《ACS ES&T Water》：Effect of a Negative Hydraulic Barrier near the Coast on Confined Aquifer Dynamics
编辑推荐：
摘要：本研究通过结合多年抽咸井与邻近观测井的现场监测、水文地球化学分析及三维数值模拟，评估了在海岸带承压含水层中抽排咸地下水(Saline Groundwater, SGW)形成之负水力屏障(Negative Hydraulic Barrier)对地下水动力学
摘要：本研究通过结合多年抽咸井与邻近观测井的现场监测、水文地球化学分析及三维数值模拟，评估了在海岸带承压含水层中抽排咸地下水(Saline Groundwater, SGW)形成之负水力屏障(Negative Hydraulic Barrier)对地下水动力学的长期影响。监测数据显示，咸淡水界面(Fresh–Saline Water Interface, FSI)动力学主要受SGW抽排制度控制。SGW抽排（180–260 m3/h）使距岸100 m观测井中层状亚含水层(subaquifer)盐度在两年内降低5–10%；连续六年抽排使抽出水中盐度降低12%，且降幅逐渐减缓。抽出水的地球化学分析揭示各别元素演化偏离随盐度下降的保守混合趋势，具体表现为Ca2?/Cl?比值非保守性升高约20%，同时B/Cl?比值降低约15%。数值模型模拟拟合了短期水文观测并对负水力屏障效能进行了长期预测，表明FSI在抽排位置受到抑制。上述发现验证了负水力屏障作为海岸带承压含水层管理的可行策略，并为优化其设计以防控海水入侵(SWI)、实现可持续SGW开采及潜在下游工业应用提供了可推广框架。
论文解读：《Effect of a Negative Hydraulic Barrier near the Coast on Confined Aquifer Dynamics》
一、研究背景与意义
全球水资源短缺背景下，海岸带过量开采地下水诱发海水入侵(Seawater Intrusion, SWI)，破坏咸淡水界面(Fresh–Saline Water Interface, FSI)平衡，致使淡水含水层咸化。现有SWI缓解措施含淡水回灌、地下物理幕墙及人工补给等，而负水力屏障(Negative Hydraulic Barrier)——即通过抽排位于或低于FSI的咸地下水(Saline Groundwater, SGW)局部降低水头以阻遏海水内陆推进——兼具保护淡水资源与SGW资源化利用（如冷却、养殖、海水淡化进水）的双重优势。然而，多层复杂承压含水层中SGW抽排引起的FSI过程、水力–地球化学行为及长期效应尚缺乏系统现场与模拟研究，特别是承压条件下压力驱动流及层间非均质性对FSI稳定性的影响，以及长期抽排诱发的矿物溶解、离子交换、硼吸附等非保守地球化学演变尚未明晰。该研究以以色列Michmoret海岸承压含水层为现场，综合监测、地球化学与变密度流数值模拟，验证负水力屏障在承压系统中的效能并量化其地球化学演化，为海岸带含水层管理提供依据。论文发表于《ACS ES&T Water》。
二、主要技术方法概述
研究人员于以色列Michmoret海岸带以色列海岸含水层(Israeli Coastal Aquifer)典型剖面设置现场：两口SGW抽排井TY（距岸30 m，抽B1–B3亚含水层，170–200 m3/h）与SM（距岸10 m，抽B2亚含水层，50–150 m3/h，2022年10月停抽），并专门钻探两口穿透亚含水层B之FSI的观测井MY1（B1段，距岸约80 m）与MY2（B2段），内置Seba与YSI探头连续监测电导率(EC)、温度及压力（5分钟间隔，2021年初—2023年6月）。TY抽水水样于2019–2025年间季节性采集，测定EC、pH、碱度（Gran滴定法）、主要离子（ICP-OES）及Cl?（Mohr法）。基于FEFLOW建立二维及三维变密度流及溶质运移数值模型，设定地中海海水边界（TDS 35000 ppm，ρ=1.025 g/cm3）、陆侧降雨入渗补给（200 mm/a）及隔水边界，先达稳态FSI后叠加区域淡水井群抽排再引入SGW抽排井，校准并预测20年影响。
三、研究结果
3.1. Fresh–Saline Water Interface Dynamics Monitored in the Observation Wells（观测井监测之咸淡水界面动力学）
通过对2021年2月至2023年5月TY与SM抽排速率、MY1与MY2电导率(EC)及降雨数据的三期对比分析，研究人员发现抽排速率与MY1 EC呈明显反比关系，Phase II初期六个月高抽排导致MY1 EC线性下降（R2=0.97），抽排低于临界阈值（~230 m3/h）则EC快速回升甚至超过初始值；降雨对承压亚含水层EC无显著影响。SM虽抽排量少但波动对FSI影响显著，因其筛管位于被监测之B1亚含水层且不稳定运行易扰动FSI，而TY筛管跨越多层使FSI在其附近较早稳定。结论：承压含水层中FSI动力学主要受控于抽排制度，高且稳定抽排维持平流驱淡梯度，低抽排或停抽致密度驱动浮力与侧向绕流("edge effects")引发快速咸化；负水力屏障在距抽排点内陆80 m内可有效驱淡，但效果具不对称性与临界流量依赖，需连续运行防失效。
3.2. Geochemical Variations in the Pumped SGW（抽出咸地下水之地球化学演变）
六年监测显示TY抽出水电导率(EC)总体下降约12%，降幅逐年递减趋近平台。尽管总体淡化，Ca2?/Cl?比值较初始再升约20%，B/Cl?比值再降约10%–15%，Mg2?/Cl?呈保守行为。持续Ca2?富集归因于：（1）内陆淡水向井迁移诱发石灰质砂岩中方解石溶解（2025年样品pH 7.22，碱度3.63 mequiv/L支持此过程）；（2）抽排加速海水循环增强Na?–Ca2?阳离子交换释放Ca2?。持续B亏损归因于内陆淡水稀释及含水层介质对循环海水之硼仍有吸附容量未饱和，未达触发解吸之淡化阈值。结论：总体淡化不即刻逆转先期咸化之地球化学印记；Ca2?升高可能加剧后续淡化之结垢风险，B降低有利于减少脱硼能耗。
3.3. Modeling the Effect of Pumping SGW on the Surrounding Aquifer（SGW抽排对周边含水层影响之模拟）
FEFLOW变密度流模型再现了SGW抽排引起FSI局部西移（向海牵引形成淡水凹陷），TY单独长期运行使FSI被"钉扎(pinned)"于TY附近，远端FSI继续向海后退。模型捕捉到TY与MY1处盐度时序变化趋势（TY绝对盐度偏低因初始条件侧重预开发FSI构型而非完全匹配实测初值；MY1短期斜率偏差源于SM波动被模型简化为均值）。二十年预测显示TY处淡化趋缓接近稳态（FSI垂直对齐井位限制进一步淡化），MY1持续淡化趋近微咸–淡水。模拟证实双向水流汇聚（东侧淡水、西侧强化海水循环）为负水力屏障之地貌机制，并为Ca富集与B亏损之非保守行为提供机理解释。
四、总结与结论（译自Summary and Conclusions）
本研究表明，多层承压含水层中咸淡水界面(FSI)动力学主要受SGW抽排制度控制。两年现场监测证实负水力屏障有效性——近场含水层呈高度线性可预测之淡化响应，但也识别出淡化与咸化速率不对称之运行风险：低于场地特定阈值（~230 m3/h）之抽排触发快速非线性海水入侵，可能受观测区侧向"边缘效应(edge effects)"加剧。尽管SM抽排量较小，其对FSI之敏感性更高，说明筛管深度与抽排稳定性可能比总抽排体积更关键。六年地球化学监测显示，负水力屏障虽诱导总体淡化，但产出水具复杂离子分异——Ca2?/Cl?持续升高约20%（方解石溶解叠加强化阳离子交换），B/Cl?持续降低约15%（淡水分馏稀释与介质未饱和吸附），表明总体淡化不立即逆转先期咸化地球化学印记，长期SGW资源化利用需关注水质演化。数值模拟桥接现场观测与物理机制，验证负水力屏障在承压含水层中对FSI之局部约束效应并提供区域优化布井之预测框架。本研究确证负水力屏障可作为海岸带承压含水层海水入侵管理之可行工具，集成数值模拟与水文地球化学示踪对其精确管理与修复至关重要。未来需量化触发硼解吸之淡化阈值、累积钙结垢影响及区域井群（兼顾潜水和承压层）优化配置。
