塩水の浸入

塩水侵入とは、塩水が淡水帯水層に流入することであり、飲料水源を含む地下水の水質悪化やその他の影響につながる可能性があります。塩水侵入は、地下水と海水の水力学的つながりにより、沿岸帯水層で自然に発生する可能性があります。塩水は淡水よりもミネラル含有量が多いため、密度が高く、水圧も高くなります。その結果、塩水は淡水の下の内陸部に侵入する可能性があります。^{[ 1 ]}他の地形では、海底地下水流出によって淡水が塩水に流入することもあります。

特定の人間活動、特に沿岸の淡水井戸からの地下水の汲み上げは、多くの沿岸地域における塩水浸入を増加させています。水の汲み上げは淡水地下水位を低下させ、水圧を低下させ、塩水が内陸部へ流入する原因となります。塩水浸入の他の要因としては、航行用水路や農業用水路、排水路などが挙げられます。これらは塩水が内陸部へ移動する導管となります。気候変動による海面上昇も塩水浸入の一因となっています。^{[ 2 ]}塩水浸入は、ハリケーンによる高潮などの異常気象によっても悪化する可能性があります。^{[ 3 ]}

水文学

塩水侵入の原因と影響

海岸線では、内陸部から流入する淡水地下水が海からの塩水地下水と合流します。淡水地下水は内陸部から海岸に向かって流れ、海岸の標高と地下水位は低くなります。^{[ 2 ]}塩水は溶解した塩分やミネラル の含有量が多いため、淡水よりも密度が高く、水頭が高くなります。水頭とは、水柱によって生じる液体の圧力のことです。水柱がつながっている場合、水頭の高い水柱は水頭の低い水柱に向かって移動します。^{[ 4 ]}

塩水は高い圧力と密度のため、淡水の下に楔形に広がり、沿岸帯水層へと移動します。塩水と淡水は遷移層で出会い、分散と拡散によって混合が起こります。通常、淡水地下水位、つまり淡水柱の高さは標高が高くなるにつれて上昇するため、塩水の楔形が内陸に広がる範囲は限られています。^{[ 2 ]}

原因

地下水の採取

地下水の汲み上げは塩水浸入の主な原因である。米国の多くの沿岸地域では地下水が飲料水の主な水源であり、汲み上げ量は年々増加している。基準条件下では、海抜が高いため淡水柱による高い圧力によって内陸への塩水の広がりが制限される。地下水の汲み上げは淡水面を下げ、淡水柱による圧力を減少させ、より密度の高い塩水が内陸へ横方向に移動することを可能にする。^{[ 2 ]}ニュージャージー州ケープメイでは、1940年代以来、取水によって地下水位が最大30メートル低下し、地下水位が海面下となり、給水井戸への広範囲にわたる浸入と汚染を引き起こしている。^{[ 5 ] [ 6 ]}

地下水の汲み上げは、帯水層の深部から塩水の湧昇、つまり上昇を引き起こし、井戸の汚染につながる可能性もあります。^{[ 7 ]}基準条件下では、塩水楔は密度が高いため、内陸の淡水の下まで広がります。塩水楔の上または近くにある給水井戸は塩水を上方に引き上げ、井戸に達して汚染する可能性のある塩水円錐を形成します。一部の帯水層はこの種の侵入を起こしやすく、例えば下フロリダ帯水層では、比較的浸透性の低い岩石または粘土層が淡水と塩水を分けていますが、孤立した亀裂が封じ込め層を破壊し、塩水の上昇を促進します。地下水の汲み上げは、地下水位を下げてこの効果を強め、淡水の押し下げを減少させます。^{[ 6 ]}

運河と排水網

運河や排水網の建設は、塩水浸入につながる可能性があります。運河は塩水を内陸へ運ぶ導管となり、航行のために既存の水路を深く掘ることも同様です。^{[ 2 ] [ 8 ]}メキシコ湾のサビーン湖河口では、大規模な水路によって塩水が湖に流入し、さらに湖に流れ込む河川へと遡上しています。さらに、石油・ガス掘削を促進するために周辺の湿地帯で行われた水路浚渫は地盤沈下を引き起こし、内陸への塩水の移動をさらに促進しています。^{[ 9 ]}

平坦な沿岸地域の排水のために建設された排水網は、淡水位を低下させ、淡水柱による水圧を低下させることで、塩水侵入を引き起こす可能性があります。フロリダ南東部における塩水侵入は、主に1903年から1980年代にかけて、農業開発や都市開発のためにエバーグレーズを排水するために建設された排水路が原因です。侵入の主な原因は地下水位の低下でしたが、水門が建設されるまでは、これらの排水路は海水も内陸部に導いていました。^{[ 6 ]}

ソリューション

河川への海水侵入を防ぐ2層気泡カーテン

ABCのワークフロー

河川への海水侵入（SWI）は、特に河川上流域の農業活動や生態系に多くの悪影響を及ぼす可能性があります。海水侵入による悪影響を防止または軽減するための解決策は数​​多く開発されています。河川における持続可能な解決策の一つとして、気泡カーテンの使用が挙げられます。この気泡カーテンは、河川におけるSWIの問題を完全に解決することができます。^{[ 10 ]}

水供給への影響

アメリカ合衆国沿岸部の多くの地域では、給水井戸の塩水汚染が発生しており、この問題は何十年も前から見られてきました。^{[ 11 ]}地中海沿岸の多くの帯水層は、海水侵入の影響を受けています。^{[ 12 ] [ 13 ]}給水井戸への塩水侵入の影響は、侵入の程度、水の用途、塩分濃度が用途基準を超えているかどうかによって大きく異なります。^{[ 2 ] [ 14 ]}ワシントン州など一部の地域では、侵入は帯水層の一部にしか達せず、特定の給水井戸にのみ影響を与えています。他の帯水層はより広範囲にわたる塩分汚染に直面しており、その地域の地下水供給に重大な影響を与えています。例えば、ニュージャージー州ケープメイでは、地下水の汲み上げによって地下水位が最大30メートル低下しており、1940年代以降、塩水侵入によって120以上の給水井戸が閉鎖されています。^{[ 6 ]}

ギーベン・ヘルツバーグ関係

塩水侵入に関する最初の物理的定式化は、 1888年と1889年にウィレム・バドン＝ギーベンによって、また 1901年にはアレクサンダー・ヘルツバーグによってなされ、ギーベン・ヘルツバーグ関係と呼ばれています。^{[ 15 ]} 彼らは、すべての現場で当てはまるわけではないいくつかの仮定に基づいた、侵入挙動を近似する解析解を導き出しました。

ギーベン・ヘルツバーグ関係^{[ 2 ]}

この式では、

${\displaystyle z={\frac {\rho _{f}}{(\rho _{s}-\rho _{f})}}h}$

海面上の淡水層の厚さは 、海面下の淡水層の厚さは と表されます。2つの厚さと は、との関係にあります。ここでは淡水の密度、は海水の密度です。淡水の密度は20℃で約1.000グラム/立方センチメートル（g/cm ^{3 ）ですが、海水の密度は約1.025 g/cm 3}です。この式は次のように簡略化できます。${\displaystyle h}$ ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle \rho_{f}}$ ${\displaystyle \rho _{s}}$ ${\displaystyle \rho_{f}}$ ${\displaystyle \rho _{s}}$

${\displaystyle z\ =40h}$ . ^{[ 2 ]}

ギーベン・ヘルツバーグ比は、海面上の非圧帯水層の淡水 1 メートルごとに、海面下の帯水層の淡水が 40 メートルあることを示しています。

20世紀には、利用可能な計算能力が大幅に向上し、より少ない仮定を必要とし、より一般的に適用できる数値手法（通常は有限差分法または有限要素法）の使用が可能になりました。^{[ 16 ]}

モデリング

塩水浸入のモデル化は困難であると考えられています。典型的な問題点としては、以下のようなものがあります。

• 帯水層に亀裂やひび割れ、破砕が存在する可能性があり、その正確な位置や範囲は不明ですが、塩水侵入の発生に大きな影響を与えます。
• 帯水層の水理特性に小規模な不均一性が存在する可能性があります。この不均一性はモデルで考慮するには小さすぎますが、塩水侵入の進行に大きな影響を与える可能性があります。
• 塩水侵入による水理特性の変化。塩水と淡水の混合物はカルシウムが飽和していないことが多く、混合域でカルシウムの溶解が起こり、水理特性が変化します。
• このプロセスは陽イオン交換として知られており、塩水侵入の進行を遅らせ、また塩水侵入の退却も遅らせます。
• 塩水侵入はしばしば平衡状態にないため、モデル化が困難になります。帯水層のダイナミクスは緩やかな傾向があり、侵入円錐が揚水計画や降雨量などの変化に適応するには長い時間がかかります。そのため、現場の状況は、海面や揚水計画などに基づいて予測されるものとは大きく異なる可能性があります。
• 長期モデルでは、将来の気候変動は大きな未知数ですが、良好な結果が得られる可能性があります。モデルの結果は、海面水位と涵養速度に大きく依存することが多く、どちらも将来変化すると予想されています。

緩和と管理

ルイジアナ州沿岸のマーメンタウ川にあるキャットフィッシュポイント制御構造（水門）

塩水は、閘門が塩水と淡水を分離している場合にも問題となります（例えば、ワシントン州のハイラム・M・チッテンデン閘門）。この場合は集水池が建設され、そこから塩水をポンプで海に戻します。また、侵入した塩水の一部は魚道にもポンプで送り込まれ、回遊魚の誘引力を高めています。^{[ 17 ]}

地下水の塩性化が重要な問題になるにつれて、地域的な技術的・工学的解決策から帯水層全体や地域全体に対する規則や規制手段に至るまで、より複雑な取り組みを適用する必要がある。^{[ 18 ]}

発生地域

• ベナン
• キプロス
• ブー・レグレグ（モロッコ）
• パキスタン
• スリナム
• チュニジア
• アメリカ合衆国
  • ACF川流域（フロリダ州/ジョージア州）
  • フロリダの環境
  • マサチューセッツ州エセックス郡^{[ 19 ]}
  • ハイラム・M・チッテンデン・ロックス（ワシントン）
  • ハッチンソン島（ジョージア州）
  • ラニア湖（ジョージア州）
  • ポンチャートレイン湖（ルイジアナ州）
  • マイアミ川（フロリダ）
  • ミシシッピ川デルタ
  • オックスナード平原（カリフォルニア州）
  • サンレアンドロ（カリフォルニア州）
  • ソノマクリーク（カリフォルニア）
  • スペリオル湖西岸^{[ 20 ]}（ミネソタ州）
• メコンデルタ
• イタリア^{[ 12 ] [ 21 ] [ 22 ]}

参照

• 地下水
• 環境移民 – 環境の変化により地域を離れる人々
• ガラルド・G・パーカー
• インフレータブルラバーダム
• ピークウォーター – 淡水資源の質と利用可能性に関する概念

参考文献

1. ジョンソン、テディ (2007). 「中央海岸および西海岸流域における海水侵入との闘い」(PDF) . 南カリフォルニア水補給地区.オリジナル(PDF)から2012年9月8日アーカイブ. 2012年10月8日閲覧。
2. Barlow, Paul M. (2003). 「大西洋岸の淡水・塩水環境における地下水」 USGS . 2009年3月21日閲覧。
3. 「CWPtionary Saltwater Intrusion yes」 LaCoast.gov、1996年。 2009年3月21日閲覧。
4. ジョンソン、テッド (2007). 「中央海岸および西海岸流域における海水侵入との闘い」(PDF) . 南カリフォルニア水補給地区.オリジナル(PDF)から2012年9月8日アーカイブ. 2012年10月8日閲覧。
5. Lacombe, Pierre J. & Carleton, Glen B. (2002). 「ニュージャージー州ケープメイ郡の水文地質学的枠組み、給水量、塩水侵入」(PDF) . USGS . 2012年12月10日閲覧。
6. Barlow, Paul M. & Reichard, Eric G. (2010). 「北米沿岸地域における塩水侵入」 . Hydrogeology Journal . 18 (1). USGS : 247– 260. Bibcode : 2010HydJ...18..247B . doi : 10.1007/s10040-009-0514-3 . S2CID 128870219. 2012年12月10日閲覧。 
7. Reilly, TE & Goodman, AS (1987). 「揚水井戸下における塩水上昇の解析」. Journal of Hydrology . 89 ( 3–4 ): 169– 204. Bibcode : 1987JHyd...89..169R . doi : 10.1016/0022-1694(87)90179-x .
8. Good, BJ, Buchtel, J., Meffert, DJ, Radford, J., Rhinehart, W., Wilson, R. (1995). 「ルイジアナ州の主要沿岸航路」(pdf) .ルイジアナ州天然資源局. 2013年9月14日閲覧。
9. Barlow, Paul M. (2008). 「予備調査：塩水障壁 - サビーン川下流域」（PDF） .テキサス州サビーン川管理局（FTP） . 2012年12月9日閲覧。（ドキュメントを表示するには、ヘルプ:FTPを参照してください）
10. Kahrizi, Ehsan; et al. (2023). 「河川への海水浸入を防ぐための二層気泡カーテンの実験的評価」 . Journal of Water and Climate Change . 14 (2): 543– 558. doi : 10.2166/wcc.2023.384 . S2CID 255924963 . 
11. Todd, David K. (1960). 「米国沿岸帯水層への塩水浸入」(PDF) . Subterranean Water (52). IAHS Publ.: 452– 461. 2005年10月25日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2009年3月22日閲覧。
12. ポレミオ、マウリツィオ (2016年4月1日). 「変化する環境下におけるカルスト沿岸地下水のモニタリングと管理（南イタリア）：地域的経験のレビュー」 .水. 8 (4): 148. doi : 10.3390/w8040148 .
13. ポレミオ、マウリツィオ;パンブク、アーベン。リモーニ、ピエル・パオロ。ペトルッチ、オルガ (2011-01-01)。 「ヴロラ湾の炭酸塩沿岸帯水層と地下水海底放出（アルバニア南西部）」。沿岸研究ジャーナル。270 : 26–34 .土井: 10.2112/SI_58_4。ISSN 0749-0208。S2CID 54861536。  
14. Romanazzi A, Polemio M. 「沿岸カルスト帯水層のモデリングと管理支援：サレント（イタリア、プーリア州）の研究」（PDF） . Italian Journal of Engineering Geology and Environment . 13, 1: 65– 83.
15. Verrjuit, Arnold (1968). 「Ghyben-Herzberg式に関する注記」(PDF) .国際科学水文学協会紀要. 13 (4). デルフト工科大学, オランダ: 43–46 . doi : 10.1080/02626666809493624 . 2009年3月21日閲覧.
16. Romanazzi, A.; Gentile, F.; Polemio, M. (2015-07-01). 「海水侵入と気候変動の影響下における地中海カルスト沿岸帯水層のモデリングと管理」. Environmental Earth Sciences . 74 (1): 115– 128. Bibcode : 2015EES....74..115R . doi : 10.1007/s12665-015-4423-6 . ISSN 1866-6299 . S2CID 56376966 .  
17. モースハルト、シェリル；シングルトン、グレン（1995年）「ハイラム・M・チッテンデン閘門による塩水侵入の軽減」水路・港湾・沿岸・海洋工学ジャーナル121 （ 4）：224-227。doi ： 10.1061/(ASCE)0733-950X（1995）121：4 （224）。
18. Polemio, Maurizio; Zuffianò, Livia Emanuela (2020). 「塩性化リスクのある地下水の利用管理のレビュー」 . Journal of Water Resources Planning and Management . 146 (9): 03120002. doi : 10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0001278 . ISSN 0733-9496 . S2CID 225224426 .  
19. 「さまざまな水質問題のケーススタディ | H2O Care」。
20. 「困った状況：ノースショアの塩水井戸水の謎」 www.seagrant.umn.edu 。 2018年9月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年9月27日閲覧。
21. ヴェスパシアーノ、ジョバンニ;シアンフローネ、ジュゼッペ。ロマナッツィ、アンドレア。アポラーロ、カーマイン。ドミニチ、ロッコ。ポレミオ、マウリツィオ。デローザ、ロザンナ (2019-11-01)。 「複雑な海岸平野の持続可能な管理のための学際的アプローチ：シーバリ平原（南イタリア）の事例」。海洋および石油地質学。109 : 740– 759。Bibcode : 2019MarPG.109..740V。土井：10.1016/j.marpetgeo.2019.06.031。ISSN 0264-8172。S2CID 197580624。  
22. ズフィアーノ、LE;バッソ、A.カザラーノ、D.ドラゴン、V.リモーニ、PP;ロマナッツィ、A.サンタロイア、F.ポレミオ、M. (2016-07-01)。 「マル・ピッコロの海岸水理地質系（イタリア、ターラント）」。環境科学と公害の研究。23 (13): 12502 – 12514。Bibcode : 2016ESPR...2312502Z。土井: 10.1007/s11356-015-4932-6。ISSN 1614-7499。PMID 26201653。S2CID 9262421。