《HydroResearch》：Impacts of the sloped shoreline boundary on island groundwater vulnerability to sea-level rise-induced seawater intrusion
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海水入侵(SWI)是一个全球性环境问题，是指地下水淡水-海水界面陆向迁移并伴随沿海含水层盐渍化的过程。公认SWI由过量地下水开采和气候变化 induced 海平面上升(SLR)驱动，导致内陆地下水位与海平面之间的水力梯度减小。SWI的不利影响具有破坏性，扰乱沿
海水入侵(SWI)是一个全球性环境问题，是指地下水淡水-海水界面陆向迁移并伴随沿海含水层盐渍化的过程。公认SWI由过量地下水开采和气候变化 induced 海平面上升(SLR)驱动，导致内陆地下水位与海平面之间的水力梯度减小。SWI的不利影响具有破坏性，扰乱沿海含水层生态系统并危及沿海社区获得地下淡水的途径。不同于陆地沿海含水层，岛屿含水层通常仅依靠降水补给，在密度更大的海水之上形成透镜状淡水体。由于有限的陆地面积、较低的补给速率和/或较高的水力传导度限制了水积累，淡水透镜体(FWL)通常较薄。受其形状和尺寸的影响，岛屿淡水透镜体极易遭受SWI。然而值得注意的是，对许多岛屿社区而言，岛屿含水层往往在可及性和经济可行性方面都是唯一可行的淡水来源。因此，研究气候胁迫因子与水文地质条件如何共同导致FWL遭受SWI污染脆弱性，具有至关重要的意义。
**论文解读：倾斜海岸线边界对海岛地下水脆弱性受海平面上升驱动海水入侵的影响**
**1. 研究背景与问题**
海水入侵（SWI）是全球沿海地区面临的重要环境问题，指地下淡水-海水界面陆向迁移并引发含水层盐渍化的过程。过量地下水开采和气候变化 induced 海平面上升（SLR）是驱动SWI的主要因素。对于海岛含水层而言，其通常仅依赖降水补给，在高密度海水之上形成透镜状淡水体（FWL）。由于岛屿陆地面积有限、补给量低且水力传导度高，淡水透镜体通常较薄，对SWI高度脆弱，但常常又是海岛社区唯一经济可行的淡水来源。已有研究多采用解析解方法研究海平面上升和海岸线坡度（SLP）引发的陆地表淹没（LSI）效应，但解析解依赖强烈简化的尖界面假设，难以刻画真实SWI的弥散特性。目前尚缺乏系统探讨水力传导度（HK）、大气降水补给（RCH）和岛屿尺寸（L）如何影响SLP与SLR对FWL和SWI程度耦合作用的数值研究。为此，该研究基于巴哈马群岛实际水文地质条件，构建二维变密度地下水流与溶质运移耦合数值模型，系统评估不同HK、RCH和L配置下SLP对海岛地下水受SLR所致SWI脆弱性的控制作用。
**2. 研究与方法概述**
研究人员采用SEAWAT数值模型（耦合MODFLOW地下水流模型与MT3DMS溶质运移模型，可求解依赖于盐浓度的变密度水流方程）建立二维（2D）均质各向同性非承压海岛含水层截面模型。模型域为矩形，横向长度L（1000–3000 m）可变，高度固定为116 m，宽1 m；顶部施加代表降水补给RCH的通量边界，左右边界水柱施加恒定水头边界代表海平面，陆表淹没区（长度=SLR/SLP）施加恒定浓度边界（35.0 g/L）模拟海水淹没。参数基于巴哈马群岛已发表研究设定：HK取值25.0、50.0和75.0 m/day，RCH取值0.1、0.2和0.3 m/year，SLP设0.005、0.01、0.05、0.1和0.2五个水平，瞬时SLR设0.1、0.2、0.3和0.4 m四个幅度。共设计7种水文地质情景（以HK=50.0 m/day、RCH=0.2 m/year、L=2000 m为基准，逐一变化单一参数），每种情景下进行21种SLR-SLP组合模拟，总计147个稳态模拟工况。研究建立7项定量指标：平均/最大水位高程（WTE）绝对变化与相对变化、FWL深度相对变化（?d）、FWL体积相对变化（?FV）和含水层总盐质量相对变化（?SM），以1.0 g/L等浓度线界定淡水边界。
**3. 主要研究结果**
**3.1 HK、RCH和L对FWL和SWI程度的影响（无SLR基准情形）**
基准模拟结果表明：较低HK限制侧向流动、促进淡水垂向积累，使FWL更厚、界面更深，含水层盐质量减少；较高HK增强侧向流动，FWL变薄、盐质量增加。较高RCH直接增加淡水输入，加深界面并扩大FWL，盐质量减少；较低RCH则相反。较大的L增加有效补给面积并延长淡水向海岸排泄路径，使FWL显著增厚、淡水储量大幅增加；较小L则产生相反效果。上述效应均呈非线性，且淡水体积对大L变化高度敏感（L由2000 m增至3000 m时淡水体积增加129.68%），并与经典解析理论一致，验证了模型可靠性。
**3.2 HK、RCH和L对SLR引起的WTE响应的影响**
SLR普遍抬升IASSB中的平均和最大WTE。绝对WTE增加量主要受SLR和SLP控制，基本独立于HK、RCH和L：对于SLP≥0.01的较陡海岸，平均和最大WTE增加量分别收敛至约SLR量值的一半和全部；而在SLP=0.005的平缓海岸，二者均低于此基准且偏差随SLR增大而扩大。相反，WTE相对增加量显著依赖HK、RCH和L：高HK、低RCH或小L产生更大的相对增加，其中L的影响最为显著。较陡SLP通过限制LSI面积，使SLR主要表现为均匀的海岸边界水头抬升，有效传递至整个FWL；而平缓SLP下广泛的LSI减小有效补给面积、促进海水直接入渗和密度驱动混合，抑制了含水层水头抬升。
**3.3 HK、RCH和L对SLR引起的FWL深度响应的影响**
所有情景下?d均为负值并随SLR单调减小，表明SLR导致FWL深度持续变浅。给定SLR和SLP时，高HK、低RCH或小L产生更大的FWL深度相对减少。增加SLP一般加剧FWL深度减少，直至达到临界海岸陡度阈值，此后继续增大SLP不再产生显著额外变化。该临界阈值随HK增大、RCH减小和L减小而向更陡方向移动：HK=25.0、50.0和75.0 m/day时阈值分别约为0.05、0.1和略大于0.2；L=1000 m时在调查范围内未出现收敛（SLR=0.4 m、SLP=0.2时?d达-3.5%）。其中L的影响最大，小L岛屿的FWL深度减少幅度远大于HK或RCH的等效变化。
**3.4 HK、RCH和L对SLR引起的FWL体积响应的影响**
所有情景下?FV均为负值并随SLR单调减小，表明淡水储量持续损失。高HK、低RCH或小L在相同SLR和SLP条件下产生更大的淡水体积相对损失，且差异随SLR增大而放大。SLP的缓解效应同样存在临界阈值：SLP=0.005时淡水损失最大，SLP=0.01次之，SLP≥0.05时损失最小且曲线几乎重合。临界阈值随L减小而升高：L=3000 m时约为0.01，L=2000 m时约为0.05，L=1000 m时约为0.1。浓度分布图显示SLR-induced LSI使海水垂向入渗至近岸原淡水区，造成FWL侧向收缩，而垂向深度仅小幅减小。L的控制作用远强于HK和RCH——在SLR=0.4 m、SLP=0.005下，L=1000 m时?FV达-23.63%，而相应HK或RCH变化下的损失仅为-7.61%和-7.41%。
**3.5 HK、RCH和L对SLR引起的含水层盐质量响应的影响**
所有情景下?SM均为正值并随SLR单调增加，表明含水层持续盐渍化。SLP对盐积累具有强非线性控制作用：SLP=0.05、0.1和0.2的?SM曲线几乎重叠且最低，SLP=0.01居中，SLP=0.005最高且对HK和RCH依赖最强。临界SLP阈值由L而非HK或RCH决定：L=2000和3000 m时阈值稳定于0.05，L=1000 m时阈值升至约0.1。特别地，L可以完全超越SLP效应——在SLR=0.2 m时，L=1000 m、SLP=0.01的?SM（0.32%）大于L=3000 m、SLP=0.005的?SM（0.27%），表明窄岛中L对盐积累的控制作用可能比SLP更重要。HK和RCH的影响是条件性的，仅在平缓SLP和高SLR下显著；小L岛屿通过补给区不成比例损失、盐锋从两侧向中央合并以及淡水储存能力近似按L2急剧降低三种机制放大盐积累。
**4. 讨论与结论**
该研究揭示，SLR与SLP对岛屿含水层SWI的耦合控制具有明确阈值行为：较陡SLP可缓解淡水损失和盐渍化，但存在临界陡度，超过后继续增大SLP不再提供额外保护；该临界阈值随HK增大、RCH减小以及L减小而升高。在三种水文地质因素中，岛屿尺寸L对淡水脆弱性的控制作用最强，因其直接约束淡水储存容量并决定LSI影响的几何比例。研究首次系统量化了SLP、SLR与关键水文地质因素对倾斜海岸岛屿含水层FWL动力学的耦合影响，提出多指标综合评价框架，识别并物理解释了临界SLP阈值及其对HK、RCH尤其L的系统依赖。研究结论强调，在调查参数范围内，L比HK或RCH更显著地控制淡水储量与盐渍化对SLP和SLR的敏感性，凸显了岛屿几何形态在调节SLR淡水脆弱性中的基础性作用。该研究采用2D均质各向同性等效多孔介质模型，所得结果为一级过程认知而非具体场地预测；未来应扩展至3D、非均质、双孔隙度和瞬变模型，并纳入风暴潮、季节性情变化等因素。
