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1、澳大利亚的海水入侵及其管理 澳 Adrian D. Werner段 琦 译； 冯翠娥、田 芳 校译在澳大利亚沿海一带，降雨量持续低于平均值以及人口密度不断增长，给沿海的水资源带来了较大的压力，并且增加了海水入侵的风险。尽管有大部分州的海水入侵报告和一些澳大利亚沿海含水层严重枯竭的证据，但还只有在昆士兰州以及西澳大利亚州和南澳大利亚州的小部分地区完成了全面的海水入侵调查。对昆士兰州的先锋谷和伯内特盆地的地下水进行了最为详细的研究，建立了区域尺度上的概念模型和数值模型，并利用模型为触发等级的管理方法打下基础，防止海水进一步的入侵。过去应对海水入侵的方法包括建立人工补给方案，最著名的是昆士兰州的伯德
2、金含水层。建议今后应该增强切合目的的海水入侵监测，继续对调查方法进行研究，通过培训活动增加知识的共享，并且对海水入侵的评估和管理建立国家准则。一、概 述澳大利亚沿海一带人口密度不断增长，降雨量持续低于平均值，在这种背景下，沿海地下水资源日益成为可用淡水的一个重要组成部分。对沿海地下水的依赖不断增加，导致出现了过度开采的迹象，即含水层严重枯竭和海水入侵（即地下咸水向内陆入侵）。海水入侵对淡水供给造成的威胁已经引起了澳大利亚一些地区的地下水管理部门的注意，在20世纪60年代和70年代时进行了广泛的调查并建立了监测网（Ball等，2001）。澳大利亚需要对沿海含水层进行管理，不仅是因为对淡水资源和地
3、下水依存的生态系统存在威胁，还因为对气候改变的影响（Voice等，2006），气候的改变可能会造成地下水补给的变化和海水水位的上升。虽然本文的重点是澳大利亚的海水入侵，但是值得注意的是澳大利亚沿海含水层也很容易受到由城市、工业和农业活动带来的污染的影响（Jacobson和Lau，1994）。此外，澳大利亚沿海生态系统很脆弱，容易受到地下水过度利用和污染带来的不利影响的侵害，并且对水文方面的改变做出的具体生态反应还不是很了解（例如，Lee等，2006）。本文的主要目的是在澳大利亚目前的沿海含水层条件背景下，批判地评价对海水入侵的同期调查和管理方法，提出了缓解和管理海水入侵的实际应用，这是对目前澳
4、大利亚沿海含水层管理的科学质疑。 二、澳大利亚沿海含水层的评价实例澳大利亚的国家水资源议程主要关注的是墨累达令河系统，它与澳大利亚约40%的食物供给相关。但是，人口大量集中在沿海一带，沿海含水层在满足当地城市、农业和工业用水方面发挥了重要的作用。沿海地下水的利用很广泛，然而大部分的开采来自多半未被监测的家用钻井，澳大利亚沿海地下水的开采总量现在仍是未知数。直到现在，还没有关于总结澳大利亚沿海含水层状况的研究，尽管有很多关于国家边界潜在和活动的海水入侵问题的报告（图1）。Voice等人（2006）认为在澳大利亚沿海地区对气候改变影响的敏感性差距分析中不断增加的海水入侵是一个很大的威胁，但他们没有
5、指出有可能受影响的地区。Nation等人（2008）完成了基于地理信息系统（GIS）对灌区沿海地下水的一级评估，并指出了海水入侵最危险的地区（重点研究海平面上升的潜在影响）。结论是昆士兰州普遍存在灌区海水入侵问题，在维多利亚州、南澳大利亚州和西澳大利亚州的一小部分范围内也受其影响。他们利用以前有关澳大利亚沿海含水层的研究目录，评估了受威胁的地区（根据GIS分析确定的）是否是以前调查的地区（图1）。大致上，基于GIS的研究结果基本上与海水入侵以前的研究一致（例如，在灌区下的很多高危沿海含水层中已经进行了调查），但是在塔斯马尼亚州、维多利亚州和南澳大利亚州的海水入侵似乎没有进行大量的调查，一些沿海
6、系统值得进一步的评估。图1 以前澳大利亚对海水入侵研究的区域分布目前澳大利亚很多沿海含水层的条件正都需要查明，因为只对昆士兰州以及西澳大利亚州和南澳大利亚州一小部分的沿海系统进行过全面的调查。在新南威尔士、塔斯马尼亚和北部地区几乎好像没有进行海水入侵的研究。评估程度似乎与被发觉的地下水资源的经济价值有关联。昆士兰州单一种植甘蔗的地区地下水价值高（例如先锋谷、伯内特和下伯德金盆地），其地下水被作为监测和全面调查的研究对象，为管理决策打基础（例如Werner和Gallagher，2006；Liu等，2006；Narayan等，2007）。除农业水资源外，用于城市水供给的高价值含水层也在受到海水入侵
7、的威胁，为了对其中一些进行描述已经做了很多的工作，包括像在南艾尔半岛（南澳大利亚）和达尔文市周边地区（北部地区）正在对盆地进行航空电磁勘探。相对于高价值的沿海含水层的调查，大量中低经济价值的沿海含水层很少被注意。由于目前缺少监测数据，对这些地区进行州范围内的海水入侵存在威胁的一级评估甚至都很难完成，但是很明显的是很多地区已经受到过度开采的影响，是因为在大多数情况下城区家庭利用地下水是不被限制的。Martin（1997）描述了这样一个系统：勒菲弗半岛（南澳大利亚）含水层至少供给2500个家用钻孔。Martin（1997）得出结论：勒菲弗半岛的含水层由于海水入侵，质量不断恶化，为了保护资源采取了措
8、施，包括人工回灌。执行了大约12年，勒菲弗半岛的地下水位仍不断下降，有些地方已经在平均海平面20m以下，这是因为地下水大量开采（例如大部分不计表的城市“后院”钻孔）明显超过回灌量。澳大利亚需要重新考虑对国家周边沿海含水层管理采用的方法，特别是对不易收到经济效益的系统的保护，毕竟它们是供水体制的重要组成部分。为了给水资源管理者、水利用机构和成千上万的城市地下水用户一个认识上的改进海水入侵可能会造成地下水质量的恶化，这需要对澳大利亚沿海含水层进行进一步的监测和调查。利用类型学方法对沿海含水层进行描述（关注海水入侵的威胁），即利用从澳大利亚海水入侵的大型研究中获得的经验，也需要给出盆地内部的比对；这
9、与Taniguchi等人的建议相同（2002），对海底地下水排放进行全范围的评估。需认识到，澳大利亚海岸线沿岸的大部分地区，从昆士兰州北部受季风影响的沿海冲积含水层到南、西澳大利亚的诺拉波平原的灰岩含水层，气候和地质条件变化极大。三、澳大利亚海水入侵调查的科学挑战国际上，在海水入侵调查方面还存在一些基础知识的空白，包括随土地和水资源管理的变化对海水入侵变化的预测存在困难，特别是在流域范围内。随着抽水方式的改变对海水入侵进行准确预测是非常可取的，特别是对具有水交易制度的系统（例如先锋谷），可以用来评价水交易决策的影响。海水入侵建模代码的最新进展有利于这一领域的发展，但对区域规模的海水入侵模型的预
10、测能力仍然存在很大的不确定性，并且在更复杂的系统中相关数据的要求非常大。建模的不确定性大量产生，是由于小规模过程（例如潮汐流体力学，地球化学反应，空间非均质性）在沿海含水层中作用的重要性尚未得到适当的评估。甚至是完成沿海含水层的水平衡的基本需要，也是一个具有挑战性的工作，因为很难确定海底地下水排放和定性潮汐海洋与地下水的相互作用。海水入侵的调查是一个问题和资源密集的事情，目前澳大利亚沿海含水层管理的科学挑战是系统本身的复杂和多样性。监测和调查通常需要说明每个沿海含水层固有的独特性，这带动了流域特殊方法的发展，包括新的表征方法的设计和实行。考虑到澳大利亚是一个相对缺水和人口稀少的大陆，并具有辽阔
11、和地质多样的海岸线，描述和管理澳大利亚的沿海含水层是一个重大的科学和经济的挑战。国家战略应把重点放在积累关于沿海含水层调查的知识方面，因此未来的研究依靠科学的进步和对以前项目的理解，使科学的最佳实践得到进步，规模经济得到发展。澳大利亚盐渍化问题广泛存在，对国家的农业生产力构成严重威胁，有很多沿海含水层存在由多于一个盐的来源造成的盐渍化问题（例如灌溉的盐渍化、自然发生盐化地下水的活动化作用等）。在这些情况下，需要区分生产井内盐度的各种来源，以便可以说明盐渍化来源（例如Werner和Gallagher，2006）。甚至在生产井中遇到海洋起源的地下咸水，不管发生外侧海水入侵还是咸水倒锥的问题将会对补
12、救和缓解措施造成影响，而且在区分这些盐分运移现象方面，对水资源管理者没有指导。在澳大利亚的一些系统中，地下水盐化来源的问题包括残余的海水和高浓度盐水，在昆士兰州下伯德金含水层就遇到过这些问题（Fass等，2007）。盐分运移过程还依赖地质构造和沉积物的非均匀性，并且主要存在于岩溶和裂隙岩体的含水层中这两点在澳大利亚沿海线都很普遍。研究制定方法，把这些因素和海水入侵的理论和数值模型结合起来，以提高区域范围内的可预测性，这些类型的含水层非常需要地下水的管理模型。澳大利亚沿海含水层的水资源管理者所面临的挑战，带来了一些有价值的科学投稿。著名的例子包括沿海环境中地球物理和环境示踪剂方法的运用（例如St
13、ieglitz等，2008）、就含盐含水层中含水层储存和回采技术（ASR）的研究（Ward等，2008）和大量关于海洋含水层和河口含水层之间关系的动力学研究（Robinson和Prommer，2007；Werner和Lockington，2006；Cartwright等，2004）。四、澳大利亚海水入侵的管理回应海水入侵的管理回应包括操作控制（例如开采和建井的限制）和工程设计（例如人工回灌方案），这两点都被运用到澳大利亚对沿海地下水资源的水质恶化的反应中。不幸的是，对澳大利亚海水入侵问题的操作控制反应没有得到很好的记录，在公开文献中只有少数的案例。Nation等人（2008）简短概述了目前澳大
14、利亚应对海水入侵问题的管理方法。他们提出“触发级管理”的操作控制方法，通过实施开采限制改进地下水的开采，开采限制由常规测定的环境参数如地下水位或盐度来确定。在先锋谷应用了触发级管理。Werner和Gallagher（2006）指出对先锋谷的触发级的说明需要评估超出正常潮水的高度（例如水头（高于平均海平面）代表海洋对地下水系统的潮水压力）来确定沿海附近地下水水力梯度的正确估计。他们指出由于先锋谷地区特有的6m潮差和海滩浅坡，其含水层中潮水明显高于正常水平（可能高达2m）。一个关于如何更精确的计算先锋谷潮水超出正常高度的项目正在进行中。在澳大利亚，水交易代表另一种海水入侵管理的操作控制方法。地下水
15、交易已经几乎在所有的州都建立，交易限制为减轻对供水可持续性的威胁提供了鼓励。例如，在目前先锋谷的资源利用计划中，由昆士兰州政府制定的地下水交易规定，促进减少了已知受到海水入侵威胁的地区的地下水开采。目前只是设置大多数地下水交易方案，还没有任何证据表明水交易已经缓解澳大利亚海水入侵的问题。 有一些澳大利亚通过工程设计的开发管理和补救海水入侵的实例。主要涉及的是人工回灌方案（包括ASR），其中大部分利用的是循环水。下伯德金（昆士兰州）的人工回灌方案涉及约40年的调查和开发，包括OShea的开创性研究（1967）。其他包括Blair和Turner的研究（2004），他们开发了珀斯（西澳大利亚）沿海含
16、水层的海水入侵三维模型，用来探究如何运用循环水减少海水入侵对灌溉和家用钻井的影响。对昆士兰州的先锋谷和布莱比岛含水层建立了其他沿海含水层人工回灌方案。许多证据表明，下伯德金的人工回灌已经成功减少了某些地区海水入侵的影响，但在这种技术适合广泛使用之前，还需要更为严格的定量研究。五、未来规划在今后几十年中澳大利亚可能需要在沿海含水层管理中进行模式转变，为了在气候变化，海平面上升，人口增长，依赖海水淡化的供水和日益恶化的能源危机相结合的条件下保护这些资源。目前为了优化管理策略，对澳大利亚沿海含水层特性的理解在很大程度上是不足的，因此管理办法需要便于持续更好地理解含水层的特性。需要进行长期监测，可以定期解释趋势水位、盐度和化学性质，并留有监测适应过程，了解研究进展和新挑战的出现。必须承认，对澳大利亚广阔的海岸线进行有效的沿海含水层监测将是富有挑战性的；但是只能依靠切合目的基础设施监测和测量记录来保证地下水资源的可持续性。有证据表明，一些澳大利亚含水层严重枯
