萊州灣南岸海底地下水交換量研究

張漢雄　胡曉農(nóng)　陳麟

摘要：相對于定性研究海水入侵的程度及規(guī)律，定量研究能更直觀的給出海水入侵地區(qū)的SGD（Submarine groundwater discharge）以及流入量。選擇濰坊昌邑市北部潮間帶地區(qū)，布設(shè)3 km長監(jiān)測剖面，通過監(jiān)測地下水水位、水溫、以及電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，運用數(shù)學(xué)方法定量估算海底地下水交換量。同時，運用計算所得結(jié)果，對研究區(qū)海水入侵情況進行評估，為將來該地區(qū)地下水監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)。計算結(jié)果表明，潮間帶流入量明顯大于流出量，海水呈現(xiàn)朝陸推進趨勢。

關(guān)鍵詞：萊州灣；海水入侵；海潮；海底地下水排泄

中圖分類號：P641文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2018）02017705

Abstract：Compared with the qualitative study of seawater intrusion，the quantitative study can give a more direct description of the submarine groundwater discharge and inflow in the seawater intrusion area.We set up a 3kmlong monitoring section in an intertidal zone located in the north of Changyi City of Weifang.According to the data of groundwater level，water temperature，and conductivity，we conducted a quantitative estimation of the submarine groundwater exchange capacity by mathematical methods.The results of the calculation were used to evaluate the trend of seawater intrusion in the study area，and to provide a scientific basis for future groundwater monitoring in the area.The results showed that the inflow in the intertidal zone was obviously larger than the outflow，so the sea water is showing a trend of landward intrusion.

Key words：Laizhou Bay；seawater intrusion；sea tide；submarine groundwater discharge

海底地下水排泄（Submarine Groundwater Discharge，簡稱SGD）是地下水水體向海洋沉積物與水界面運移的重要途徑，也是有機物、營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬離子以及天然同位素等內(nèi)陸物質(zhì)向海洋輸送的重要通道，影響著近岸海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡以及海洋中各種元素的地球化學(xué)循環(huán)[1]。

從很早的時期開始，人們就對SGD進行了初步的研究，不過因為它的隱蔽性以及定位、測量、計算技術(shù)的相對落后，致使人們一直沒有重視SGD對海岸生態(tài)水域環(huán)境的重要作用。在本世紀初，人們重新認識了SGD對海岸生態(tài)環(huán)境的重要影響，不斷對這種緩慢、分散，但持續(xù)不斷的物質(zhì)輸送途徑進行研究[2]。與此同時Burnett等[3]突破了海洋和水文學(xué)家們對“海底地下水”定義的限制，重新把海底地下水定義為“從海底沉積物通過海床進入上覆水的所有流動水體”。根據(jù)此定義，SGD被分成了兩類，首先包含了從海岸含水層進入海洋的內(nèi)陸淡水（傳統(tǒng)意義的地下水），其次為在海底不斷倒灌排放、循環(huán)流動的海水。

全世界水量平衡估算顯示，SGD通量大概為河水入海量的02%～10%左右。Moore等[4]進一步指出，在整個大西洋的研究區(qū)域上的SGD通量至少為106（m3/（km·d））。Charette等[5]在2009-2010年，使用鐳同位素定量計算了美國佛羅里達Caloosahatchee河河口的SGD以及營養(yǎng)鹽通量，指出SGD表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性，最低為2010年4月的85×104（m3/d），最高為2010年10月的13×106 （m3/d）。Tait等[6]利用不同的放射性同位素和地球物理的方法估算了南太平洋珊瑚礁瀉湖的SGD。Su等[7]通過鐳、氡同位素評估了Little Lagoon地區(qū)的SGD對造成水華的影響，認為當存在高SGD時，其帶來的營養(yǎng)物質(zhì)是導(dǎo)致水華的主要驅(qū)動；而在低SGD時，水華是多種原因造成的。

我國在SGD方面的研究開始較晚，但SGD的研究越來越受到重視。眾多學(xué)者選取萊州灣典型剖面，有針對性地對萊州灣地區(qū)進行水化學(xué)研究，通過對萊州灣地區(qū)地下水各因素的分析，對萊州灣海（咸）水入侵過程有了進一步的了解[810]。李福林等[11]對萊州灣東岸的海底地下水的水化學(xué)特征進行了分析，揭示了海底含水層與陸地含水層中在空間上的聯(lián)系，指出近岸帶地下水已經(jīng)受到了污染，影響了海洋的生態(tài)與環(huán)境。郭占榮等[12]使用鐳同位素，通過“水平渦動擴散模型”評估了福建漳州市隆教灣的SGD通量；蘇妮等[13]利用鐳同位素地球化學(xué)示蹤的方法，結(jié)合海南東北部沿岸水域鐳同位素數(shù)據(jù)，計算了當?shù)氐腟GD通量；黃磊[14]分別使用224Ra和226Ra同位素的“質(zhì)量平衡模型”，通過量化每個源匯項，估算出九龍江河口區(qū)的SGD通量的平均值為201×108（m3/d），并發(fā)現(xiàn)海底地下水總排泄量中存在60%～90%的循環(huán)海水。馬倩等[15]利用廣義達西定律計算了萊州灣東部沿岸的SGD以及流入量，并發(fā)現(xiàn)滲出面向海方面的流出量明顯下降。

本文在整理研究區(qū)野外數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)學(xué)計算的方法[15]來綜合分析萊州灣南岸近岸海岸帶的SGD量，以期為該地區(qū)海水入侵監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況及水文地質(zhì)條件

研究區(qū)位于山東省濰坊昌邑市北部潮間帶地區(qū)，屬暖溫帶季風性半濕潤氣候。年平均降水量在6125～6601 mm范圍內(nèi)。研究剖面全長（觀測井W1至W5，圖1、圖2）約3 km，在海岸線以外，由堤壩向海延伸，地理坐標位置在北緯36°43′-37°09′范圍內(nèi)，東經(jīng)119°22′-119°37′之間。

研究剖面位于潮間帶，受潮汐作用影響，當海水漲潮時，地下水由海向陸推進，即北向南方向，達到高潮時刻剛好可淹沒剖面最南部觀測井（W1）；當海水退潮時，地下水由陸向海推進，達到低潮時，觀測井W1完全干涸、W2地表干涸。含水層屬于濱海含水層，主要由上層潛水含水層與下層承壓含水層組成。潛水含水層主要由細砂與中砂組成，平均厚5～8 m；承壓含水層由中粗砂及礫石組成，平均厚度10 m。研究區(qū)地下水補徑排關(guān)系主要受季節(jié)以及潮汐作用、人類因素等影響，潛水含水層主要受大氣降雨、海洋側(cè)向補給、地表水體的滲漏補給以及地下水側(cè)向徑流補給；承壓含水層的補給來源主要為鹵水體滲漏補給、層間越流補給以及海洋側(cè)向補給。地下水排泄方式主要為人工開采、蒸發(fā)、以及海底地下水排泄等方式，其中人工開采對承壓含水層影響最大。

研究區(qū)北部為渤海萊州灣，潮汐為不規(guī)則半日潮，潮差約2 m（圖3）。受渤海海流和季風影響，研究區(qū)位于一個多風暴潮海域，尤其在秋季，當發(fā)生連續(xù)幾日偏南風突然轉(zhuǎn)為偏北風時，海水位會劇增暴漲，易形成風暴潮，并可向南岸的陸地浸淹達十余公里。而歷史上曾多次波及地面高7 m地區(qū)，形成嚴重潮災(zāi)。

2數(shù)據(jù)采集

在山東濰坊昌邑市北部潮間帶地區(qū)布設(shè)5個監(jiān)測點，由南向北分布，依次為W1至W5，剖面長度約3 km。每個監(jiān)測點設(shè)置三個監(jiān)測井，井深分別為1 m、15 m和2 m。利用自動觀測儀（CTDDiver）對地下水進行監(jiān)測，監(jiān)測各井中的水位、水溫、電導(dǎo)率，監(jiān)測頻次1次/h。

監(jiān)測井監(jiān)測分為短期監(jiān)測和長期監(jiān)測兩種。短期監(jiān)測的起始時間為2014年8月11日22：00，截止時間為2014年8月17日18：00，歷時120 h。長期監(jiān)測的起始時間為2014年8月7日18：00，截止時間為2014年9月12日10：00，歷時35 d

3地下水觀測數(shù)據(jù)分析

3.1地下水水頭分析

將觀測水頭轉(zhuǎn)化為等效淡水水頭，等效淡水水頭公式表示為：[HJ1.6mm]

3.2地下水鹽度分析

圖5為各觀測井鹽度與海潮變化。各觀測井中地下水的鹽度整體上變化不明顯，僅在部分時間段隨著海潮的波動而出現(xiàn)小幅度的變化。由于研究區(qū)剖面南部鹽場大量曬鹽，導(dǎo)致各監(jiān)測井中所測鹽度均大于測得的海水平均鹽度3268 g/L。大面積曬鹽區(qū)域會造成鹵水的滲漏進入地下水中。W3附近出現(xiàn)了一個高鹽度區(qū)，分析原因認為在地下形成了一個地下水排泄通道，受鹽場抽取鹵水影響，部分鹵水通過排泄通道向海排泄，在W3監(jiān)測井位置形成高濃度區(qū)域。

4海底地下水排泄量計算

由觀測數(shù)據(jù)可以得出，在觀測期內(nèi)，W2至W5井都是飽和的（除抽水曬鹽影響外）。通過數(shù)學(xué)方法[15]，使用2014年1 m和2 m的監(jiān)測數(shù)據(jù)，來估算

5結(jié)論

通過對研究區(qū)剖面觀測數(shù)據(jù)以及計算結(jié)果分析得出以下結(jié)論。由于潮間帶上較低的滲透系數(shù)以及較為平緩的坡度，潮間帶剖面上存在滲出面。由內(nèi)陸到海洋的方向的潮間帶上，存在相對較高水頭的地下水排泄到地表，即SGD。隨著由陸向海SGD的逐步增加以及流入量增多，計算得出在潮間帶觀測井W2和觀測井W5之間的總SGD和流入量分別為804 m2/d和1085 m2/d。通過計算可知，研究區(qū)流入量大于流出量，說明海水呈現(xiàn)向陸推進趨勢。[HJ1.8mm]

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