引言
全球约一半的人口居住在沿海地区，这些区域属于高度发达地带，拥有丰富的自然资源和密集的人口分布（Small & Nicholls, 2003; Klassen & Allen, 2017）。水资源对人类生存至关重要（Abdipour et al., 2025），但工业化进程（Kamani et al., 2023）以及海水入侵问题加剧了全球的水资源短缺状况，而海水入侵如今已成为一种普遍且日益严重的环境问题。其产生的主要原因在于水文动态平衡被打破，使得高密度的海水能够渗透到低密度的淡水含水层中，从而导致咸水与淡水的分界面向内陆移动（Werner et al., 2013; Geng & Michael, 2020; Walther et al., 2020）。海水入侵会引发一系列环境问题，包括地下水盐度上升以及沿海土壤盐碱化（Zheng et al., 2021; Gao et al., 2025a）；而盐碱化的土地则会阻碍工业和农业的发展（Hu et al., 2022）。值得注意的是，人类活动的加剧（Gao et al., 2026）以及全球变暖导致海冰大量减少（Yuan et al., 2025），这将进一步加重海水入侵对沿海地下水系统造成的负面影响。
为缓解海水入侵问题，研究人员和实际工作者提出了多种措施，这些措施主要针对问题的三个关键方面：淡水来源、地下水流路径以及海水入侵的源头（Todd, 1974; Armanuos et al., 2019; Gao et al., 2025b）。例如，针对淡水来源的策略旨在降低水资源的抽取速度，而针对入侵源头的策略则通常采用抽取咸水、注入淡水（补充水源）以及使用屏障技术等多种方法。其中，地下物理屏障被认为是一种技术上可行且成本效益较高的防止海水入侵的措施。这类屏障具有运营成本低、维护需求少、稳定性高，还能提升含水层中的淡水储存量等优点（Yan et al., 2021）。正因如此，物理屏障被视为解决海水入侵问题的潜在长期方案（Allow, 2012）。
地下物理屏障是通过在含水层中引入低渗透性材料，阻断咸水与淡水地下水之间的水力联系，从而防止海水入侵（Lalehzari & Tabatabaei, 2015）。人们在含水层底部建造地下坝，以阻止咸水的侵入（Wang et al., 2024; Zheng et al., 2025）。截水墙则从含水层顶部延伸到指定深度，以此拦截水流路径（见图1）（Wang et al., 2024; Zheng et al., 2025）。在过去的几十年里，大量的实验和模拟研究证明了截水墙和地下坝在缓解海水入侵方面的广泛应用价值（Kang et al., 2021）。然而，仍有一些重要问题尚未得到解决。地下坝可能会在上游积聚大量残留的咸水，要完全清除这些咸水往往需要数十年的时间（Zheng et al., 2021）。它们的性能会受到结构高度和水力梯度的显著影响（Luyun et al., 2009; Takahashi et al., 2011）。此外，Chang等人（2019）发现，要想有效控制海水入侵，这类结构必须达到一定的最小有效高度。Chang等人（2020）还表明，在较大的水力梯度作用下，地下坝会导致咸水楔形区的上升幅度更大，不过此时产生的咸水污染范围仍然小于低梯度条件下的情况。最近，Zheng等人（2025）提出，增加内陆地区的淡水补给量可以缩短彻底清除残留咸水所需的时间，而更大的潮汐幅度则能使堤坝后面的残留咸水退去的速度加快多达43%。
与地下坝相比，截水墙不存在残留咸水滞留的问题，且建造相对更为简单。不过，它们会改变地下水的流动路径，延长陆侧地区的淡水迁移时间，进而可能降低整体的淡水排放量。尽管存在这些缺点，但如果截水墙的深度足够，就能够大幅缩小咸水楔形区的范围，从而有效防止海水入侵（Anwar, 1983）。截水墙的性能受到含水层的水力传导性、孔隙水流速、咸水-淡水混合区（即盐度在3.5 ppt到31.5 ppt之间的区域）以及水文地质各向异性的显著影响（Chang et al., 2021）。根据Zheng等人的研究（2022），截水墙能够在短期内快速排出咸水（100到150天内）。他们的研究结果表明，墙体的深度和水力传导性会影响残留咸水的体积，而墙体的位置则会影响咸水消散的时间。如果墙体过深或者水力传导性过高，淡化效果会明显下降。Gao等人（2022）指出，截水墙会增加墙体底部的流速，但会降低含水层整体的平均流速。对于较深的墙体而言，其敏感性最高，因为流速和流量对几何形状的变化反应极为敏感。同样，Chang等人（2023）也发现，截水墙会增加内陆地区的淡水水头压力，加快水流速度，从而将咸水楔形区向外推。这种增强的水流还能更快地将混合区的盐分冲走，进而缩小混合区的范围。在潮汐作用的影响下，咸水楔形区会明显后退，不过只有当墙体足够深时才会出现显著的效应（Shen et al., 2019）。在沿海界面处，Fang等人（2023）量化了截水墙对淡水和咸水海底地下水排放通量的影响。他们的研究发现，随着截水墙深度的增加，淡水和海底地下水的排放流量都会减少。
尽管已经取得了这些进展，现有的研究依然存在一些未解之谜，这些难题限制了截水墙在低成本、低影响的工程应用中的广泛使用。目前大多数截水墙都是建在含水层的陆侧，而要有效控制海水入侵，就需要将墙基延伸到接近咸水楔形区的位置，这无疑会增加技术的复杂性和成本。最近，设置在潮间带的截水墙展现出了不错的效果，有证据表明它们能够形成更大的USP区域（即图1中盐度为17.5 ppt的等值线与海洋边界之间的区域），进而推动咸水楔形区向海侧退去（Kong et al., 2023）。不过，以往的研究只是通过定性观察来描述这一现象，未能揭示出驱动USP区域形成并使咸水楔形区退去的完整潮汐水动力循环、涡流生成以及溶质重新分布的机制。目前还没有关于这一耦合过程定量机制的解释性研究。此外，潮汐作用条件下截水墙的深度、宽度以及水力传导性所发挥的相对作用也尚未得到系统的量化分析。
为填补这些研究空白，本研究利用COMSOL Multiphysics软件构建了一个典型沿海含水层的二维有限元模型。通过明确设定潮汐边界条件，研究人员探讨了截水墙的几何形状和水力特性如何影响溶质传输、USP区域的动态变化以及海水入侵的程度。与以往的研究相比，这项工作创新性地揭示了一种由涡流作用介导的“以盐换盐”调控机制，该机制决定了USP区域的扩张和咸水楔形区的后退过程，为潮汐屏障与含水层之间的相互作用提供了前所未有的定量理论解释。此外，本研究中的参数敏感性分析还得出了潮间带截水墙的最佳设计阈值，为现场布局优化提供了实用且具有成本效益的技术参考。这项研究为制定低成本、技术上可行的策略，保护沿海淡水资源并恢复受海水入侵威胁的沿海生态系统奠定了科学基础。
