萊州灣東岸海水入侵現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

王天寶 戴維 白瑩

摘要：萊州灣地區(qū)受海水入侵的影響，水質(zhì)咸化、土壤鹽堿化、農(nóng)業(yè)減產(chǎn)等問題嚴重。本文根據(jù)實際調(diào)查和水文地質(zhì)資料，對萊州灣東岸典型地區(qū)海水入侵現(xiàn)狀進行評價分析，基于VisualModflow-SEAWAT和MT3DS模塊建立地下水數(shù)值模型和溶質(zhì)運移模型，模擬海水入侵發(fā)展趨勢。經(jīng)預測，未來10年該區(qū)海水入侵速率逐漸減弱，呈衰退趨勢，研究區(qū)海水入侵基本得到控制。

關鍵詞：萊州灣；海水入侵；數(shù)值模擬

海水入侵是指濱海地區(qū)地下水位大幅度下降出現(xiàn)的海水和淡水交融界面向陸地方向移動的現(xiàn)象[1，2]。近30年來，中國至少有十幾個濱海城市地區(qū)發(fā)生了海水入侵[3]，海水入侵已經(jīng)成為沿海城市急需解決的熱點問題[4]。萊州灣地區(qū)作為山東重要的漁業(yè)基地，海水入侵問題也較為嚴峻[5]。海水入侵造成了地區(qū)海水倒灌，引發(fā)土壤鹽漬化，造成了濱海農(nóng)田減產(chǎn)顯著[6，7]。萊州灣東岸平原區(qū)地下水礦化度、Cl-濃度等隨海水入侵而不斷升高，部分地區(qū)水質(zhì)已遠不符飲用甚至灌溉標準，而因工農(nóng)業(yè)需水量大及水文地質(zhì)條件限制，地下咸水的持續(xù)開采造成了惡性循環(huán)[8]。針對萊州灣地區(qū)海水入侵問題，黃磊[3]、陳廣泉[9]等學者近幾十年持續(xù)進行調(diào)查評價。

本文以實際調(diào)查和水文地質(zhì)資料，對當前海水入侵造成的地下水咸化現(xiàn)狀進行評價，利用VisualModflow建立地下水數(shù)值模擬對萊州灣東岸地區(qū)海水入侵未來發(fā)展趨勢做出預測，為今后當?shù)氐纳a(chǎn)發(fā)展及用水提供一定參考。

1.研究區(qū)概況

研究區(qū)（37°10′～37°20′N，119°46′～120°00′ E）位于山東省萊州市西北部萊州灣東岸，程郭鎮(zhèn)以西至萊州灣沿岸，萊州市區(qū)以北到過西地區(qū)（圖1）。

研究區(qū)地勢南高北低，東高西低，以構造剝蝕丘陵和沖積海積平原為主[10]。區(qū)域平均降水量619.1mm，各類含水層發(fā)育厚度不大，區(qū)域自然地理狀況、水文地質(zhì)背景及人類生產(chǎn)生活等因素共同影響著地下水的循環(huán)。根據(jù)賦存條件對區(qū)內(nèi)地下水分區(qū)，北部和萊州灣沿岸大部分地區(qū)為孔隙水含水區(qū)，東南部萊州市區(qū)附近為基巖裂隙含水區(qū)。

2.研究區(qū)海水入侵現(xiàn)狀

2.1萊州灣地區(qū)海水入侵發(fā)展史

萊州灣地區(qū)海水入侵始于1976年，隨后十幾年海水入侵發(fā)展迅速，在降水劇減、地下水人為超采、工程活動等因素共同影響下[5，11]，80年代末萊州灣地區(qū)成為國內(nèi)極為典型的海水入侵嚴重地區(qū)。海水入侵速度隨時間呈現(xiàn)先增后減的發(fā)展趨勢，惡化階段入侵速度可達153km2/a，面積達627.3km2，雖然20世紀90年代以來海水入侵呈現(xiàn)緩解趨勢，但入侵面積仍在擴大[12]。

2.2研究區(qū)海水入侵現(xiàn)狀

本次調(diào)查根據(jù)研究區(qū)內(nèi)不同水文地質(zhì)單元的不同地質(zhì)情況設置了16個檢測點（圖2），其中JC14、JC15監(jiān)測碳酸巖巖溶裂隙水含水區(qū)，JC7、JC9監(jiān)測基巖裂隙水含水區(qū)，其他監(jiān)測點監(jiān)測海水入侵較為嚴重的孔隙水含水區(qū)，分別取樣進行水質(zhì)分析。

參照研究區(qū)地下水實際情況結合Cl-的特征性和穩(wěn)定性，采用單因子評價法選取Cl-作為評價因子。以地下水中250mg/LCl-濃度作為識別海水入侵海咸水交換的界面，氯度低于250mg/L的區(qū)域即為淡水，大于250mg/L為受海水入侵影響，超過1000mg/L為海水入侵嚴重的咸水區(qū)。調(diào)查結果（圖2）顯示，研究區(qū)當前受海水入侵影響范圍約54.37km2，沿海岸線地區(qū)受海水入侵影響較為嚴重，西北部沿海松散孔隙水含水單元崔家、東方養(yǎng)蝦池等氯度超過1000mg/L，為嚴重影響區(qū)；沿岸向內(nèi)陸氯度呈階梯狀逐漸降低，龍王河流域中下游海水入侵沿河岸呈帶狀分布；大原地區(qū)因印刷等工業(yè)大量開采地下水，受海水入侵影響較為嚴重；南部基巖裂隙含水區(qū)和碳酸巖巖溶裂隙含水區(qū)受海水入侵影響較小。

3.研究區(qū)海水入侵發(fā)展趨勢模擬預測

3.1水文地質(zhì)概念模型及數(shù)學描述

根據(jù)區(qū)內(nèi)的自然地理狀況、水文地質(zhì)條件以及含水層流場的分析結果，依照含水層滲透性等因素概化實際水文地質(zhì)狀況，建立概念模型（圖3）。區(qū)內(nèi)地下水主要自東向西入海，北側與地下水流線重合，近似概化為第二類零流量邊界；東側與南側均接受區(qū)外地下水側向補給，為第二類流量邊界；西側沿海，近似為第二類定流量邊界；將-70m處作為模擬區(qū)底面，因海水入侵對深層含水層影響甚微，概化為第二類零流量邊界。

根據(jù)上述概念模型，將實際地下水流概化為三維非穩(wěn)定地下水系統(tǒng)，可用下述數(shù)學模型來描述：

3.2數(shù)值模型結構及其識別與檢驗

依據(jù)上述概念模型及數(shù)學模型，利用VisualModflowSEAWAT模塊建立數(shù)值模型并求解。研究區(qū)約長22.7km，寬19.2km，大地坐標X為20743737m～20766484m，Y為4118556m～4137727m，總陸地面積約220.23km2。受地層結構及其分布特征限制，將模型在垂直面上共分四層，對研究區(qū)進行100m×100m等間距剖分，東西向分227列，南北向分192行。

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，確定模型參數(shù)分區(qū)。第一層滲透系數(shù)K1為0.3433m/d，Ss取0.07；后三層K均取0.18m/d，Ss取0.01。模型側向徑流補給以pumpingwell形式加入模型，補給量按照達西定律計算所得。

將2016年3月～2017年3月作為模擬期模型的識別期，對比模擬計算水位與實際觀測水位值，進行多次調(diào)試，優(yōu)選參數(shù)，盡可能使結果與實測值誤差在允許范圍內(nèi)，監(jiān)測點擬合如圖4。模型計算所得地下水水位與實測水位基本擬合，誤差小于0.5m，符合精度要求（圖4）。

根據(jù)模型計算結果，在現(xiàn)有補給開采條件下，區(qū)內(nèi)地下水水均衡狀況（表1）處于正均衡狀態(tài)。

3.3模型預測

3.3.1預測方案

在識別驗證模型的基礎上，以標準海水中Cl-濃度19354mg/L加入到模型MT3DMS模塊，進行10年變密度非穩(wěn)定流模擬，預測正常用水條件下海水對區(qū)內(nèi)地下水造成的影響。結合當?shù)氐穆榷缺尘爸?，將海水與地下淡水互溶的咸淡水混合區(qū)和咸水區(qū)，統(tǒng)一劃分為海水入侵影響范圍，靠內(nèi)陸為淡水區(qū)，以氯度是否超過250mg/L作為判定標準，大于等于250mg/L區(qū)域為海水入侵影響區(qū)，小于250mg/L為淡水區(qū)。

3.3.2預測結果及分析

結果表明，360天后研究區(qū)內(nèi)海水入侵范圍為58.92km2，1000天后增大至64.57km2，3600天后為76.85km2?？梢姡斍皸l件下研究區(qū)海水入侵范圍仍然呈增加趨勢，但入侵速率逐年降低，3600天后速率由4.55km3/a衰減到0.88km3/a，海水入侵基本得到控制（表2）。

4.結論與建議

4.1結論

（1）現(xiàn)狀

當前研究區(qū)西北側渤海沿岸受海水入侵影響較為嚴重，沿海岸線呈線狀分布，向內(nèi)陸遞減，龍王河水系沿岸、大原工業(yè)區(qū)受影響較嚴重，呈點狀侵入，兩翼不斷呈面狀擴散。研究區(qū)受海水入侵影響總范圍約54.37km2，受影響程度從沿岸至內(nèi)陸呈階梯狀遞減。

（2）發(fā)展趨勢

根據(jù)VisualModflow建立的地下水數(shù)值模型的模擬情況，研究區(qū)未來10年受海水入侵的影響范圍仍在緩慢擴大，但速率呈衰退趨勢，可見區(qū)域海水入侵基本得到控制，在當前地下水均衡條件下，海水入侵速率逐漸衰減未來可能會出現(xiàn)負增長。海（咸）水入侵主要發(fā)生在以砂層、粘土層為主的孔隙水含水層中，對基巖裂隙水含水區(qū)和碳酸巖基巖裂隙水含水區(qū)的影響較小。

4.2建議

當前水均衡狀態(tài)下，該區(qū)海水入侵基本得到控制，這與控制地下水開采有密切關系，但該區(qū)受氣候、水文等因素制約，作為地下水主要補給來源的大氣降水隨季節(jié)、年際變化具有不均衡性，因此應合理規(guī)劃地下水開采，避免枯水期、枯水年份超采地下水使地下水位迅速下降而加劇海水入侵。此外，結合水文地質(zhì)條件建立地下水庫，采用帷幕注漿方法建立地下隔水屏障等方式均可以減緩地下水咸化。

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