法国Thau潟湖Vise海底岩溶泉的水文监测：技术性问题与科学问题

《LHB》：Suivi hydrologique de la source sous-marine de la Vise : questions techniques et scientifiques

　　

位于法国Thau潟湖(Thau lagoon)内的Vise海底岩溶泉(submarine karst spring)受inversac（流场反转，flow reversal）现象影响，即该泉暂时发生功能反转——不再向潟湖排泄淡水，而是将海水吸入岩溶含水层(aquifer)。研究人员描述了用于监测这一罕见现象的观测装置及遇到的困难，并提出inversac发生机制假说，将水文与水文地质条件与该泉的运行模式相关联。观测装置的安装改变了海底泉出口处的流动状态，特别是因潟湖施加于泉出口点的压力降低，导致实测流量增大；此外，潟湖与测量装置内部的水头差(charge hydraulique)可能诱发盐水向内流入装置。为确保海底泉水文监测中测量结果的准确性与可靠性，必须考虑上述计量学(metrological)问题。

法国Thau潟湖Vise海底岩溶泉(inversac现象)水文监测及流场反转机制研究解读

位于法国地中海沿岸埃罗省(Hérault)Thau潟湖(l'étang de Thau)水深约30 m处，存在Vise海底岩溶泉(submarine karst spring / exutoire karstique sous-marin)，其为面积达200 km2的蒙彼利埃西穹窿(Pli Ouest de Montpellier)侏罗系碳酸盐岩溶含水层的主要排泄点之一。正常情况下该泉向潟湖排泄淡水，但在含水层水位下降且潟湖水位相对较高时，会发生被称为inversac（流场反转，flow reversal）的现象——淡水排泄停止，海水沿岩溶管道反向侵入并吸入含水层，造成地下水咸化威胁。自1960年代末已记录8次inversac事件，最近两次分别持续16个月(2020–2022)和6个月(2023–2024)。此前文献缺乏对长期inversac的海底泉连续水文地质监测记录。为理解inversac触发机制、量化盐水侵入量并建立预警指标，研究人员于2019年春在Vise泉口安装了定制原位连续监测装置，获取了正常排泄期与inversac期的流量(débit)、电导率(conductivité électrique，反映盐度salinité)、温度(température)及上游孔隙水压力(piézométrie)等时间序列数据，据此提出inversac发生与恢复的双阈值水力梯度条件及滞后(hysteresis)机制。该论文发表于水文学与环境水力学领域期刊《LHB》(La Houille Blanche)。

主要关键技术方法

研究人员针对Vise泉口狭小(1.2 m×0.18–0.25 m矩形开口接约?0.5 m岩溶管道)、水深30 m、低能见度、生物附着及Natura 2000保护区限制等约束，由潜水员在清理泉口旧管后安装定制玻璃钢(fibre de verre)集水罩(高2.7 m、?1 m，带三脚架底座)，罩顶串联DN1000双向电磁流量计(flowmeter électromagnétique bidirectionnel, Krohne Optiflux 4300 W，精度约5%，电子元件引至岸上)及1.5 m高DN1000稳流管(tube de tranquillisation)以减少湍流；罩内另设压力、电导率、温度传感器及接岸上泵的聚乙烯采样管(长180 m)。为验证电磁流量计，潜水员用改装Seacraft ENC水下导航单元加垂直流速探头在点阵测速场并积分估算流量。上游含水层水头由距Vise约2.85 km的P4-Balm观测孔(BSS002JEKE，位于含水层自由面段)监测，潟湖水头由潮汐站获取，按密度修正后的水力梯度(gradient hydraulique i = H_P? (ρ_S/ρ₀)·H_S)分析inversac触发与恢复阈值，并用两段串联水动力关系(裂隙-岩溶含水层层流QA=A·ΔH与岩溶管道湍流Q_C=C·√ΔH_C)拟合流量—水头关系以率定参数A(m2/s)和C(m^2.5/s)，建立inversac风险预警指标I₁=H_P4-Balm?(ρ_S/ρ₀)·H_S。

研究结果

4.1. 监测时间序列(Chroniques de mesure)

研究人员对比分析了2019年6月至2022年10月Vise泉流量、电导率、温度及上游Issanka泉测压水头与Vise—潟湖间水力梯度i的时间序列。正常期流量介于+0.050～+0.210 m3/s且与含水层水位正相关；2020年11月28日i降至阈值S₁=6.13 m时流量突变为?0.370 m3/s(吸入)，inversac期吸入流量渐降至约?0.150 m3/s，直至2022年3月14日强降雨使含水层骤充、i回升超过恢复阈值S₂=10.25 m后流量恢复正向排泄(+0.200 m3/s)。电导率在正常淡水排泄时<5 mS/cm，inversac开始后跃升至近60 mS/cm(海水特征)，恢复排泄时骤降；温度正常期≈19℃(受深部热水贡献，高于当地年均气温15℃)，inversac期随潟湖季节变温(冬降夏升可达25℃)，反转结束时短暂冲出受热影响含水层水体致温度短时冲高至约30℃并伴电导率短暂下降。由此确认inversac起止可由水力梯度i越过双阈值判定，电导率与温度为inversac状态良好替代指标。

4.2. inversac机制理解与定量(Inversac机制及滞后)

研究人员基于垂向岩溶管道连接潟湖与侏罗系承压含水层(含水层顶部估算深P≈70 mNG)、以密度修正水力梯度为控制变量的概念模型指出：正常态i>S₁时淡水上排；当i< />₁(≈6.13 m，以Issanka测点为参照)则流场反转。inversac期内管道被盐水充填，密度增大使管道底部水头抬升(ρ_S/ρ₀?1)·P≈2.30 m，造成恢复需更高含水层水头(i>S₂=10.25 m)，形成显著滞后(hysteresis)。2020年11月至2022年3月inversac期间，装置测得约6.7 Mm3海水及超20万吨盐分侵入侏罗系含水层。此密度—水头效应还致Balaruc半岛局部地下水位异常上升引发地下室浸水。由此明确inversac具强滞后性，触发与恢复不对称，且引起可观盐水负荷与次生水文影响。

5.1. 测量装置的水力影响(Impact hydraulique du dispositif de mesure)

研究人员分析指出装置内部充满淡水(密度ρ₀)而外部为潟湖咸水(密度ρ_S)，使装置内水柱静压低于外部，等效于降低潟湖对泉口的背压，按ΔH=L·(ρ_S/ρ₀?1)(L=5.2 m装置高)使实测流量人为偏高5–25 L/s，低梯度(小流量)时偏差更显著；同时装置底部与周围淤泥—粉砂沉积接触不密封，内外水头差使少量潟湖咸水从底部渗入装置(实测低水期约6 L/s，占总读数7–8％)，进一步造成流量高估。两重人为效应须在数据解译与校正中考虑。

5.2. 从测量装置到预警装置(D'un dispositif de mesure à un dispositif de vigilance)

研究人员用上游P4-Balm孔水位H_P4-Balm、潟湖水头H_S及密度比ρ_S/ρ₀构建inversac风险指标I₁=H_P4-Balm?(ρ_S/ρ₀)·H_S，并划分四级警戒：I₁>0.8(无预警)；0.25< />₁<0.8(关注vigilance)；0.1< />₁<0.25(强化关注vigilance renforcée)；I₁<0.1或负(危机 imminent d'inversac)。该指标经历史数据验证可预判inversac触发，同步建立恢复期判定指标，现已由Thau流域混合工会(Syndicat Mixte du Bassin de Thau)投入业务化运行。

讨论与结论(Conclusion)总结翻译

研究人员指出，对影响海底泉的长期inversac现象进行水文监测面临场地可达性与维护难题，咸—淡水体密度差带来计量偏差(装置内淡水柱降压致流量虚高、咸水侧渗入)，须在数据解译中校正。所获连续监测数据阐明了inversac发生—恢复的滞后的双阈值水力梯度机制(触发阈值S₁≈6.13 m、恢复阈值S₂≈10.25 m，差异源于管道内盐水置换产生的密度水头增值≈2.30 m)，量化了一次inversac(2020–2022)入侵6.7 Mm3海水及>2×10? t盐分，建立了基于上游观测孔水头与潟湖参数的预警指标I₁并投入地方业务应用。对inversac机理的认知打消了地方利益相关方顾虑，为后续探讨减轻inversac风险及保护海岸岩溶含水层淡水资源提供了科学与决策基础。