综述：岩溶含水层中的海水入侵：因素、方法和缓解措施的关键综述

《Earth-Science Reviews》：Seawater intrusion in karst aquifers: A critical review of factors, methods, and mitigation actions

　　

迄今为止，岩溶含水层中的海水入侵（SWI）常常通过多孔介质简化来解释，岩溶类型被视为次要的注意事项，而非主导的结构控制，这使调查设计和模型推断产生偏差。本综述突出岩溶架构，将SWI驱动因素分为：(i) 设定水头平衡和密度分层的主要控制因素，以及(ii) 在空间和时间上调节响应的协同驱动因素。综合证据表明，岩溶化程度和空间组织决定性控制入侵路径、基质–管道交换和混合动力学，确立岩溶发育作为SWI机制的主要控制因素。方法分为调查和预测领域。调查方法将水文地球化学和同位素示踪剂与水文地球物理成像相结合，以约束入侵几何形状和深度依赖性；持续的挑战包括区分古入侵与现代入侵以及解析深度分层过程，但多方法集成可以显著减少歧义。预测工具主要包括脆弱性评估和变密度数值模拟，但受到弱类型意识可转移性、不充分的不确定性量化以及有限异构数据整合的限制，这促使数据模型融合，以将实践从诊断转移到预期管理。管理是分阶段的：在初期入侵下，通过管理含水层补给和优化抽取优先维持水头；随着盐渍化进展，部署水力屏障，在垂直控制可行的情况下部署Fresh-Keeper配置，同时认识到在管道主导系统中效果降低。当根据当地地层学和潮汐强迫设计时，地下截断墙/坝仍可阻止楔形迁移。总体而言，本综述提供了从区域筛选到特定地点干预设计的决策就绪指南。

论文主体部分总结如下：

1. 引言

海水入侵（SWI）是沿海含水层淡水质量和长期可持续性面临的持久且技术性挑战，威胁全球100多个国家和地区。岩溶覆盖大陆面积15.2%，支撑全球16.5%的人口。沿海岩溶含水层因具备管道和溶洞网络而呈现高度脆弱性，与多孔介质不同，其SWI动态难以用简单物理定律描述。本研究目标包括：定义沿海岩溶SWI问题、建立层次控制框架、评估调查方法，以及按岩溶系统属性分类缓解策略。

2. 发生和机制多样性

全球冰封海岸线约1.11百万公里，其中约14%为岩溶化。沿海岩溶含水层在地中海带（南欧至北非和中东）最为密集。岩溶演变受气候、构造和地貌控制，形成从弱岩溶化到强岩溶化再到管道主导系统的连续谱系。SWI在岩溶中表现为非均匀的动态混合带，管道可加速内陆渗透并增强基质盐渍化，解释公里级入侵。

3. 因素

3.1 岩溶含水层多样性

岩溶孔隙分为基质（¹）、裂隙（²）和管道（³）三类，形成双重流动系统。量化岩溶化程度的方法包括水文图分析和地貌演化阶段。弱岩溶化（merokarst）含水层以裂隙和微裂缝为主，导水率由网络控制，SWI响应迟缓。强岩溶化含水层以高渗透性裂隙网络为主导，产生快速水头波动，SWI受裂隙几何和位置控制。管道系统含水层中，管道通过达西-魏斯巴赫或曼宁方程描述湍流，管道与基质交换显著增强SWI范围，地中海“插塞”与“非插塞”系统区分SWI自然模式。

3.2 自然-人类驱动

3.2.1 气候变化：岩溶含水层对干旱和极端降水敏感，减少补给导致水头下降，SWI向内陆推进（达2.5 km）并减少泉水流量30%~70%。盐渍化在深层含水层更显著，干旱事件可能引发系统临界点转变。

3.2.2 海平面上升（SLR）：SLR通过抬高边界水头和管道连通性驱动SWI，在管道发育的岩溶中可造成公里级盐水入侵。地形和地层约束调节SLR效应：低起伏、无隔水层系统（如尤卡坦）比多层系统（如佛罗里达）更易受SWI影响。风暴潮和潮汐迫使产生短期头振荡和盐度脉冲，削弱自然冲洗能力。

3.2.3 人类活动：高强度抽水是SWI的主要加速因素，尤其在地下水超采地区。抽水井距海岸线距离、井深和与管道的接近程度显著影响入侵范围。土地利用变化（城市化、农业）降低补给效率并增加污染物负荷，加剧盐渍化。人为强迫常在管理时间尺度上产生比气候变化或SLR更快、更大的盐渍化响应。

4. 方法

4.1 水文地球化学方法

利用主要离子（Cl^-、Na⁺、SO₄^2-等）及诊断比例（Cl/Br、Na/Cl等）识别SWI混合与源分配。同位素示踪剂（¹⁴C、³H、⁸⁵Kr、⁸¹Kr、Ra同位素）提供滞留时间和来源信息，但岩溶中碳酸盐溶解效应导致¹⁴C解释非唯一。多示踪剂集成与水文动态监测是可靠表征的关键。

4.2 水文地球物理调查

电阻率法（ERT）和时间域电磁法（TDEM）用于盐度界面成像，电磁法（EM）具有深度优势，ERT提供高分辨率近岸图像。多方法联合反演（如EM+ERT+地震）可减少非唯一性，尤其在管道和多含水层系统中。但深层碳酸盐岩解释受结构不确定性限制。

4.3 地下水脆弱性评估（GVA）

方法包括覆盖索引（DRASTIC、EPIK、GALDIT）、过程模拟、统计模型和混合方法。GALDIT专为沿海SWI设计，在岩溶中应用时需重新校准权重。混合方法（如GALDIT-AHP、GALDIT-F）提高了分辨率，但总体受主观参数选择和不确定性量化不足限制。研究优先方向是发展明确表示裂隙/管道异质性的下一代地理空间工作流。

4.4 数值方法

模型分为解析和数值类型，包括锐界面和变密度框架。岩溶数值方法包括：等效孔隙介质（EPM）适用于弱岩溶化含水层，但忽略管道效应；双孔隙模型（DPM）模拟基质–管道交换；离散裂隙网络（DFN）显式表示裂隙几何，但数据需求高；离散管道网络（DCN）耦合达西基质和管道水力学；混合模型（CCPF）结合管道和连续体，可捕捉快速盐度传播。关键挑战在于管道–基质交换的不确定性，建议敏感性分析和数据同化。

5. 缓解策略

缓解应分阶段实施：初期维护水头（管理含水层补给MAR、优化抽水）；盐渍化进展时部署水力屏障和Fresh-Keeper（IFK）系统，但IFK在管道主导系统中效果有限；地下截断墙/坝可延缓楔形迁移，需针对地层和潮汐设计。整体策略需结合实时监测和适应性管理，从诊断转向预期管理。

6. 结论

岩溶沿海盐渍化受岩溶架构与沿海边界强迫耦合控制，而非仅水力梯度。弱岩溶化至管道主导的成熟度分类有助于管理。人类抽水是当前主要驱动因子，气候和SLR起慢性背景作用。调查方法的最佳实践是集成水文化学、同位素和地球物理成像。预测工具需融合数据同化和机器学习，以减少不确定性。缓解应基于盐渍化阶段和岩溶形态选择干预措施。