楊吉龍,李紅,施佩歆，胡自遠，胡云壯,胥勤勉,杜東，孟利山

（1.中國地質調查局天津地質調查中心，天津 300170；2.山東省第七地質礦產勘查院，山東臨沂 276000）

環(huán)渤海典型地段海（咸）水入侵研究現狀及方法探討

楊吉龍1,李紅1,施佩歆1，胡自遠2，胡云壯1,胥勤勉1,杜東1，孟利山1

（1.中國地質調查局天津地質調查中心，天津 300170；2.山東省第七地質礦產勘查院，山東臨沂 276000）

通過對大連大魏家、秦皇島棗園和萊州灣南岸海水入侵的調查，結合已有研究成果和方法，筆者總結和梳理了環(huán)渤海地區(qū)海水入侵研究現狀及存在的問題，并探討了海水入侵調查研究技術方法。多年來對環(huán)渤海地區(qū)海水入侵的調查研究工作，基本查清了不同地段、不同類型海水入侵的機理和動態(tài)變化趨勢，并為海水入侵有效防治提供了科學依據。隨著海水入侵問題研究的深入，發(fā)現在水文地質條件、地下水動態(tài)監(jiān)測及海水入侵對生態(tài)環(huán)境影響等方面仍存在問題，應持續(xù)加強海水入侵監(jiān)測與研究。海水入侵調查研究是一項涉及多學科的綜合性技術，應從基礎調查，綜合分析、動態(tài)監(jiān)測和數值模擬等多方面開展研究。綜合運用水化學分析、同位素示蹤、室內模擬試驗等技術方法，在充分揭示海水入侵機理和過渡帶溶質運移規(guī)律的基礎上，實現對海水入侵變化趨勢的預測預報，提高對海水入侵的防范意識。

環(huán)渤海;海(咸)水入侵;背景調查;研究方法

當前，世界上44%的人口居住在海岸帶地區(qū)[1]。中國擁有18 000 km的海岸線，按海岸的形態(tài)和成因，具有淤泥質海岸線4301 km，砂質海岸線2815 km，基巖海岸線2830 km，其他岸線8054 km[2]。我國13億人口中，超過60%的人居住在沿海的14個省份[3]。濱海地區(qū)持續(xù)超采地下水，造成了地下水位不斷下降，破壞了咸淡水平衡，導致海水入侵[4，5]。我國海水入侵首先于1964年在大連發(fā)現，緊隨其后，1970年青島市也出現海水入侵問題。而大部分城市的海水入侵出現在20世紀70年代后期及80年代初期之后。到目前為止，中國沿海地區(qū)發(fā)生海水入侵的城市有十幾座[6]。海水進入地下含水層中，使得地下水礦化度不斷升高，最終引起當地地下淡水資源被污染，不能利用，并且會嚴重影響到地表生態(tài)[7，8]。出于對地下水資源的保護和地質環(huán)境信息的需求，有必要對海水入侵形成的水文地質條件、水動力條件以及海水入侵過程中發(fā)生的水化學作用進行研究，并以此為基礎，逐步實現海水入侵的預測預警，防范此類地質災害的發(fā)生或惡化。

環(huán)渤海地區(qū)淡水資源比較匱乏，區(qū)內人均水資源量僅為660m3，為全國平均數的23.6%，是我國水資源短缺最嚴重的地區(qū)之一[9]。地下淡水資源是環(huán)渤海地區(qū)居民飲用水及工農業(yè)用水的重要組成部分，為了保障淡水資源供給，多城市在濱海地區(qū)建立了供水水源地，較為典型的有1969年建成的大連大魏家?guī)r溶水源地、1959年建成的秦皇島棗園第四系松散巖類－基巖裂隙水源地，而萊州灣南岸普遍開采第四系松散含水層中的地下淡水作為工農業(yè)用水。由于這些水源地特殊的地理位置及地下水持續(xù)超量開采，海水與地下淡水原有的水力平衡被打破，誘發(fā)了海水入侵。大魏家水源地自20世紀70年代中期逐漸出現了海水入侵，秦皇島棗園水源地自80年代初出現海水入侵，萊州灣沿岸自1976年開始發(fā)現水質變咸，80年代中后期入侵速率增大。以上三個地段水文地質條件分別代表了巖溶裂隙介質、基巖裂隙和松散孔隙雙重介質、松散孔隙單一介質含水系統(tǒng)，在這些介質中發(fā)生的海水入侵具有一定的典型性，多年來很多地質工作者對其進行了大量的研究工作，從不同角度做了系統(tǒng)研究和總結，取得了一大批研究成果。為了進一步揭示環(huán)渤海地區(qū)海水入侵機理和掌握海水入侵趨勢，本課題組自2005年開始對大連大魏家、秦皇島棗園和萊州灣南岸這三個地段的海水入侵開展了詳細的野外調查和室內研究。本文擬在前人研究的基礎上，結合本次調查和研究成果，梳理和探討海水入侵

研究技術方法及注意的問題，以期為以后開展類似的研究工作提供參考。

1 海水入侵研究現狀及存在的問題

1.1 大連大魏家海水入侵研究現狀及存在的問題

目前，對松散孔隙介質中海水入侵的研究比較成熟[5]，相比之下，裂隙巖溶介質中的海水入侵研究程度相對較低。對大魏家海水入侵的大規(guī)模研究主要在20世紀90年代，研究重點是海水入侵機理及巖溶地下水開發(fā)和巖溶地下水系統(tǒng)管理模型[10，11]，同時還評價了海水入侵對陸地生態(tài)環(huán)境的影響[12]。研究認為大魏家地區(qū)海水入侵的水動力因素主要是氣候干旱和地下水超采導致的水位下降，入侵方式多種，主要是沿非均質巖溶裂隙入侵、沿構造斷裂入侵和沿淺部松散均質含水層的面狀入侵。進入21世紀，對大魏家海水入侵過程中的水文地球化學作用進行了水－巖作用室內模擬實驗和野外調查研究，并用18O和2H、34SSO42-和13CHCO3-等同位素示蹤了海水入侵過程中可能發(fā)生的水文地球化學作用，研究發(fā)現海水與淡水的混合作用是以機械混合為主，在此基礎上發(fā)生了復雜水文地球化學作用[13，14]。過渡帶混合咸水與巖溶空間內的松散沉積物間的各種離子交換作用主要是陽離子交換吸附，過渡帶混合咸水對碳酸鹽巖介質的溶蝕作用較為明顯，巖溶發(fā)育的部位混合溶蝕作用亦最強。以上這些研究成果有效指導了大魏家海水入侵防治并取得了較好的成效。通過近些年的調查研究發(fā)現，盡管大魏家水源地開采量減少，水位逐年回升，但在含水層中形成的混合咸水體并沒有被明顯擠出含水層，部分地段氯離子濃度和礦化度仍然很高，原因尚不清楚。同時，海水入侵監(jiān)測時間短，沒有形成長周期的監(jiān)測序列，未能有效揭示海水入侵變化規(guī)律，給數值模擬預測帶來困難，因此要加強海水入侵監(jiān)測力度。

1.2 秦皇島棗園海水入侵研究現狀及存在的問題

秦皇島海岸線大部分是砂質海岸，少部分為基巖海岸，平原區(qū)還存在上部為松散介質和下部為基巖的雙重介質海岸。除基巖海岸外，沿海均有不同程度的海水入侵現象。棗園水源地所在的洋河－戴河濱海平原是秦皇島海水入侵研究最為典型的地段之一，從上世紀80年代以來，對洋河－戴河濱海平原海水入侵的形成與分布、成因機理、數值預測與防治進行了大量的調查研究[15-20]。研究得出洋河－戴河濱海平原海水入侵主要是由于集中式過量開采地下水，形成區(qū)域地下水位降落漏斗導致的。本區(qū)海水入侵類型主要有沿第四系松散含水層海水入侵、河口海水入侵和沿斷裂帶海水入侵三種類型，其中含水層海水入侵最為普遍，沿斷裂帶海水入侵易形成優(yōu)先入侵通道。在水文地球化學研究方面，韓再生等[15]首先分析了洋河－戴河濱海平原海水入侵區(qū)地下水化學類型分布并探討了海水入侵成因。本次工作基于不同水體水化學特征和礦物飽和狀態(tài)，討論了本區(qū)主要的水文地球化學作用，認為河水和淺層淡水鹽分主要來源于巖土風化－溶慮作用，并受到了蒸發(fā)濃縮作用的影響；混合咸水的形成主要受淺層淡水與海水的混合作用和淺層淡水蒸發(fā)濃縮作用控制，混合過程中還會發(fā)生石膏、白云石和方解石等礦物的溶解和沉淀；局地地下水咸化可能受到了深部地下熱水的溢流補給[20]。對洋河－戴河濱海平原海水入侵的數值預測，先后采用了多種數值預測方法，從海水入侵區(qū)的水動力場和濃度場的二維有限單元數值模擬發(fā)展到了空間滲流場和溶質運移場的三維有限單元數值模擬[16，18]。對比預測后海水入侵的實際發(fā)展趨勢，數值預測的大趨勢和實際發(fā)展趨勢較為吻合，但預測的定量化精度還顯得不足，究其原因可能存三個方面，一是水文地質條件不是十分清楚，精度不夠；二是水質和水位的監(jiān)測還不系統(tǒng)；三是由于自然因素和人為因素的影響，實際情況發(fā)生了較大的變異。隨著秦皇島海水入侵問題的深入，研究也顯現出不少未解決的問題：地熱水體分布狀況及對地下水咸化的影響；潮汐的波動變化對帶狀和面狀海水入侵程度的影響；洋河－戴河濱海平原西部由于地下水強采造成的大范圍降水漏斗，已經造成海水入侵形勢逐漸惡化，對動態(tài)變化趨勢和形成機理應跟蹤監(jiān)測和研究。

1.3 萊州灣海水入侵研究現狀及存在的問題

萊州灣沿岸是我國海（咸）水入侵最為典型的地區(qū)之一，海岸線大部分為砂質、淤泥質海岸類型，海（咸）水入侵主要發(fā)生在第四紀松散堆積物形成的含水層中。萊州灣沿岸海（咸）水入侵是我國迄今研究程度最高的地區(qū)[21]。長期以來從鹵水的成因與分布、海（咸）水入侵的水動力條件與水文地質條件、水文地球化學研究和數值預測方面做了詳細的研究。晚更新世以來的三次海侵和古氣候冷暖交替是萊州灣南岸鹵水形成的主要原因[22-24]。萊州灣南岸由于地下水超采形成的多個大范圍的地下水位降落漏斗，

同樣包括開采鹵水形成的漏斗，為海（咸）水入侵提供了水動力條件[5，25，26]，區(qū)域上形成的古河道、導水斷裂、面狀分布的砂層，提供了海（咸）水入侵的水文地質條件。水文地質條件決定了萊州灣南岸海（咸）水入侵通道存在多樣化，沿層狀堆積的沖洪積物順層侵入是主要方式，此外斷裂帶的發(fā)育及古河道的發(fā)育也成為海（咸）水入侵的通道。由于海（咸）水入侵，導致萊州灣南岸地下水化學類型的分帶性，由南往北地下水化學類型為HCO3－型—HCO3－·Cl-型—Cl－· SO42-型—Cl－型，礦化度從0.2 g/L增加到220 g/L。地下鹵水礦化度介于100～220 g/L，為Na-Cl型和Na-Mg-Cl型水，水化學總體特征與海水一致，導致混合咸水的鹽分來自于鹵水還是現代海水，較難判別。萊州灣南岸海（咸）水入侵過程最為明顯的水文地球化學作用亦是陽離子交換（Na+-Ca2+、Mg2+-Ca2+），飽和指數的計算表明方解石、白云石基本都處于飽和狀態(tài)，而石膏和巖鹽仍有溶解空間，石膏在礦化度達100 g/L之后才開始緩慢沉淀[5，27，28]。本次研究認為萊州灣南岸海（咸）水入侵的調查研究工作重復性大，突破性少，今后的工作應側重于水文地質條件和鹵水資源賦存狀況的調查，在此基礎上，有效識別海水入侵和咸水入侵；建立系統(tǒng)的海（咸）水入侵監(jiān)測網絡，分層監(jiān)測不同水體的動態(tài)變化，并建立數值模型，預測海水入侵變化趨勢；此外，應加強地下水水位逐漸恢復過程中，地下咸水體的運移規(guī)律及對土壤的影響研究。

2 海水入侵研究技術方法探討

海水入侵研究是一個涉及多學科、且綜合性很強的課題，應從基礎調查，綜合分析、動態(tài)監(jiān)測和數值模擬等多方面開展研究，在充分揭示海水入侵機理和過渡帶溶質運移規(guī)律的基礎上，提供可靠的海水入侵防控方案（圖1）。

2.1 基礎調查

圖1 海水入侵調查研究技術方法總圖Fig.1 Techniques summary for investigation and research o f the seawater intrusion

誘發(fā)海水入侵的因素通常包括自然因素和人為因素，自然方面的原因主要是水文地質條件和氣候變化，水文地質條件的調查是研究海水入侵的基礎條件，濱海地區(qū)地下淡水與海水之間存在的水力聯

系是海水入侵的物質基礎。濱海地區(qū)第四系存在的顆粒較粗的砂質沉積物、基巖地區(qū)發(fā)育的裂隙或溶孔及斷裂構造等，是海水入侵的主要通道，當陸地地下水水位下降到海平面以下時，海水通過這些通道迅速向內陸入侵。地形地貌通常指示了沉積環(huán)境和地下水徑流特征，在平原區(qū)大量開采地下水易形成地下水位降落漏斗，引發(fā)海水入侵。氣候方面的原因的是海水入侵的背景條件，氣候持續(xù)干旱，河水徑流量不斷減少甚至斷流，地下水補給量減少，造成地下水水位普遍下降，嚴重時也易引發(fā)海水入侵。全球氣候變暖引起的海平面上升可增大潮水沿河流的上溯距離，結果也可誘發(fā)海水入侵。

不合理的人類活動是海水入侵的誘發(fā)條件。環(huán)渤海地區(qū)發(fā)生海水入侵的主要因素是長期超量開采地下水，因此對取水設施的類型、空間分布特征、取水強度和開采歷史的調查研究至關重要。此外，在入海河流的上游地區(qū)修建水庫、塘壩等水利設施，均可使河流入海水量普遍減少，或在河口地區(qū)大量挖沙降低河床標高等人為活動加劇了潮水上溯的距離，使河流兩側發(fā)生海水入侵。

基于以上工作基礎，對海水入侵發(fā)生區(qū)不同的水體，不同層位的地下水，開展系統(tǒng)網絡式布點、采樣與調查。野外工作主要包括采樣點位調查（井位、井深、取水層位、水位埋深等）、原水物理化學參數現場監(jiān)測和水化學、環(huán)境同位素、14C、氚及土壤樣品采集等。對所采水樣進行快速離子成分分析，可以初步判斷工作區(qū)海水入侵的現狀，宏觀上確定海水入侵的空間分布特征。同時對地表生態(tài)系統(tǒng)進行調查，掌握地表農作物分布和產能情況等。

海水入侵是一個動態(tài)變化的過程，對其進行動態(tài)監(jiān)測研究，不僅可以判斷海水入侵危害的程度，而且可以預測海水入侵發(fā)展變化的趨勢。對海水入侵的監(jiān)測既要設置長期動態(tài)觀測點，還要進行豐水期、枯水期大面積的地下水動態(tài)普測，形成網絡式監(jiān)測。監(jiān)測網的布設既要考慮平面上的分帶性控制，也要考慮垂線上的分層性控制，建成立體式監(jiān)測網絡。監(jiān)測要同時兼顧水質和水位的變化，目前，水質監(jiān)測指標常用的是氯離子和礦化度。

2.2 綜合分析

2.2.1 海水入侵判別等級指標體系建立

背景值的確定以及其能否反映該地區(qū)的地下水特征是判定海水入侵是否發(fā)生的關鍵因素，是研究海水入侵的重要步驟之一。各地天然地下水中氯離子背景值差異很大，大魏家地下水中氯離子天然背景為80～130mg/L，棗園水源地為130～170mg/L，而萊州灣一般為80～100mg/L，因此選擇背景值要因地制宜，盡量選擇遠離海岸線的補給區(qū)和污染少的區(qū)域。

地下水化學特征是判斷海水入侵的直接依據，然而選用什么化學指標或特征值來判斷、評價海水入侵及入侵程度至關重要。一般常用指標為Cl－和礦化度，但選用單一指標衡量和分級往往產生偏差，精度不夠，采用多種指標綜合進行判別是目前正在發(fā)展的方向。本次研究成果和已有研究成果均表明，氯離子濃度與TDS、rCl－/rHCO3－、鈉吸附比（SAR）、Br及Sr相關性強，可以聯合建立海水入侵等級指標體系[29-31]。

Cl－作為判定海水入侵指標，國內外大致將這一標準確定為200～300mg/L。環(huán)渤海地區(qū)Cl－背景值普遍較低，通常小于200mg/L，而且地下水滲流途徑短，溶濾作用弱，Cl－濃度低且穩(wěn)定，其濃度的劇烈增加，主要是由于海水入侵造成的。可見，如果采用Cl－含量200～300mg/L作為工作區(qū)海水入侵判定標準，將不能準確判定海水是否入侵。因此，Cl－含量等級的劃分應結合該地區(qū)的地下水背景值的含量來劃分等級，其他的劃分標準既要考慮與氯離子的對應關系，也要考慮地下水的背景值。

2.2.2 水文地球化學分析

海水不同于地下淡水，有其自身的水化學特點，正是這種特殊性使得當海水入侵地下淡水后，入侵區(qū)的地下水表現出不同的水化學特征，這為從水文地球化學角度研究海水入侵成為可能。開展海水入侵區(qū)水文地球化學調查，研究地下水的水化學特征，是判斷海水入侵與否、入侵范圍和入侵嚴重程度的核心內容。海水入侵區(qū)水化學調查研究通常分析水體中分布最廣、含量最多的7種離子，陰離子：HCO3－、Cl－、SO42－；陽離子：Ca＋、M g＋、Na＋、K＋，同時配合分析反映海水入侵的一些較敏感指標，如Br、B、Li、Sr等元素。通過水化學成分的分析，繪制區(qū)域上的水化學場，討論其在面上的分布特征，可以識別咸淡水過渡帶，掌握海水入侵變化規(guī)律；通過水化學特征和特殊離子比的分析，可以判定海水和地下淡水混合后產生的系列水文地球化學作用，有利于提升對海水入侵的認識，同時，也可以為土壤鹽漬化狀況評價提供依據。

2.2.3 環(huán)境同位素示蹤

隨著同位素地球化學的迅速發(fā)展，特別是同位

素技術在地下水中的廣泛應用，為研究海水入侵提供了新的手段[5，14，31，32-34]。穩(wěn)定同位素主要包括2H、18O、11B、87Sr/86Sr、34S和13C。這些同位素運用的原理大多是基于各種同位素的特性以及不同水體往往具有顯著不同的同位素特征值，如陸地淡水中的2H含量總是會超出幾十個氘單位，而海咸水中幾乎為零，從而可以利用這種同位素特征值上的差別來指示水體的混合作用以及水巖相互作用。目前運用較多的放射性同位素包括3H和14C，主要用于地下水測年與示蹤的研究，以此來強化地下水徑流系統(tǒng)，提高海水入侵過程中溶質運移路徑和過程[35]。

2.2.4 數值模擬

為了實現海水入侵超前的預測預報，對區(qū)域海水入侵進行概化模擬是必要手段。海水入侵模型研究經歷了從理想假定到合理概化、室內實驗模型、理想模型到數值模型這一發(fā)展過程[36]。數值方法已經成為模擬和求解海水入侵問題的最有力的工具。概括起來，研究海水入侵的模型按研究對象可分為突變界面模型與基于海水－淡水以彌散帶接觸的過渡帶模型，過渡帶模型也成為海水入侵研究的主要方向。

通過以上海水入侵等級的劃分、水文地球化學分析和同位素示蹤，可以揭示海水入侵的空間分布特征、鹽分來源和溶質運移路徑和過程等，結合基礎調查所取得成果，能夠闡明海水入侵機理和過渡帶溶質運移規(guī)律，同時識別海水入侵與人為活動、自然因素的時空關聯，準確刻畫海水入侵概念模型。同時利用地下水動態(tài)監(jiān)測結果、地質背景調查和綜合分析的成果，建立海水入侵數值模型，為海水入侵預測預報提供實用基礎。

2.3 成果應用

在查清楚海水入侵區(qū)地質背景、地下水動態(tài)變化趨勢和海水入侵機理的基礎上，形成對應的海水入侵概念模型和數值模型，同時結合水質、水位的監(jiān)測結果進行實時動態(tài)模擬，從而實現海水入侵發(fā)展方向的預測預報，提高對海水入侵的防范意識。此外要根據監(jiān)測結果進行海水入侵的危害性、脆弱性、損失評估以及對城市功能的的影響評價，提出防治有效的防治措施，進行防治工程的建設。

3 下一步研究方向建議

由于環(huán)渤海地區(qū)部分地段基礎地質、水文地質資料精度不夠，地下水位和水質動態(tài)監(jiān)測數據不系統(tǒng)，對海水入侵的研究不夠透徹，仍存在較多的不確定性問題，較難評價人類活動對海水入侵影響的變化趨勢，較難對海水入侵做出定量化預測。建議加強以下幾個方面的深入研究。

（1）環(huán)渤海地區(qū)長期以來的地質工作積累了大量的地質資料，而這些資料缺乏專業(yè)、系統(tǒng)的整理和綜合分析，可以在整合這些資料的基礎上，適當補充新的地質調查工作來提高對區(qū)域水文地質條件的認識，為海水入侵及其他環(huán)境地質問題研究奠定基礎。

（2）目前，環(huán)渤海地區(qū)的海水入侵監(jiān)測在時間和空間上均不很系統(tǒng)，時間上存在不連續(xù)性和不對稱性問題，空間上存在水平方向和垂向監(jiān)測精度不高等問題。應構建系統(tǒng)的海水入侵監(jiān)測網，加強海水入侵動態(tài)監(jiān)測，為海水入侵危害性評價，數值模擬提供科學依據。

（3）通過這些年的調查發(fā)現，海水入侵已經形成的大規(guī)模咸水體，既使在大面積停止開采地下水，海水入侵趨勢減緩的情況下，其影響范圍還在擴大，對這一問題的研究仍不很清楚，有必要開展進一步工作。

（4）萊州灣南岸同時存在現代海水和古鹵水，并已對多個第四系含水層形成入侵。該區(qū)是古鹵水體入侵還是現代海水入侵，多年來亦存爭議，應對此類問題的解決加強研究。

（5）目前海水入侵的研究主要集中在機理研究和模擬預測方面，較少考慮對生態(tài)環(huán)境的影響，因此需要對有關生態(tài)環(huán)境問題進行追蹤監(jiān)測。

4 結語

環(huán)渤海沿海地區(qū)是一個人口密度大、水資源短缺、地質環(huán)境脆弱的區(qū)域，由于在濱海部分地段長期超量開采地下淡水資源，導致了規(guī)模較大的海水入侵。多年來對海水入侵的調查研究工作，基本查清了不同地段不同類型海水入侵的機理和動態(tài)變化趨勢，并提出了較為可靠的海水入侵防治建議，為區(qū)域海水入侵治理提供了科學依據。但隨著海水入侵問題研究的深入，仍然存在水文地質條件調查精度不夠、地下水動態(tài)監(jiān)測不系統(tǒng)、海水入侵后期效應研究不透徹等問題，應持續(xù)加強海水入侵監(jiān)測和研究。海水入侵研究是一個涉及多學科、且綜合性很強的課題，首先要開展基礎調查，對自然背景、人類活動背景和海水入侵現狀及危害性進行調查研究和評估；其次要開展海水入侵綜合研究，綜合運用水化學

分析、同位素示蹤、室內模擬試驗等技術方法，在充分揭示海水入侵機理和過渡帶溶質運移規(guī)律的基礎上，建立海水入侵概念模型和數值模型；最后實現對海水入侵的動態(tài)模擬，預測預報其變化趨勢，提高對海水入侵的防范意識。

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：1672－4135（2014）04－0294-06

2014-07-24

國家地質大調查項目：環(huán)渤海地區(qū)重點地段環(huán)境地質調查及脆弱性評價（1212010540501）

楊吉龍（1980-），男，助理研究員，主要從事水文地質和工程地質研究，E-mail:jilong.y@163.com。