深圳填海工程对海水入侵的影响研究

余海忠冯书才

(1.中国地质大学(武汉)，湖北武汉 430074； 2.深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳 518029)

深圳填海工程对海水入侵的影响研究

余海忠1，2冯书才2

(1.中国地质大学(武汉)，湖北武汉 430074； 2.深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳 518029)

分析了填海工程对地下水流动系统的影响和对地下水物理化学特征的影响，并通过有限元数值模拟的方法，研究了深圳地区填海工程对于海水入侵的影响，结果表明，当填海材料的渗透性越低、填海的规模越大、地下水位上升的越高时，咸淡水分界面往海洋方向移动的距离就越大，填海工程对海水入侵有一定的阻挡作用。

海水入侵，地下水，填海工程，环境，生态

0 引言

20世纪80年代以来，我国沿海地区城市的海水入侵现状日趋严重，据国家海洋局监测结果显示，辽东湾北部及两侧的滨海地区海水入侵的面积已超过4 000 km2，莱州湾海水入侵面积已达2 500 km2[1，2]。监测及研究结果[3-10]显示在深圳地区也存在不同程度的局部海水入侵区，并对其经济、生活产生了危害影响。然而，深圳作为沿海经济特区，土地资源十分稀缺。随着改革开放不断推进，土地资源的贫乏制约了深圳的进一步发展，深圳只能通过填海来不断提供新的发展用地。深圳的海岸线不停地在向外延伸，这也就意味着深圳不同于其他沿海城市，其海水入侵的研究还要考虑填海工程的影响。国内其他城市在这方面的研究比较少，因此本文将通过分析填海工程对地下水流动系统的影响和对地下水物理化学特征的影响，并通过有限元数值模拟的方法，来研究不同情况下填海工程对海水入侵的影响情况。

1 深圳填海工程概况

1.1 深圳填海工程的现状及规划

改革开放以来，尤其是20世纪90年代中后期以来，深圳地区的填海工程在东部的盐田港片区和西部的宝安机场片区蓬勃展开，到2005年为止，填海总面积超过了30 km2， 2005年—2010年，又完成了约30 km2的填海。

2011年—2020年正在进行和将要进行的填海工程主要包括：机场二跑道填海工程二期(8 km2)、大铲湾集装箱码头填海工程三四期(8.1 km2)、盐田港填海工程(东港区新建2.1 km2)、坝光精细化工园填海工程(7.4 km2)、海上田园风光填海工程(4.5 km2)、福田保税(扩展)区填海工程(4.2 km2)、宝安综合港填海工程(2.5 km2)、大铲湾码头陆域填海工程(8.1 km2)、大铲湾后方陆域仓储区(2.7 km2)。

到2020年，深圳总的填海面积将达到100 km2。

1.2 填海材料及工艺

填海工程所用填筑材料，因工程需要及材料来源不同，也各有不同。一是采用填石，主要由含少量粉质粘土的花岗岩大块石组成；二是采用素填土，如细砂或含少量碎石的粉质粘土为填筑材料；三是采用杂填土，以建筑垃圾及碎块石为主，混有少量粘性土。

深圳填海工艺主要有以下几种填筑方式：

1)挤淤法。利用抛石或填土，采用“龙抬头”的方法逐渐向前推进，从而将海底流塑状淤泥向外挤出填土区。目前大多填海工程采用的是这种挤淤法。采用挤淤法填海的场地往往还要进行强夯处理。

这种方法由于填土多呈松散状，其成分多为碎块石，其中细颗粒成分一般不多，因此淤泥中赋存的咸水则进入填土层下部大孔隙中，从而保存下来。若填土区暴露时间长，接受大量大气降水的入渗补给，其咸水上部可形成一定厚度的较淡水。

2)换填法。首先采用绞吸船将海底淤泥全部清理出来，然后填上合乎一定技术要求的砂土至水面以上，再对砂层进行密实加固处理(宝安国际机场二期工程机场跑道区即采用这一方法)。这种方法虽然满足了工程清淤的要求，但咸水却基本留于砂层孔隙中，若上部覆盖混凝土，不加任何处理则这部分咸水将会长时间滞留于砂层中。

3)排水固结法。首先采用抛石挤淤或爆破挤淤修筑围堤，将海水抽干，然后在淤泥上铺上经编复合土工布，再填砂垫层，插入排水板，最后采用堆载预压和(或)真空预压的办法，使淤泥层中的咸水挤出排走，这样使淤泥层得以加固处理。经处理后的土层中仍残留有部分咸水。

2 填海工程对地下水系统的影响

2.1 填海工程对地下水流动系统的影响

填海造地行为可以明显改变原来的地下水补、径、排条件。大规模填海对地下水流动系统的影响有以下几方面：1)大规模填海后，海岸线向海移动，延长了地下水向海水排泄径流途径，增大了地下水接受补给的面积，从而增加地下水资源量，最终导致内陆地下水位抬高；原滨海区及部分填海区中的地下水将不断淡化，这将改变原地下水与海水的咸淡水界面，经过相当长时间后，该界面会向海发生相应的移动而达到新的平衡。2)地下水位和咸淡水界面受填海影响的程度主要取决于填海的规模和填海材料的渗透性。当填海材料的渗透性较低，填海的规模较大时，地下水位上升的越高时，咸淡水分界面往海洋方向移动的距离就越大。3)填海活动使得海岸线向海洋方向移动，实际是增大了地下水补给区的面积，补给量增加，相应地下水排泄量也增加。其中，地下水潜水往海洋的排泄量减少，而以泉水形式的排泄量会增多，泉眼的位置主要分布在原海岸线与填海区界线附近，形成地下水溢出带。填海后因为潜水通过填海区向海排泄量减少，会使渗流场重新分布，更多的潜水将集中向未填海的海岸带。4)填海对地下水系统的影响程度取决于诸多因素，如原滨海含水系统特征(潜水或承压水)、填海规模与填土渗透性。虽然填海可一两年内完成，但填海工程对地下水系统的影响是相当漫长的非稳定过程。

2.2 填海工程对地下水物理化学特征的影响

褐红的风化花岗岩填土与青灰色海底淤泥则表明两者有着极为不同的化学成分与环境，如填土多富含氧化铁，原处于氧化环境中；海底淤泥富含重金属与有机质，处于还原环境中。填海工程不仅使得地下水咸淡水界面向海推进，也使填海区的沉积环境受到了较大的扰动，填海区淤泥经历了嫌氧环境→氧化环境→嫌氧环境的变化过程，在这些过程中，区域沉积物与水体间的重金属沉淀溶解平衡、吸附解吸平和、络合平衡被打破，地下咸水逐渐被淡化，同时还伴随着复杂的离子交换过程和水动力弥散过程。

1)离子交换过程。在残留海水被地下水逐渐取代的过程中，地下水中的Ca2+，Mg2+以及海水中的Na+之间将会发生离子交换反应。

2)酸性硫酸盐土生成与重金属释放化学过程。填海过程中，填土中氧化铁和还原性的硫化物在水的作用下将会发生如下反应：

Fe2O3+4S2-+6H+→FeS2+3H2O+2e-

而酸性硫酸盐土FeS2是一种非常活泼的物质，它只能在还原条件下存在，而在填海后，咸淡水界面向填海区移动，原来还原性的残留海水将被别的地下水所代替，一旦略微氧化的地下水接触到填海区的酸性硫酸盐土，将会发生下面一连串的反应：

FeS2+7/2O2+H2O→Fe2++2H++2(SO4)2-

Fe2++1/4O2+H+→Fe3++1/2H2O

FeS2+14Fe3++8H2O→15Fe2++16H++2(SO4)2-

以上这些反应将会对海洋环境产生一定的影响，另外，由于反应过程中产生了酸性环境，将会导致原本淤泥表面吸附的大量重金属释放到水体中，水体中的重金属含量将会增加，水体中生物的生存环境将会受到严重污染，但这些重金属永远不会自然生物降解，因为重金属在动物和人体内都有富集过程，它会随着生物链进入嗜吃鱼虾蟹蚌的人体内，危害人们的身体健康。

3 填海工程对海水入侵影响的数值模拟

3.1 建立数值模拟模型

根据填海区地层分布、含水性质、赋存条件及水力特征，可建立这样的数值模型：①素填土和淤泥质粘土，在模型中定义为弱透水层；②中砂，在模型中定义为第四系含水层；③砂质粘土和粉质粘土，在模型中定义为弱透水层；④全风化、强风化混合岩和全风化、强风化花岗岩，定义为基岩裂隙含水层。主要模型参数见表1。利用改进的Henry问题，模拟二维承压含水层不同条件下地下水位变化海水入侵发展演化情况。

表1 数值模型主要参数设置表

3.2 人工开采条件下填海对海水入侵的影响

当第四系和基岩裂隙中的地下水被开采后，形成了以水源井为中心的开采漏斗，地下水位将低于海水水位，从而引起海水入侵。通过模型预测，Cl-250 mg/L浓度线两个半月后到达开采井位置，海水到达水源井后，以水源井为中心形成开采漏斗，水源井以北的陆域地下水位高于开采井的地下水位，海水入侵的范围逐渐趋于稳定。模拟表明在人工填海的情况下，海水入侵影响程度与没有填海时是一样的，填海对海水入侵影响不大，地下水开采才是海水入侵的主要原因。

3.3 无人工开采条件下人工填海对海水入侵的影响

由于沿海地区进行人工填海，使得海岸线向陆域延伸，并因人工填海深度普遍达到一定厚度(平均13.5 m)，造成部分地区第四系含水层的渗透系数减弱，成为弱透水层。在没有人工开采情况下，不能形成地下水漏斗时，陆域地下水的水位高于海域的水位，通过模拟结果发现，海水入侵的范围很小，没有到达陆域范围。

3.4 开采状况下有无人工填海对海水入侵影响的分析

在人工开采或有地下水漏斗时，陆域地下水水位低于海域水位，在没有人工填海作用下，模拟表明海水入侵的分界线(250 mg/L)在215 d内运移路径为123.45 m；在有人工填海的状况下，若不计算填海使海岸线向海域延伸的距离，模拟表明海水入侵的分界线(250 mg/L)在215 d内运移路径为123.21 m。无人工填海海水入侵界线比人工填海后海水入侵界线多运移0.24 m。可以看出人工填海对海水入侵有一定的阻挡作用。

4 结论与认识

通过以上的研究，可以得出如下结论：1)填海造地行为可以明显改变原来的地下水补、径、排条件，引起内陆地下水位抬高；咸淡水界面向海发生相应的移动。2)填海区的沉积环境受到了较大的扰动，填海区淤泥经历了嫌氧环境→氧化环境→嫌氧环境的变化过程，填海区内具有不同物理化学特征的水体与土体之间将会发生各类物理化学反应。3)填海工程对填海区地下水、淤泥存在环境的扰动，填海区地下水淡化和淤泥氧化还原条件的变化是影响重金属元素迁移进入水体的主要因素，另外填筑材料的进一步风化也是使地下水中重金属含量增加的因素之一。4)通过对人工填海的垂向二维数值模拟，表明人工填海对海水入侵有一定的阻挡作用。

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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，在读博士后，高级工程师；冯书才(1954- )，男，高级工程师

1009-6825(2015)04-0056-03

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