1.1　研究进展

1.1.1　海水入侵

沿海地区含水层是海洋与水文生态系统联系的纽带。海岸带不但蕴藏着丰富的自然资源（其中绝大多数具有成本低、污染少及可更新的特点），而且生态系统中包含着较高的生物多样性，对人类社会的持续发展具有重大的意义。然而，随着人口的急剧增加，对海岸带的生态系统和有限的资源产生了巨大的压力，由于没有合理的管理体制，各种资源也因过度利用而严重退化。特别令人关注的是由于不合理开采地下水引起的海水入侵问题，成为沿海地区最为普遍的环境地质问题。在经济发展的约束条件下，协调地下水开采与海水入侵的关系一直是研究的热点问题。沿海地区由于持续过量开采地下水，造成地下水位大幅度下降，海水与淡水之间的动态平衡被破坏，导致海水入侵，该过程的实质是渗流与弥散之间平衡的破坏和重建。在全球很多沿海地区出现由于地下水过量开采造成的海水入侵问题。例如，美国北大西洋沿岸的佛罗里达和太平洋沿岸的加利福尼亚海岸带均受到不同程度的海水入侵的影响。在阿曼北部的巴提奈区沿海平原，当地农业灌溉水源为地下水，持续从海岸带含水层中抽取大量的地下水，并且没有及时进行补给导致海水入侵，使得靠近海岸带的农场由于水质盐度增高而不得不关闭。我国渤海、黄海沿岸不少地带，不同程度地出现了海水入侵的现象，其中以山东省最为突出，河北、辽宁、江苏等省和天津、上海等市也均有发生，严重制约着沿海开放地区的经济发展。

一方面，海水入侵动态监测是认识和评价海水入侵现状的重要基础，包括化学指标（如单指标、多指标等）、物探监测指标以及同位素指标等，通过多种方法相互验证海水入侵范围和变化特征。对于海水入侵的评判方法，国际和国内常以Cl-浓度达到某一临界值作为判别标准，然而各国采用的Cl-浓度标准值有所差异，基本在200～350mg/L。目前国内常采用的Cl-含量标准分别为200mg/L、250mg/L、300mg/L。另一方面，从水力学上研究海水入侵防治对策是研究热点，即通过海水和淡水之间的关系和运动特征进行研究，其中包括解析法和数值模拟两种方法。解析法包括全积分的海水-淡水稳定流模型以及利用Dupuit和Ghyben-Herzberg假定的非稳定流模型，其中均假定海水与淡水界面为突变界面。数值模拟方法主要包括有限元和有限差分等方法。数值模拟技术不仅要求大型方程组求解算法可靠稳定，还需要在模拟时考虑变密度流、水岩反应（离子交换、吸附与解析作用等）、滨海区海边界等问题，利用多种海水入侵动态监测结果来验证模型的可靠性。

1.1.2　地面沉降

地面沉降又称为地面下沉或塌陷，是指在一定的地表面积内所发生的地面水平降低的现象。可压缩土层的存在是导致地面沉降的内因，而大量开采甚至超采地下水是地面沉降产生的外因。过量抽取地下流体，导致松散堆积层产生压缩，从而形成地面沉降。据长期监测和研究表明，沿海地区地面沉降主要由于不合理开采地下水所致，而地壳活动、地表动静荷载、工程建设、自然作用等其他因素造成的地面沉降只占总沉降量的5%～20%。地面沉降也普遍存在于全球沿海地区，特别是发达地区。在美国，有45个州（土地面积超过1700km2，几乎是新罕布什尔州和佛蒙特州面积之和）直接受到地面沉降的影响。其中，超过80%的地面沉降是由于过量抽取地下水造成的。在我国，至今已经有96个城市和地区发生了不同程度的地面沉降，而其中约80%分布在沿海地区。地面沉降可产生一系列严重的后果，如滨海或滨江地区易受海水的侵袭，城市公共设施、交通运输和水利设施受到损害，地面和地下建筑遭受巨大的破坏等。

研究热点包括地面沉降的机理以及地下水和地面沉降变形的耦合模型。地下水和地面沉降变形耦合模型可分为确定性机理模型和随机统计模型两类。随机统计模型主要是分析影响地面沉降的主要因素与沉降变形之间的周期性、趋势性和随机性的特征，进而预测沉降变化，主要包括回归模型、时间序列模型和灰色模型等。确定性机理模型则较为复杂，包括地下水的渗流模型（二维、准三维和三维流）和土体变形模型（线弹性模型、非线性线弹性模型和流变模型）以及两者模型的耦合。从耦合方式上说，确定性机理模型可分为分步计算、部分耦合和完全耦合模型。分步计算模型即由地下水模型计算出水位，再将其作为边界条件带入到土体变形模型中进行变形量的计算，如天津市塘沽地区耦合IDP（Interbed Draiage Package）的地面沉降模型；部分耦合模型是在地下水流和土体变形模型的基础上考虑当相邻含水层水位下降时，弱透水层中地下水的渗流和变形情况，主要是渗透系数与孔隙率会发生变化。薛禹群等（2008）认为，在沉降过程中，含水介质表现出不同的应力和应变关系，除了随水头变化产生瞬时的弹性或塑性变形外，土体还存在滞后的变形，即蠕变，应该用不同的（弹性、弹塑性、黏弹性、黏弹塑性）应力-应变关系描述土层的弹性、塑性变形和蠕变，并根据室内试验结果，建议采用修正的Merchant模型来表示黏弹塑性应力-应变关系。完全耦合模型是基于Biot固结理论，考虑土体的变形和地下水流运动，如1978年R.W.Lewis等在假设土体的应力-应变关系满足广义虎克定律的基础上提出了完全耦合模型，并将其运用于威尼斯的地面沉降计算中，结果表明水头下降和地面沉降比两步计算较易趋于稳定。

1.1.3　地下水污染

在大多数情况下，由于海岸带地区城市化、工业化加快，产生大量的污染物没有经过有效的处理直接排放，造成海岸带周围水体的污染。根据美国地质调查局的报告显示，在美国圣路易斯的奥比斯波县的南部和圣巴巴拉县的北部（加利福尼亚沿岸），研究者发现当地井中的硝酸盐、微量元素如砷和钼的浓度已超过美国国家环境保护局（EPA）的标准。在印度的古吉拉特邦海岸带，工业区周围的水体中发现高浓度的铅、镍、硝酸根和硫酸根。过量抽取地下水导致海水入侵及不合理的灌溉措施也会造成地下水水质恶化。在孟加拉国、弗罗里达海岸带东南部地区和印度的科钦海岸带均发现，井水中具有较高浓度的钠和氯化物（＞200mg/L），表明该地区受到海水入侵的影响。在中国的福建省，由于化肥、农药及灌溉措施的不合理，造成地下水中的“三氮”污染严重。在巴基斯坦东南部的信德省，由于灌溉、污水处理、卫生等方面存在较大的问题，地下水中存在高浓度的有机物并且镍和铅也严重超标。

1.1.4　海底地下水排放

地下淡水排入海水的水量可能不及地表河水入海量的10%，然而海岸带地下水中溶解物质的量往往高于地表河水，是沿海地区区域物质循环和水体生态环境研究中不容忽视的组成部分。由于沿海地区的工农业高度发达和人口密度大，沿海地区地下水中的氮和磷等营养物质比地表水中的浓度高很多，成为海水体营养物质的重要来源。沿海地区海底地下水排放（Submarine Groundwater Discharge，SGD）在北美和欧洲等发达地区受到了越来越多的重视，被认为是一个重要的海岸带陆海相互作用过程，同时地下水向海排放量是影响河入海口地区湿地生态的重要因素。SGD研究旨在利用水文地球化学、地下水动力学等多种技术手段分析地下水排放量的时空动态变化过程以及污染质的变化规律，然而目前尽管已有相当多的对SGD的研究案例，但其空间分布却十分有限，基本上集中在发达地区，如美国东海岸、地中海沿岸、波罗的海沿岸及日本和澳大利亚的个别沿海地点，而在其他地区则基本上是空白。沿海地下水污染也必定会通过SGD对海水及沉积物的环境产生影响，但这方面的工作目前还鲜有报道。

1.1.5　围海造地工程及其影响

世界上绝大多数的大城市均位于沿海地区，目前海岸带城市人口数目为20亿人，预计在未来的20～30年人口数目几乎翻一番。因此，为了满足日益增长的农业、工业和居住等用地需求，许多沿海国家，包括美国、荷兰、日本等发达国家以及中国、墨西哥等发展中国家陆续开展了填海造地的有关活动。据国家海洋局统计，2010年中国填海造地面积达13598.74hm2，其中建设填海造地13454.91hm2。然而，围海造地人为改变了海岸线的位置，而这些海岸线是海洋与陆地在千百万年相互作用下形成的一种理想的平衡状态，一旦这种平衡破坏将会产生严重的后果。因此围海造地在增加土地供给、缓解沿海用地紧张局面等正面效益的同时，也造成了如海湾面积锐减、生态功能退化和破坏海岸自然景观等众多负面影响。在荷兰，围海造地使大面积的滩涂和沼泽在堤后被抽干，导致附近地区的地下水位明显下降，继而造成河道泥沙淤塞和引用水缺乏等问题。日本围海造地在得到大量新土地、经济获得发展的同时，从1945—1978年，日本全国沿海滩涂减少约3.9万hm2，后来每年仍以约2000hm2的速度消失，也面临着大量的海洋环境污染问题。在中国，从1949年起围海造地工程已造成国内损失近69%的红树林，到2012年仅存151km2，80%左右的珊瑚礁也遭到了破坏。此外，Mahmood和Twigg发现填海与地下水抬升之间有一定的关系，他们认为填海区水位的上升会导致土地承载力的下降从而使填海区建筑物出现沉降的现象。

1.1.6　全球变化对地下水系统影响

根据国际政府间气候变化专门委员会（IPCC）对20世纪的回顾，在过去100年间，全球海平面上升了10～20cm。如果温室气体继续按照目前速率排放，该委员会海岸管理小组CZMS提出海平面上升量最佳估计值为：2030年为18cm、2070年为44cm、2100年为66cm。Ericson等对全球40个三角洲进行了当代相对海平面上升评估，估计海平面上升的范围从0.5～12.5mm/a。国家海洋局发布的《2014年中国海平面公报》（简称《公报》）显示，我国沿海海平面变化总体呈波动上升的趋势，1980—2014年，海平面上升速率为3.0mm/a，高于全球平均水平。《公报》预测未来30年，渤海沿海海平面将上升65～155mm；黄海沿海海平面将上升75～165mm；东海沿海海平面将上升70～160mm；南海沿海海平面将上升75～165mm。由于全球变化及人为原因海平面上升将会导致一些低洼的海岸带被淹没。据估计到2050年，孟加拉将有22000km2（16%）的滨海陆地被淹没，在恒河三角洲地带将近50个沿海城镇受到威胁。在美国，最容易受到海平面上升威胁的地区是大西洋中部和南部的各个州（地势低洼、经济水平发达以及相对较高的风暴频率）以及沿墨西哥海岸带（地势低洼并且地面沉降较为严重）。新英格兰的部分地区也处在危险当中，尤其是英格兰南部的海岸带。西海岸带除旧金山湾和普吉特湾之外一般风险较低。此外含水层的水力梯度越低，越容易受到海平面上升的影响，这些地区在海水入侵之前已经受到海水浸没的影响。