源和土地，蓄水池的规模可以根据现场条件进行适当调整。一般来说，较大的系统可能会将防渗墙与现有的不透水海岸线结合使用，以将沙地区域与内陆地区分隔开来；而较小的蓄水池则可以仅由防渗墙包围。

第二步：主动稀释

由于长期的海水入侵，沙质基质中的孔隙空间最初被海水填充。通过井或管道网络，将海水从蓄水池底部抽出，并用雨水替换。经过多个循环的稀释后，盐度可以降低到可接受的水平。稀释效率取决于抽取和补给网络的几何形状和容量、蓄水池的规模和配置，以及降雨变化性和土壤水力传导性等水文地质因素。

第三步：储存与运行

一旦完成稀释，这些封闭区域就可以作为地下淡水蓄水池使用，既能抵御洪水，也能缓解干旱。这些系统在雨季储存多余的雨水，在干旱时期或紧急情况下提供水源，并且由于位于地下，能够显著减少蒸发损失和土地使用冲突。它们与现有的水资源管理系统的结合，使其成为人口密集沿海地区的适应性资产。

预见的挑战

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虽然地下蓄水池的概念为加强水资源安全和保护沿海土地提供了有效的途径，但其最终实现需要解决一系列相互关联的科学和工程挑战，必须仔细处理这些问题，以确保在不同沿海环境下的长期功能、安全性和可持续性。

海水稀释的效果

通过主动稀释来替换沿海沙质基质中的咸水是一个复杂的过程，涉及对流、扩散、密度驱动的流动以及局部侵蚀等多种因素。盐度的时空变化对土壤异质性、抽取配置和降雨变化性非常敏感。如果稀释不完全或不均匀，可能会导致盐度分层和停滞区域，最终影响水质。在大规模应用中，这种风险会加剧，因为水力连通性和自然对流随深度和横向范围的变化而显著变化。因此，必须深入理解不同排放和补给条件下的稀释动力学，以便进行现实的模拟和优化蓄水池设计。准确预测稀释时间、混合阈值和所需缓冲体积对于运营规划和长期性能评估至关重要。

地面变形与结构稳定性

由于稀释过程、季节性降雨或淡水供应的影响，地下水位会发生变化，从而在沙层和下方黏土层中重新分配有效应力，导致地面变形（垂直和水平方向），并对上层建筑或景观表面产生潜在影响。在填海造地地区，虽然施工前会对地基土壤进行预加载处理，但仍需仔细评估这些土壤在不同有效应力下的残余压缩性和潜在回弹，以确保蓄水池的安全和可持续运行。在没有地上建筑物的自然沙质区域，这个问题相对不那么严重，尽管这些土壤的压缩性通常较高。此外，防渗墙两侧的水压差可能导致其发生轻微的水平位移，增加开裂和其他形式破坏的风险。解决这些耦合的水力-机械过程需要综合的现场地质特征分析、先进的土壤本构建模和长期监测。特别需要注意土壤的各向异性、应力历史以及不同层次之间的界面行为。位于这些蓄水池上方、下方或附近的基础设施必须在设计和风险管理策略中充分考虑这些潜在的变形。

防渗墙的耐久性和水质

防渗墙的长期有效性至关重要，它们必须在数十年的各种水力和化学环境中保持低渗透性和结构完整性。储水淡水与周围海水之间的持续水力和盐度梯度可能导致墙体内部的应力疲劳和离子迁移，引发物理退化（如收缩和开裂）以及化学侵蚀（如粘合剂的渗出）。墙体表面的微生物滋生也会改变水流路径并削弱材料的凝聚力。因此，需要基于实际环境条件（包括温度变化和反复的湿润-干燥循环）建立对墙体退化的机制性理解。材料组成、墙体几何形状和安装技术必须根据当地的盐度分布、地下水动态和服务寿命预期进行优化。自修复材料和嵌入式传感器等创新技术值得探索，以便早期发现损坏并采取相应的维护措施。明确的质量评估、监测方案和维护策略对于确保蓄水池的长期性能至关重要。

结论性意见与展望

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沿海地区淡水短缺与土地退化的结合是21世纪城市化和气候变化适应过程中面临的重大挑战之一。在沙质海岸线建造地下淡水蓄水池是一种具有全球意义的双重效益策略，既能保障水资源安全，又能增强土地的韧性。这种方法不是替代现有的海水淡化或人工补给含水层方案，而是通过重新利用未充分利用的沿海沙地来补充这些方案。它利用了现有的地形，减少了地表破坏，并能随着城市发展进行扩展。从概念到实施的过渡需要分阶段的计划：包括分析和数值建模、实验室和试点规模测试、现场部署以及政策整合。多部门合作对于根据当地地质、气候和监管框架定制设计方案至关重要。如果成功实施，这些蓄水池将成为全球沿海地区韧性的关键支柱，将紧迫的环境问题转化为可持续的基础设施机会。