濰坊北部海咸水入侵特征及現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

蒙永輝，傅建，王志成，于愛(ài)麗

(1.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，山東 濟(jì)南 250014；2.煙臺(tái)市國(guó)土資源局，山東 煙臺(tái) 264003)

海咸水入侵是指由于陸地淡水位下降而引起的海咸水直接侵染地下淡水層的一種環(huán)境地質(zhì)惡化現(xiàn)象，它是由自然和社會(huì)環(huán)境中諸多因素長(zhǎng)期共同作用的結(jié)果。結(jié)合海咸水入侵調(diào)查結(jié)果，客觀論述了濰坊北部海咸水入侵的類型、方式和空間分布特征，分析了海咸水入侵鋒線的演變歷史，根據(jù)2012年枯水期水質(zhì)分析結(jié)果采用模糊數(shù)學(xué)法評(píng)價(jià)了濰坊北部海咸水入侵現(xiàn)狀，針對(duì)性地提出了今后的防治重點(diǎn)和對(duì)策。

1 海咸水入侵類型

根據(jù)入侵來(lái)源不同，將研究區(qū)海咸水入侵劃分為海水和咸水入侵兩類[1]。其中以咸水入侵為主。

1.1 海水入侵

區(qū)內(nèi)海水入侵是指海水沿河道上溯或風(fēng)暴潮作用下的海水倒灌等現(xiàn)象。

1.1.1 海水沿河道上溯

地表河流是風(fēng)暴潮上溯的有利通道。由于入海河流下游河水直接與海水混合，在海潮尤其是風(fēng)暴潮作用下海水沿河道上溯產(chǎn)生海水倒灌現(xiàn)象，向內(nèi)陸入侵距離加大，侵染的河水在河道中產(chǎn)生側(cè)向、垂向滲漏，從而引發(fā)海水?dāng)U散入侵，表現(xiàn)在入侵鋒面上沿較大的河流均形成向內(nèi)陸的凸進(jìn)；濰河為研究區(qū)最大河流，河谷較寬，河口區(qū)海水倒灌影響下游20km以上范圍，是區(qū)內(nèi)向內(nèi)陸入侵最遠(yuǎn)的區(qū)域，成為海水入侵的主要通道。

近年來(lái)隨著河流中上游水庫(kù)、塘壩等攔蓄工程的修建，在雨量偏少的年份大大減少了沿海平原的地表徑流，進(jìn)一步加劇了海水入侵災(zāi)害。

1.1.2 風(fēng)暴潮作用下的海水倒灌

萊州灣是一個(gè)多風(fēng)暴潮海域，一般每年都發(fā)生，較大風(fēng)暴潮災(zāi)4年左右發(fā)生一次，風(fēng)暴潮作用下的海水倒灌是沿海一帶古咸水的成因和來(lái)源。因此，其影響分為兩方面：一方面是由于海水倒灌直接破壞沿海平原的水井、植被和造成土壤鹽漬化，另一方面又是咸水入侵形成的基礎(chǔ)。

1.2 咸水入侵

濰北是我國(guó)典型的咸水入侵區(qū)，晚更新世以來(lái)的海陸環(huán)境交替沉積形成的鹵水是該區(qū)咸水入侵源，陸相古河道沉積體是咸水入侵的通道[2-3]。20世紀(jì)70年代末期以來(lái)對(duì)地下淡水超采，淡水水位下降，水頭壓力減小打破了咸淡水的動(dòng)態(tài)平衡，鹵水在水頭壓力作用下不斷向淡水區(qū)侵染[4]，是咸水入侵的直接原因，而盲目打井破壞了隔水層，也在一定程度上加速了咸水入侵。

2 海咸水入侵方式

按入侵方式和分布形態(tài)，區(qū)內(nèi)海咸水入侵可分為面狀、帶狀和越流入侵。

2.1 面狀入侵

是較普通的入侵方式，主要發(fā)育在砂質(zhì)、泥砂質(zhì)濱海河谷下游平原區(qū)。由于濱海平原和河谷下游平原含水巖組多為沖積、沖洪積的砂層，含水巖組連續(xù)性、透水性好，一般呈現(xiàn)同一含水巖組咸、淡水并存的局面，海咸水順含水巖組向內(nèi)陸滲透，入侵體在平面上呈面狀形態(tài)，剖面上呈楔狀形態(tài)[5]。

2.2 帶狀入侵

第四紀(jì)沉積環(huán)境中形成的古河道為地下水的賦存提供了有利空間，也是海咸水入侵的通道，當(dāng)含水巖組水位下降時(shí)，海咸水就會(huì)沿著古河道帶狀向內(nèi)陸入侵。由于古河道含水巖組具有較強(qiáng)的滲透性，因此入侵速度相對(duì)于兩側(cè)較快，向內(nèi)陸呈帶狀突進(jìn)。

2.3 越流入侵

是區(qū)內(nèi)咸水典型的入侵方式，在咸淡水同時(shí)存在的地區(qū)，當(dāng)咸水層的水位高于淡水水位時(shí)，咸水便越過(guò)隔水層入侵淡水層。沿岸河海積平原區(qū)海相沉積與河流相沉積互層，由于其間隔水層薄或隔震性能弱，致使海相層中的咸、鹵水運(yùn)移到含淡水的河流相砂層中形成次生咸鹵水，當(dāng)?shù)乩秘Q井開(kāi)采古河道地下淡水時(shí)，由于鉆孔深度不合理，井壁封閉效果差或老化，過(guò)量抽水時(shí)，造成地下咸水通過(guò)井孔浸染古河道地下淡水，從而形成越流入侵。

除上述3種主要的入侵方式外，當(dāng)相鄰古河道間有水力聯(lián)系時(shí)會(huì)發(fā)生側(cè)向入侵；沿河道上溯的海咸水向兩側(cè)產(chǎn)生側(cè)向入侵。

3 海咸水入侵空間分布特征

3.1 海咸水入侵的平面分布特征

參照國(guó)際和國(guó)內(nèi)通用標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合工作區(qū)實(shí)際：以Cl-濃度250mg/L作為海咸水入侵的指標(biāo)，截至2012年底，研究區(qū)淺層入侵鋒線分布于臺(tái)頭鎮(zhèn)—田柳鎮(zhèn)—上口鎮(zhèn)—留呂鎮(zhèn)—高里鎮(zhèn)—雙臺(tái)村—昌邑市圍子街辦以北一線，入侵面積達(dá)2853.30km2，占濰坊市陸域面積的23.93%。

3.2 海咸水入侵的垂向分布特征

在研究范圍內(nèi)海咸水入侵體在垂向上主要有兩種賦存特征，形成了工作區(qū)上咸下淡、上淡中咸下淡的兩元和三元水質(zhì)結(jié)構(gòu)。

研究區(qū)由北往南，上咸下淡的兩元水質(zhì)結(jié)構(gòu)主要分布于工作區(qū)北部，上層咸水的底板埋深一般在120～300m左右，咸水底板分布有連續(xù)且厚度大于20m 的粘性土隔水層，在隔水層下部賦存有松散巖類孔隙淡水(M≤1g/L)、微咸水(1

4 海咸水入侵歷史

4.1 海咸水入侵的形成和發(fā)展

根據(jù)以往資料研究分析，自1976年發(fā)生海咸水入侵以來(lái)，區(qū)內(nèi)海咸水入侵過(guò)程大致可分為以下4個(gè)階段：

4.1.1 1976—1985年為發(fā)生發(fā)展階段

1976年以前工作區(qū)地下水流場(chǎng)處于天然徑流狀態(tài)，1976年后由于降水量偏少、蒸發(fā)量加大和工農(nóng)業(yè)需水量的急劇增加，引起地下水位下降，水質(zhì)季節(jié)性變咸，預(yù)示海咸水入侵即將開(kāi)始， 1980年壽光市牛頭鎮(zhèn)和留呂鎮(zhèn)(壽光市水源地)出現(xiàn)了2個(gè)地下水降落漏斗，漏斗中心水位分別低于海平面以下1.71m和0.62m，水質(zhì)開(kāi)始惡化，海咸水入侵開(kāi)始[6]。入侵發(fā)生初期，入侵速率較慢，入侵面積較小，以局部入侵為主。1983—1985年，入侵面積逐漸擴(kuò)大，入侵范圍由局部向區(qū)域發(fā)展，入侵鋒線逐漸向南推移。

4.1.2 1986—1990年為快速發(fā)展階段

進(jìn)入這一時(shí)段，壽光市牛頭鎮(zhèn)和留呂鎮(zhèn)2個(gè)地下水降落漏斗相繼加深和擴(kuò)展，并與濰寒漏斗、昌邑漏斗連成“V”形漏斗群。漏斗群北部邊界與咸水區(qū)相連接，由原來(lái)的局部發(fā)展到區(qū)域性海咸水入侵，1990年末，入侵面積達(dá)1623.20km2。

4.1.3 1990—2000年為慢速發(fā)展階段

這一時(shí)段入侵速度相對(duì)變慢，到2000年末，入侵區(qū)總面積達(dá)2264.38km2，比1990年增加了641.18km2。

4.1.4 2000—2012年為穩(wěn)定發(fā)展階段

2012年末，海咸水入侵線沿壽光市臺(tái)頭鎮(zhèn)馬家莊—田柳鎮(zhèn)崔家村—侯鎮(zhèn)解家莊子—寒亭區(qū)高里鎮(zhèn)橋西村—寒亭區(qū)潘家庵村—昌邑市龍泉鎮(zhèn)王范莊村—圍子鎮(zhèn)天成店村一線展布，最大入侵前鋒線在寒亭高里鎮(zhèn)—昌邑雙臺(tái)以及昌邑市圍子鎮(zhèn)。累計(jì)入侵區(qū)總面積達(dá)2481.70km2，比2000年增加了217.32km2。

4.2 近年來(lái)海咸水入侵鋒線的演化

區(qū)內(nèi)海咸水入侵界線主要有2000年、2005年、2008年、2009年、2010年和2012年6期，通過(guò)6期海咸水入侵鋒線資料可知(圖1)：自20世紀(jì)70年代末期發(fā)現(xiàn)至2000年，海咸水入侵總面積累計(jì)達(dá)2264.38km2(礦化度大于3g/L)； 和2000年相比，2005年海咸水區(qū)面積比2000年增加了489.42km2，入侵速率平均每年97.88km2；和2005年相比，2006—2010年海咸水入侵面積減小了588.39km2，平均每年入侵面積減小117.68km2，2012年海咸水入侵面積為2481.70km2，比2010年增加了216.29km2，增加的部分主要位于昌邑北部一帶，增加原因是由于昌邑南部地下水的開(kāi)采和礦坑排水量的增加引起的。

圖1 濰坊北部海咸水入侵鋒線歷史變遷圖

5 海咸水入侵現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

參照中華人民共和國(guó)地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)海咸水入侵區(qū)地下水水質(zhì)特點(diǎn)及評(píng)價(jià)區(qū)的實(shí)際情況和監(jiān)測(cè)條件，將海咸水入侵程度分為4級(jí)(表1)，通常所說(shuō)的咸淡水界處于Ⅰ，Ⅱ級(jí)之間。

表1 海咸水入侵程度的等級(jí)劃分

根據(jù)海咸水入侵區(qū)地下水水化學(xué)特征，對(duì)選用的5項(xiàng)評(píng)價(jià)因子同時(shí)使用4 級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 結(jié)合相關(guān)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，并且參考已有的海咸水入侵等級(jí)劃分,所采取的具體指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)范圍及代表值如表2所示。

表2 海咸水入侵具體指標(biāo)的等級(jí)劃分及代表值 mg·L-1

通過(guò)評(píng)價(jià)，由圖2可知，工作區(qū)由北往南入侵程度逐漸減弱，工作區(qū)北部為咸水、鹽水和鹵水分布區(qū)，入侵程度為嚴(yán)重污染區(qū)，分布面積2269.88km2，往南依次為入侵程度較嚴(yán)重污染區(qū)、輕度污染區(qū)和無(wú)污染區(qū)，面積分別為 336.86km2，246.56km2和2316.75km2。

圖2 濰坊北部海咸水入侵程度現(xiàn)狀評(píng)價(jià)圖

6 海咸水入侵發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

區(qū)內(nèi)具備海咸水入侵的通道，在自然和人為因素影響下經(jīng)歷形成、發(fā)展和緩解3個(gè)時(shí)期，目前處于相對(duì)穩(wěn)定階段。未來(lái)海咸水入侵的發(fā)展趨勢(shì)仍取決于大氣降水、地下水開(kāi)采等主要影響因素的發(fā)展趨勢(shì)。另外，氣候變暖、海平面升高是該區(qū)海咸水入侵的全球環(huán)境背景。

6.1 自然和人為因素影響分析

6.1.1 大氣降水周期分析

根據(jù)1951年至2012年61年逐年降雨量統(tǒng)計(jì)(圖3)，濰坊北部濱海平原區(qū)多年平均降雨量在600mm左右，年際間變化較大，最大年出現(xiàn)在1964年，降雨量為1234.8mm，最小年降雨量出現(xiàn)在1981年，降雨量為310.8mm，1980—1989年連續(xù)10年干旱，汛期降雨量比歷年同期減少20.2%；1990—1999年10年間降雨量大于600mm的年份出現(xiàn)在1990年、1993年、1995年，其余均小于600mm，這10年間處于相對(duì)干旱期；2000—2009年10年間2001年、2003年、2004年、2005年、2007年和2008年年降雨量均大于600mm，這10年間降雨量相對(duì)較充沛。由此變化趨勢(shì)可見(jiàn)：2010—2019年又將進(jìn)入降雨相對(duì)較少期(2010年、2011年和2012年僅2011年降雨量為692.35mm)。

圖3 濰坊北部多年降雨量曲線圖

6.1.2 區(qū)域水資源均衡分析

濰坊北部，海咸水入侵南部目前分布有寒橋水源地、南金口水源地、朱里水源地和辛置水源地，根據(jù)1∶10萬(wàn)水工環(huán)綜合調(diào)查報(bào)告中地下水均衡計(jì)算，除辛置水源地處于超采狀態(tài)外，其余水源地均具有一定的開(kāi)采潛力，根據(jù)濰坊市供水規(guī)劃，未來(lái)濰坊北部主要以利用黃河水、峽山水庫(kù)等地表水源，地下水的開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度將逐漸減小。

6.1.3 海平面變化趨勢(shì)分析

依據(jù)IPPC研究分析，20世紀(jì)70年代以來(lái)中國(guó)海平面的變化有3個(gè)升高階段，1971—1975年為第1個(gè)上升期，相對(duì)海平面從-3.9cm上升到7.5cm，升幅達(dá)11.4cm；第2個(gè)上升期是1978—1983年，相對(duì)海平面從-2.6cm上升到7.5cm，升幅達(dá)10.1cm；1986—1995年為第3個(gè)上升期，相對(duì)海平面從-2.5cm上升到13.6cm，升幅達(dá)16.1cm。預(yù)測(cè)該世紀(jì)2030年全球海平面將上升18cm，2070年預(yù)計(jì)上升44cm，2100年將上升66cm。海平面上升將抬高咸水位，加重風(fēng)暴潮災(zāi)害，在一定程度上也將加劇海咸水入侵災(zāi)害。

6.2 海咸水入侵發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

上述分析可知，在實(shí)施客水引源后，區(qū)域水資源緊張得到一定的緩解，地下水源地大部分處于采補(bǔ)平衡狀態(tài)，目前海水入侵處于相對(duì)穩(wěn)定階段，隨著北部鹵水資源的大幅開(kāi)采，以及位于白浪河沖洪積扇區(qū)域的濰寒水源地停采后，海水入侵甚至出現(xiàn)好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源供需矛盾依然存在，南部沖洪積平原區(qū)淺層地下水已出現(xiàn)大面積的疏干，在未來(lái)大氣降水仍將處于較少期，海平面持續(xù)上升的預(yù)期下，海水入侵災(zāi)害防治的形勢(shì)依然嚴(yán)峻，在具備水動(dòng)力條件下，水平方向上仍存在向南擴(kuò)展的壓力。

垂向越流(串層)入侵形勢(shì)依據(jù)嚴(yán)峻，如不及時(shí)采取針對(duì)性的防治措施，海水入侵對(duì)北部深層淡水、微咸水資源的影響將趨于惡化。

7 防治對(duì)策

海咸水入侵是濰北沿海地區(qū)最主要的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外海咸水入侵的防治理論較為成熟，區(qū)內(nèi)前期也針對(duì)海咸水入侵采取了相關(guān)措施，并取得了一定的成效，如壽光市的彌河利用汛期大量雨洪，實(shí)施引水回灌，抬高地下水位，取得了較好的效果；濰寒水源地停采有效地遏制海水入侵的南擴(kuò)。

借鑒國(guó)內(nèi)外成熟的防治經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合區(qū)內(nèi)海咸水入侵的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，研究適合該區(qū)實(shí)際的防治對(duì)策，力求防治工程的可行性和系統(tǒng)性。

(1)結(jié)合海咸水入侵監(jiān)測(cè)工程，合理調(diào)蓄地下水，全面控制海咸水入侵。

(2)規(guī)范和控制深層淡水、微咸水開(kāi)采，實(shí)施廢棄開(kāi)采井封堵工程，防止咸水越層、串層侵染。

(3)合理規(guī)劃海岸帶咸鹵水開(kāi)采，規(guī)范鹽化工和海水養(yǎng)殖業(yè)，防治海咸水入侵的同時(shí)，逐步實(shí)施海岸生態(tài)恢復(fù)工程。

(4)建立和保護(hù)河口海岸濕地和生態(tài)系統(tǒng)。

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