广西北部湾地区海水入侵风险评估与对策研究.doc

广西水利水电科技计划项目

申　报　表

项目名称：北海市海水入侵机理与防治对策研究

承担单位：广西水利科学研究院

推荐单位：广西壮族自治区水利厅

申报日期：2010年6月

广西壮族自治区水利厅制

项目名称
北海市海水入侵机理与防治对策研究
承担单位
名称
广西水利科学研究院
邮编
530023
地址
广西南宁市民主路1-5号
电话
0771-5627700
性质
事业
隶属
广西水利厅
协助单位
山东水利科学研究院、丹华水利环境技术(上海) 有限公司
项目负责人
凌贤宗
职称
高工
项目资金
需求（万元）
总投资
科技经费
单位自筹
其他
456
456
/
/
科技经费的
主要用途
课题试验相关的设备费、材料费、测试化验加工费、燃料动力费、差旅费、会议费、国际合作与交流费、出版/文献/信息传播/知识产权事务费、劳务费、专家咨询费、管理费等。
项目起止时间
2011年1月～2013年12月
项目研究的目的、意义和选题依据：
2008年2月，国家正式批准实施《广西北部湾经济区发展规划》，标志着广西北部湾经济区开放开发上升为国家战略，将成中国经济发展新一极。随着北部湾经济区的进一步开发，人口增长与城市化进程，社会经济对水资源的需求将不断增加。
北海市是我国的沿海开放城市,在20世纪90年代初期,随着经济建设各方面飞速发展，人口急剧增长。北海市区三面环海，无大江大河傍靠，无就近利用地表水之条件，地下水是北海市区生存和发展的资源条件之一，市区地下水储量20亿m3，目前地下水仍是城市供水的唯一水源，城市的每一步发展都依赖于地下水的开发。近年来，随着北部湾经济区建设的推进，北海市水资源供需矛盾将日益突出，地下水被大量集中开采，有的地段甚至严重超采，目前北海市地下水的开采量以每年20%～30%的速度增长。地下水的过渡抽取将会引起地下水位急剧下降，咸淡水分界线呈向内陆扩张之势，从而导致海水入侵的扩张。海水入侵是一种严重的水文地质灾害,海水入侵使一部分民用开采井变咸,地下水位持续下降，水位降落漏斗逐步扩大加深，水质恶化,为市民的日常生活带来极大的不便,对水资源造成极大的浪费。另外，海水入侵使原有的生态平衡遭到破坏，对自然资源的可持续利用与发展都造成了不利的影响，给社会经济生活带来严重威胁。
基于以上生态环境问题存在的风险和威胁，广西党委、政府联合提出《关于全面实施<广西北部湾经济区发展规划>的决定》，其中第二十四条明确要求必须“加强生态文明建设”。指出“生态环境是优势，生态环境也是竞争力，加快经济社会发展，必须处理好人与自然的关系，把保护生态环境放在第一位。广西北部湾经济区的开放开发，无论是设计，还是施工，都要注重生态环境建设”，同时还指出“综合治理邕江、钦江等江河流域、海洋环境和城市环境，建立健全生态补偿机制”。
目前北海市已经遭受轻度海水入侵。随着北海地下水持续超采以及全球气候变暖和海平面持续上升，海水入侵带来的危害将日益严重。海水入侵一旦漫延，将对地区社会经济、生态环境造成灾难性的危害。因此，着手对北海地下淡咸水进行监测，探讨海水入侵的机理及主导因素，提出相应的防范措施，为北海社会经济发展提供科学依据。
本课题研究本身属于《国家中长期科学和技术发展规划纲要 （2006-2020年）》中“水和矿产资源”的重点领域，符合“水资源优化配置与综合开发利用”优先主题，因涉及地下水超采引起的环境和生态问题，又属于“环境”重点领域范畴，与其优先主题“综合治污与废弃物循环利用”、“生态脆弱区域生态系统功能的恢复重建”关系密切，此外还属于“公共安全”重点领域中的“重大自然灾害监测与防御” 优先主题。项目研究符合国家科技发展规划的需求。

国内外同类研究发展现状及趋势：
1、国外技术研究进展
①地下水海水入侵研究
海水入侵理论方面，国际上的专门研究已有近百年的历史，经历了静力学研究、渗流动力学和渗流一弥散动力学等3个研究阶段。Bear的《多孔介质流体动力学》（1972）和《地下水水力学》（1979）两本著作，给出了咸淡水界面严格的数学描述，成为海水入侵的指导性文献。Custodio（1987）编写的《滨海地区地下水问题》对世界各国研究海水入侵起到了巨大的推动作用。自1968年在德国Hanover召开第一界海水入侵会议以来，迄今已是第18届（西班牙Cartagena，2004），近年来讨论的议题已从原先简单的咸淡水界面描述，发展到包括海水入侵的的基本理论、模型、水文地球化学和环境同位素、调查监测技术方法、防治和减缓对策、生态影响、全球气候和海面变化影响以及区域个例研究等各个层面。
监测技术方面，主要有地下水水位监测、水化学监测和物探监测等三大类。地下水水位监测指标，可以反映区域地下水水力坡度，从而显示地下水流场，成为判断海水入侵发展动态的重要依据。水化学监测主要是通过对地下水中的化学成分进行分析来达到鉴别海水入侵的目的。用于海水入侵监测的物探技术，其基本原理是咸、淡水两种不同介质对自然或人工电场具有不同的电导反映，因而对探测曲线的解释便可以用来确定咸淡水界面的位置，达到监测的目的。
②河口地表水海水入侵研究
海水入侵理论方面，集中于海水入侵基本特性，包括其成因、危害、影响因素等及相应改进措施的研究。典型的有： McManus通过对Tay河口多个站点的长期观测资料进行分析，研究了一个潮周期中盐水层的特性及其变化情况。Uncles和Stephens对Tweed河口不同强度潮汐动力、径流作用下的盐度资料进行了对比分析，研究了河口的动力变化及其对海水入侵的影响。Sorensen等对蓄水层和河口海水入侵的成因和危害作了分析，并详细介绍了使海水入侵降至最小的一系列办法和措施，等等上述研究大多借助于原型观测法分析得出结论，当资料欠缺时，数值模拟研究或与原型观测相结合的数值模拟研究便成为主要的研究手段。典型的有：Stephens等建立了一维数学模型对Ythan河口的水位、盐度和总氧氮（TON）进行了模拟，在采用一系列实测资料对模型进行验证后，对Ythan河口的盐水分布进行了模拟研究。Wolanski等采用模拟及资料分析方法对Fly河口的海水入侵作了研究，探讨了浅水效应、潮波、水面梯度等对海水入侵的影响。Vu ThanhCa结合河口各站点多年实测含盐度资料和数学模型研究了红河系统中入侵盐水的特性，其计算结果表明，枯季里主干河道海水入侵长度可达20km，部分支流中的入侵长度甚至更长；此外，还研究了盐度最大值的出现时间与冲淡水流量的内在关系。
海水入侵问题的研究方法上，主要表现为通过方法的改进来促进海水入侵问题本质的揭示。典型的有：Acerts等以孟加拉Gorai河口系统为例，对如何利用GIS工具和快速评定技术确定海水入侵的问题进行了研究。Cready和Geyer通过对等盐度面进行体积积分来计算河口盐通量，研究了盐度的变化过程。Rajkumar和Johnson则提出了一种起源法则（GA）用于对人工神经网络（ANN）进行优化，并用该方法对圣弗朗西斯科海湾河口的海水入侵进行了相关研究。
2、国内研究进展
国内对海水入侵作用的研究工作由于历史原因受到了延误，直到20世纪80年代初才进入海水入侵的兴旺时期，且主要的工作仍限于经济相对发达的长江口和珠江口的地表水海水入侵，对盐淡水混合过程的认识主要建立在国外研究的基础上。
长江河口海水入侵研究现状。胡松等利用所建立的理想河口数值模式，以长江河口为例，研究了径流量和海平面上升对河口环流和海水入侵的影响。唐承佳利用回归分析和资料统计的方法，研究了枯水年、平水年、丰水年以及不同的调水流量下，南水北调（东线）工程和皖苏沿江抽水对长江河口海水入侵的影响。程济生通过对上海海平面上升进行预测，分析了海平面上升对长江口海水入侵的影响、以及未来海水入侵对青草沙水源地的影响。王超俊根据三峡水库特征及调度运行方案，分析了三峡水库调度运行时水文情势的变化对长江口径流和咸潮入侵产生的影响。王国峰根据陈行水库取水口近年来积累的有关数据资料，分析了长江南支有关水域受北支海水入侵影响的原因及状况，并对海水入侵的强度和持续的时间作了预报。
珠江河口海水入侵研究现状。相对于长江河口而言，针对珠江河口海水入侵所进行的研究则少得多。应轶甫，陈世光利用珠江流域整治规划委员会1978年到1979年的现场实测资料，进行归纳整理，研究了珠江河口伶仃洋的咸淡水混合特征，并将实测资料详细划分为洪季和枯季，以混合指数、分层系数、分层环流图式和盐度的横向分布等来表征伶仃洋咸淡水的混合特征。廖喜庭从含氯度的时间分布、横向空间分布、纵向空间分布三个方面详细研究了珠江河口区的咸潮活动规律，并分析了珠江三角洲河口区大量堵河、联围筑闸等人类活动对咸潮的影响。珠江水利委员会科学研究所建立了珠江三角洲河网区和八大入海口门的二维潮流、泥沙和含盐度耦合联解整体数学模型，对三角洲的潮流、泥沙和含盐度进行了研究。此外，珠江水利委员会针对2004年冬至2005年春珠江三角洲流域出现的严重咸潮入侵，采取了调水压咸措施，通过研究近年来枯水期各月咸潮活动与上游来水的关系、以及咸潮活动对径流变化的响应规律，对咸潮的最大可能影响范围和可能发生强咸潮袭击的时段进行了判断和预测。
其它河口海水入侵研究现状。李泽刚根据大量的实测资料，较详细地分析了黄河口附近海区温度、盐度、密度的时空分布变化规律，探讨了该海区的水流动力结构。陈鸿汉以潍河下游的莱洲湾南岸地区为研究区，通过对海咸水入侵规律进行模拟，指出海咸水入侵的根本原因是过量开采地下淡水资源，要防止海咸水入侵，必须科学开采地下淡水资源。倪勇强等采用计及斜压梯度影响的平面二维盐度方程，对钱塘江河口口门段及杭州湾的盐度分布进行了数值模拟，分析了杭州湾的盐度场分布特征。俞鸣同对闽江河口冬季海水入侵进行了研究，指出了海水入侵对河口区饮用水、河口动力结构、河口沉积等造成的明显影响。
然而，就我国目前海水入侵防治技术研究来说，防治技术以单一论居多，各有其适用范围，没有形成一个综合的技术体系，且很少顾及生态和环境现状，没有利用生态系统恢复的理论，形成组合嫁接式的技术方案集，生态防治技术体系尚未形成。

项目研究的主要内容及总体目标：
通过对研究区海水入侵的条件和现状的调查，建立相应监测体系，对海水入侵进行动态监测，依据该区域社会经济中远期总体发展规模及需求，借助物理模型和多种数学模型系统研究该区域海水入侵过程中的咸淡水界面的运移规律及发展态势，试图建立用水量、潮汐变化等因素与海水入侵的相关关系；此外，结合数学模型，探讨通过抽水帷幕等工程措施对海水入侵进行控制与调节的途径，提出切合该区域水资源可持续发展的控制海水入侵的方法。

项目的技术关键及创新点：
1、技术关键
①建立监测网络，定期监测滨海和海岛地区地下水位、水质、潮位、盐度的动态发展变化情况。
②建立海水入侵水动力数学模型。
③提出防治海水入侵的水资源工程措施，因地制宜地制定海水入侵综合防治措施体系的建设方案。
2、创新点
建立海水入侵水动力数学模型。

项目技术方案和实施计划：

1、 技术方案：

研究方案的制定
区域水资源量开发利用调查
地下水运移监测网络布置
潮汐变化、入海口径流变化对海水入侵的影响分析
地下水数据采集、辨识、筛选、归类入库
研究区域二维水动力及潮位数学模型建立
海水入侵咸淡水界面的运移变化规律研究
潮汐变化、用水量变化与海水入侵相关关系
典型措施及防治对策研究
项目研究与开发技术路线图
地下水动态监测网络建立

2、实施计划：
①2011年1月～2011年6月：现状分析
收集相关的历史资料和文献，实地调研研究区自然环境海水入侵的条件和现状以及水资源开发利用现状。
②2011年7月～2012年6月：建立监测站点网络
定期收集监测剖面的水位、流量、潮位、风向、水质及物探数据，以判断过渡带的范围、运移和发展趋势，降落漏斗的形成、发展，盐水浓度等值线的变化趋势。
③2012年7月～2012年12月：建立二维水动力及潮位数学模型
首先确定模型范围，用大、中、小潮时间序列的潮型作为验证模型的边界，调整底部糙率值使模拟水位和流速与实测的保持一致。在率定良好的水动力模型基础上，设置海水入侵模型的具体参数，进行模型搭建及验证率定。
④2013年01月～2013年07月：海水入侵咸淡水界面的运移变化规律研究
考虑不同时期（洪、枯季）径流量、海平面上升、台风对北海市海水入侵影响，潮汐变化、用水量变化与海水入侵相关关系。
⑤2013年08月～2013年12月：提出防治对策
根据研究区海水入侵的动态监测以及相关关系分析，结合地区经济发展和水资源利用状况，探讨通过抽水帷幕等工程措施对海水入侵进行控制与调节的途径，提出切合该区域水资源可持续发展的控制海水入侵的方法。

项目规模和预期达到的技术、经济指标：
1、技术指标
（1）建立北海海水入侵的监测站点
结合区域现有的水文气象、海洋潮位监测资源，根据海水入侵的具体情况和模型搭建的要求，新增若干监测站点，形成海水入侵的动态监测指标体系。
（2）建立海水入侵水动力数学模型
利用非结构网格网格剖分技术，综合考虑波浪、风力、潮流、径流等因素的作用，建立海水入侵二维水流、盐度模型，解决模型连接处水力因素的衔接问题，进行一、二维模型的联合求解。通过建立南流江流域一、二维水流、盐度联合模型，利用实测资料对模型进行率定和验证。

2、经济指标
通过项目实施，结合室内试验和野外试验，通过对地下水与盐水交汇机理、运移规律的分析，在消化吸收国外海水入侵修复技术的基础上，开发符合研究区域的具有自主知识产权的海水入侵修复技术，通过对北海海水入侵修复示范工程，力图达到较好的经济和社会效益，大幅提高区域社会经济和人民财产抵御海水入侵风险的能力。

费用组成

序号
支出项目
预算金额（万元）
备注
1
专家咨询费
0

2
劳务费
13
聘用人员劳务费
3
材料购置费
35
遥感资料购置及解读费
4
燃料动力费
15

5
购置设备费
130
含沙量及粒度仪、潮位仪、波浪仪、沉积物取样器等
6
设备维修、租赁费
30
非本项目购置仪器维修，监测船、现场设施等的租赁
7
测试、化验、加工费
130
水下岸坡、滩面变化、护岸工程、潮沙、风浪等的监测费用
8
办公费
10

9
邮电、通信费
5

10
差旅费
25

11
会议费
8
项目验收会议费
12
资料、出版、印刷费
5

13
外部协作费
40
地方协作费用
14
管理费
10

15
其他费用
0

合 计
456

完成项目所需条件：
本课题的开展尚需一定的启动资金，用于现场调研以有效获取地形及水文等基础资料，同时在模型开发上也需要一定的资金资助。此外，由于该课题定位于向政府及其相关部门提供科学参考，其建立的前提基础是收集必要的水文资料、气象资料、地形（包括入口河底、近海地形等）及水库闸坝调度等资料，因此，在资料收集阶段，可能需要相关部门协助提供或协调协商购置。

现在具备的条件和工作基础：
广西水利科学研究院近15年来，一直致力于全区水利防灾减灾工作的研究，截止2009年底已经完成了一些与本项目相关的前期研究成果，其中包括《广西水利科技发展战略研究》、《北海市涠洲岛水资源开发利用及保护措施研究》等课题，这些前期工作为本项目的顺利开展和技术指标的达成奠定了良好的基础。
山东省水科院在水资源与水环境专业领域拥有一批高水平的专家和技术人才队伍，多人获政府特贴和山东省拔尖人才称号，形成了学科专业互补、老中青结合的梯级研发团队，创新攻关能力强。拥有“山东省水资源与水环境重点实验室”、“水利部山东省灌溉试验中心站”和“山东省现代农业节水工程技术研究中心”等科研平台，可以据此开展应用技术研究工作。实验室和野外基地配有AUSLOG自动测井系统、土壤水分计、原子吸收光度计等先进仪器和设备，购置了FeFlow、ModFlow、MikeSHE等一批国际先进的水资源应用软件。
DHI水和环境咨询公司是一个独立自主的国际性科研及咨询机构，经丹麦科学技术及革新部审查批准为国家级技术研究中心，在生态与环境科学，水资源，水利工程，水动力学及其他相关领域的水与环境方面具体国际先进的技术研究水平。 丹华水利环境技术(上海)有限公司是具有独立法人的、DHI在华全资的公司，目前在国内已完成了50多个洪水、水质和港口整治方面的咨询项目，大部分项目是由世界银行、亚洲开发银行资助或者与国内当地水务部门合作的。在河口海岸环境评估和洪水预警方面所作的主要项目包括世行委托的《长江口海水入侵和水源地开发研究》以及广东/珠江三角洲城市环境项目《珠江水质模拟和策略分析》等，在海水入侵及河口水动力数值模型研究方面积累了一定的经验技术。

成果提供形式及预期技术水平：
（1）研究（成果）报告及论文专著
①北海市海水入侵机理与防治对策研究总报告；
②发表期刊2～3篇。
（2）建设示范点1处：北海海水入侵生态防治技术示范区；
（3）相关技术达到区内领先水平

承担单位意见（盖章）

推荐单位（地市水电局或主管局）意见（盖章）

自治区水利厅意见（盖章）