大連典型海水入侵區(qū)地下水供水適宜性及合理利用對策

李 闖，倪 金，宋慶春，馬宏偉，吳銘杰，王福剛

（1.吉林大學地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室，長春130021；2.中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，沈陽110034；3.遼寧水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院有限公司，遼寧大連116037）

0 引 言

大魏家水源地作為大型近海地下水水源地，在大連市供水歷史上曾發(fā)揮過重要作用。20 世紀60年代以來，該地區(qū)大規(guī)模地下水開采引發(fā)了嚴重的海水入侵問題，因此大魏家水源地于2001年停止開采[1]。自水源地開采引發(fā)海水入侵至今，已經(jīng)有50多年之久。

該區(qū)海水入侵問題引起了相關單位的高度重視，1991-1994年大連市水務局[2]通過普查資料和野外監(jiān)測等明確了大魏家地區(qū)海水入侵的范圍并初步分析了海水入侵的機理，后期遼寧水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院[3]對該區(qū)30余年海水入侵的變化和趨勢進行了全面分析和介紹。2006年遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院[4]結合地下水位動態(tài)、地下水Cl-含量特征，分析了該區(qū)海水入侵水平和垂直方向的狀況。此外許多學者也對大魏家地區(qū)海水入侵問題展開了深入研究。武強等[5,6]對大魏家地區(qū)的海水入侵特征、機理和對策展開研究，通過對大魏家20年的地下水位、氯離子動態(tài)資料分析，認為導致該地區(qū)海水入侵的主因是地下水位的持續(xù)下降，同時發(fā)現(xiàn)該區(qū)地下水系統(tǒng)含水介質(zhì)滲透能力的差異和與海水水力連通程度，控制著海水入侵的發(fā)生模式。宋慶春等[1]對大魏家地區(qū)地質(zhì)構造特征、巖溶發(fā)育規(guī)律和地下水動力條件等方面進行分析，得出該區(qū)域海水入侵受地質(zhì)構造、巖溶發(fā)育和地下水過度開采等多種作用影響的結論。韓冬梅和楊吉龍等[7,8]通過分析大魏家地區(qū)地下水動力條件、水化學和同位素特征，提出了該區(qū)的水文地質(zhì)概念模型，對海水入侵過程中的水巖作用進行了定量分析，并判別了海水入侵的程度。趙長榮等[9]通過大量的水文地質(zhì)調(diào)查和水樣測試，分析了該區(qū)的水動力條件，并利用反向水文地球化學模擬揭示了研究區(qū)微咸水和咸水不是地下淡水與海水簡單混合而成，其中伴隨著方解石、蒙脫石和石膏的溶解作用、伊利石的沉淀作用以及Ca-Na離子交換作用。

綜上所述，關于大連典型海水入侵影響區(qū)大魏家地區(qū)海水入侵進行了較多研究，對海水入侵的范圍、程度和機理進行了不同角度的探究。但由于地下水水質(zhì)受多種因素影響，具有時變性特征，并且近年實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在大魏家水源地停采后，研究區(qū)內(nèi)仍有部分村屯將當?shù)氐叵滤鳛樯铒嬘盟?。另外，地下水是研究區(qū)目前主要經(jīng)濟作物—大櫻桃的唯一灌溉水來源。因此，查清當前地下水在開采-自然雙重因素影響下的海水入侵變化情勢，明確當前地下水質(zhì)量空間分布特征和水質(zhì)變化主要控制因素，提出針對性的對策建議，對于研究區(qū)地下水合理開發(fā)利用具有重要意義。

1 研究區(qū)概述

研究區(qū)大魏家地區(qū)位于大連市金州區(qū)西北部，距金州10 km，瀕臨渤海，總面積約為150 km2，多年的平均降水量約為662 mm。目前，全區(qū)將地下水作為農(nóng)業(yè)灌溉用水水源，距離5 km以外的內(nèi)陸區(qū)域同時將地下水作為生活供水水源。

研究區(qū)內(nèi)出露的地層主要有太古界變質(zhì)雜巖、元古界震旦系沉積巖地層、古生界寒武系、奧陶系和石炭系沉積巖地層和第四系松散沉積物組成的地層（圖1）。太古界地層分布于研究區(qū)東部，巖性主要為片麻巖，裂隙發(fā)育差，富水性差；震旦系地層分布于研究區(qū)中東部，主要為頁巖、石英砂巖、灰?guī)r，因巖性差異導致其富水性差異較大；寒武系、奧陶系、石炭系地層廣泛分布于研究區(qū)中部及沿海一帶，主要為灰?guī)r、白云巖、砂巖等，是地下水主要富水層位；第四系地層呈條帶狀、舌狀分布于大魏家一帶和和北部近海區(qū)域，厚度30～60 m，巖性為砂質(zhì)粘土、粘質(zhì)砂土、砂礫石等[10]。

由于研究區(qū)碳酸鹽巖廣泛分布、斷裂和裂隙交錯縱橫，使得區(qū)內(nèi)巖溶十分發(fā)育。根據(jù)地層的空間展布（圖2 和圖3）可知，當內(nèi)地地下水降落漏斗擴展到海岸帶時，海水會通過第四系發(fā)生面狀入侵，或者沿斷裂、裂隙、巖溶管道通過碳酸鹽巖地層向內(nèi)陸入侵[6]。

2 研究區(qū)海水入侵歷史演化過程分析

前期研究已經(jīng)證實了當?shù)睾Ｋ肭脂F(xiàn)象是由于地下水的大規(guī)模開采引起的，因此對海水入侵動態(tài)過程的分析需結合地下水的開采情況進行。1968-2001年，由于大魏家水源地的存在，研究區(qū)地下水開采主要為大連市供水，2001年至今其地下水開采主要為滿足當?shù)厣a(chǎn)生活需要。在這50 余年中，研究區(qū)地下水開采特征可分為無限制開采期、季節(jié)性開采期、因干旱加大開采期和控制開采期共4 種類型[1]。為查清當?shù)氐叵滤煌_采量對海水入侵的影響，現(xiàn)將大魏家鎮(zhèn)附近區(qū)域1991-2012年海水入侵面積、距離和1966-2010年地下水Cl-含量歷史數(shù)據(jù)[1,7-9]進行整理，同時結合2018年和2019年兩期研究區(qū)海水入侵調(diào)查數(shù)據(jù)（監(jiān)測點位置見圖4）繪制海水入侵范圍和地下水Cl-含量歷史趨勢圖（圖5）。

如圖5 所示，1968-1983年，由于地下水無限制開采，研究區(qū)地下水Cl-含量明顯增大，最大可達1 158 mg/L；1983-1991年，地下水開采方式改為季節(jié)性開采，研究區(qū)地下水中Cl-含量迅速減小。從Cl-含量的變化可以推斷1968-1991年研究區(qū)海水入侵面積和距離整體處于先增大后減小的趨勢。1991-1994年因干旱加大地下水開采量，研究區(qū)海水入侵面積、距離和地下水中Cl-含量均增大；1994-1998年因研究區(qū)開始控制地下水開采，所以緩解了其海水入侵程度；1998-2004年再一次因干旱加大地下水量，之前已得到控制并出現(xiàn)下降的海水入侵面積和地下水Cl-含量都出現(xiàn)了大幅增長，最大入侵面積可達54 km2，最大入侵距離約4 km；2004年之后，隨著地下水開采量的下降，海水入侵趨勢再一次得到控制。所以研究區(qū)海水入侵面積、距離和地下水Cl-含量變化與地下水不同時期的開采行為相關性顯著，在地下水開采量增大的階段，研究區(qū)海水入侵程度加重。

為明確研究區(qū)海水入侵當前狀態(tài)，2018年和2019年連續(xù)對研究區(qū)地下水進行了樣品采集與測試（2018年采集地下水樣品17 組，2019年采集樣品35 組）。根據(jù)水樣測試數(shù)據(jù)中Cl-含量，以Cl-含量大于300 mg/L 劃分海水入侵區(qū)，繪制當前研究區(qū)海水入侵狀態(tài)圖（圖6）。由圖6可知，研究區(qū)目前海水入侵趨勢被有效控制，僅近海區(qū)域存在入侵現(xiàn)象，最大入侵距離約3 km。

3 研究區(qū)地下水供水適宜性及水質(zhì)演化主控要素分析

3.1 研究區(qū)地下水質(zhì)量現(xiàn)狀及供水適宜性分析

研究區(qū)大魏家集中供水水源地自2001年停止開采，不再作為大連市供水水源地[1]。據(jù)野外實際調(diào)查，目前區(qū)內(nèi)地下水開采主要用于農(nóng)田果園灌溉和部分村屯生活飲用等。為查明當前地下水質(zhì)量的空間分布特征，基于最近一次（2019年）研究區(qū)地下水樣品（采樣點分布見圖6）測試結果，針對性地進行研究區(qū)地下水用于生活飲用與農(nóng)業(yè)灌溉的適宜性分析。

將研究區(qū)地下水樣品測試結果與地下水質(zhì)量標準（GB/T 14848-2017）中Ⅲ類水各離子限值比較，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)近海區(qū)域地下水中Cl-含量、Na+含量和TDS均較高；內(nèi)陸絕大部分區(qū)域地下水中NO3-含量超標。所以目前研究區(qū)地下水整體化學組分含量偏高，水質(zhì)狀況較差。

由于將測試結果直接與標準限值比較可能存在水質(zhì)類別劃定邊界模糊和單種離子對整體水質(zhì)影響程度不同的問題，為此本文將在內(nèi)梅羅指數(shù)法、綜合指數(shù)法、模糊綜合評價法、集對分析法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法等[11-15]眾多地下水質(zhì)量評價方法中選擇模糊綜合評價法對研究區(qū)地下水質(zhì)進行評價來消除上述問題帶來的影響?；谒|(zhì)測試結果分析，同時考慮研究區(qū)受海水入侵、人類活動影響，選定Cl-、TDS、SO42-、NO3-、總硬度5個代表性指標作為評價因子。由于地下水質(zhì)量標準（GB/T 14848-2017）中將Ⅲ類水限值（Cl-＜250 mg/L、TDS＜1 000 mg/L、SO42-＜250 mg/L、NO3-＜88 mg/L、總硬度＜450 mg/L）視為直接生活飲用的最低標準，所以以此為基準并按下列公式對5個評價因子賦予權重值[16,17]：

式中：Sj為Ⅲ類水中第j個評價因子的限定值；Cij為第i個水樣的第j個評價因子的實測值；Wij為第i個水樣的第j個評價因子的權重值。

該權重賦值方法可以將相同評價因子在不同成分水樣中賦予不同的權重值，具有較強的客觀性。如將點S01 水樣中Cl-（396 mg/L）、TDS（953 mg/L）、SO42-（113 mg/L）、NO3-（14.2 mg/L）和總硬度（190 mg/L）與其對應限值作比得到Qj為1.584、0.953、0.452、0.161、0.422，根據(jù)式(2)計算權重值W11=0.443、W12=0.267、W13=0.127、W14=0.045、W15=0.118，即在點S01 水樣中Cl-、TDS、SO42-、NO3-、總硬度的權重值分別為0.443、0.267、0.127、0.045、0.118。同理可計算其他34 組水樣中不同評價因子的權重值。

根據(jù)模糊綜合評價的結果，繪制研究區(qū)地下水生活飲用供水適宜性分區(qū)圖（圖7）。如圖7所示，研究區(qū)絕大部分區(qū)域為地下水較不適宜飲用和不適宜飲用區(qū)。

研究區(qū)地下水是當?shù)刂饕?jīng)濟作物大櫻桃的主要灌溉用水。考慮到用受海水入侵影響的地下水進行農(nóng)業(yè)灌溉，會導致土壤鹽分累計而使果樹減產(chǎn)甚至死亡?；?019年采集水樣測試結果，進行研究區(qū)地下水用于農(nóng)業(yè)灌溉的適宜性評價。在評價過程中，考慮作物對土壤累積鹽分的耐受程度和水質(zhì)對土壤滲透性的影響[18]，分別采用灌溉系數(shù)法和鈉吸附比值法進行評價。評價結果（圖8）顯示，研究區(qū)近海區(qū)域（最遠可達內(nèi)陸4 km 處）地下水水質(zhì)較差，多不太適用于農(nóng)業(yè)灌溉；其他區(qū)域地下水均可用于農(nóng)業(yè)灌溉。

3.2 研究區(qū)地下水質(zhì)量演化主控要素分析

地下水質(zhì)量演化主要受自然因素（氣象、水文、含水層特征、水動力特征）和人為因素（污染、農(nóng)業(yè)施肥、農(nóng)藥、開采地下水）的影響。根據(jù)研究區(qū)地下水用于生活飲用和農(nóng)業(yè)灌溉的適宜性評價結果可知，研究區(qū)近海區(qū)域，地下水不適于生活飲用，用于農(nóng)業(yè)灌溉存在引發(fā)土壤鹽漬化的風險。該區(qū)域與研究區(qū)海水入侵區(qū)基本重合，說明該區(qū)域地下水質(zhì)量較差的主要原因是受海水入侵影響。此外，通過生活飲用水供水適宜性評價結果可知，研究區(qū)遠離海岸的內(nèi)陸區(qū)域地下水雖然不受海水入侵影響，但仍不適于生活飲用。下面將對這種現(xiàn)象的原因及主控要素進行分析。

3.2.1 水質(zhì)演化的自然要素分析

研究區(qū)整體地形東高西低，呈向西北傾斜的趨勢。在圖9中，AB 線和CD 線區(qū)域整體背斜成山，地勢較高。結合圖1和圖2 可知，AB 線一帶是一套傾角較陡的寒武系背斜構造的灰?guī)r地層和震旦系阻水、弱透水的頁巖、泥巖、砂巖地層；CD線一帶是一套寒武系阻水頁巖和透水灰?guī)r地層，地層主體巖性雖然為灰?guī)r，但從地質(zhì)構造上看，該帶狀分布區(qū)域為一套東南-西北走向的背斜形成的正地形，山體面積較大，在降水補給為主要補給源的成因條件下，地形控水和地質(zhì)構造控水共同控制地下水的流動。所以AB 線和CD 線均可視為地下水流動系統(tǒng)的邊界。研究區(qū)東部為地形較高的太古界變質(zhì)巖弱含水地層，可構成地下水流動系統(tǒng)的東部邊界?；谏鲜龇治?，研究區(qū)地下水流動系統(tǒng)可劃分為北部、中部、南部3個流動子系統(tǒng)（見圖9）。

根據(jù)2019年野外地下水位測量數(shù)據(jù)，繪制研究區(qū)地下水位等值線（圖9）。由3個流動子系統(tǒng)的地下水位分布，結合研究區(qū)碳酸鹽的地層分布和構造裂隙發(fā)育特征，可得出研究區(qū)地下水的整體情勢呈現(xiàn)由內(nèi)陸向海的淡水排驅(qū)咸水的趨勢。入侵影響區(qū)的地下水處于逐漸淡化的狀態(tài)。楊吉龍等[8]發(fā)現(xiàn)在某些部位，含水層中形成的混合咸水并沒有被明顯排出含水層，這是由于裂隙巖溶空隙介質(zhì)的非均質(zhì)性影響，入侵的咸水被滯留于半封閉的非均質(zhì)空隙空間中形成的結果。

在處于斷裂帶附近的東田村（圖9 中S11）、小朱家（圖9中S28）和老母架村（圖9 中S29）實地地下水調(diào)查中獲悉，當這些部位大量開采地下水時，相應部位地下水迅速變咸，結合這些部位的斷裂分布和與海岸的距離分析，這些部位的深部地下巖溶層中存在著與海水溝通良好的優(yōu)勢通道，當內(nèi)陸局部區(qū)域大量開采地下水時，地下水位的快速下降導致海水通過斷裂、裂隙及巖溶管道等優(yōu)勢通道向內(nèi)陸快速入侵。

另外，利用Piper 三線圖分析地下水化學組成特點，采用舒卡列夫分類法對地下水化學類型進行劃分。由Piper 圖（圖10）可以看出，海水水化學類型與地下水明顯不同，表現(xiàn)為Cl-Na 型。地下水水化學類型表現(xiàn)出多樣性，大部分為Cl-Ca或Ca/Mg 型，Cl-為主要陰離子，指示著其可能受到海水混合的影響。

將研究區(qū)地下水中Na+、Ca2+與Cl-進行當量比值計算結果如圖11 所示，部分淡水的Na+/Cl-當量比值接近于1 或理論海水混合線，微咸水中Na+/Cl-當量比值小于1，其中S01、S13、S14、S16、S18、S19、S32、S34 點位明顯偏離理論海水混合線[圖11(a)]，表明地下水中可能發(fā)生陽離子交換作用[9]。海水入侵陸相沉積物時，Na+和Ca2+之間常發(fā)生交換作用，地下水中Na+被巖土中礦物所吸附，置換Ca2+進入含水層，導致含鹽量增加的樣品中Ca2+含量也增加[圖11(b)]。以上分析說明海水入侵是造成研究區(qū)大部分地下水質(zhì)較差的要素之一。

3.2.2 人為要素分析

圖7 中內(nèi)陸較不適宜和不適宜飲用區(qū)的地下水樣品中，NO3-作為生活飲用水適宜性評價的重要參評因子，其對水質(zhì)的適宜性結果影響程度顯著。結合研究區(qū)地質(zhì)條件和人類活動分析，地下水中的NO3-是由于農(nóng)業(yè)活動（施肥）造成的。研究區(qū)遍布農(nóng)田、果園，農(nóng)業(yè)氮肥的大量施用，使得土壤中的氮素在灌溉和降水淋濾作用下，向下遷移進入下部含水層，造成地下水硝酸鹽含量偏高。

另外，開采鹽度較大的地下水灌溉內(nèi)陸農(nóng)田、果園，也會對內(nèi)陸區(qū)域地下水水質(zhì)造成一定影響。如位于老母架村（圖7中S29）山坡上櫻桃園，長期從近海區(qū)域采用罐車運輸鹽度較大(普遍大于1.7 g/l）的地下水進行灌溉，導致大櫻桃樹枯萎。因此，在內(nèi)陸水質(zhì)較差的區(qū)域，地下水水質(zhì)演化的主控要素包括農(nóng)業(yè)施肥活動和灌溉水鹽度較大兩個方面。

綜上所述，目前研究區(qū)地下水質(zhì)量總體處于淡水排驅(qū)咸水的過程，但在局部地段，地下水的大量開采用于農(nóng)田灌溉，使得地下水位降幅較大，在存在優(yōu)勢通道的情況下，仍可能造成局部的海水入侵影響。遠離海岸的內(nèi)陸區(qū)域地下水水質(zhì)主要受農(nóng)業(yè)施肥和鹽度較大的地下水灌溉影響。研究區(qū)地下水整體已不適宜用于生活飲用，但大部分地區(qū)用于農(nóng)業(yè)灌溉還是有安全保障的。

4 地下水利用對策

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，研究區(qū)近海區(qū)域村屯因地下水受海水入侵影響，已不再用于生活飲用，而在內(nèi)陸的非海水入侵影響區(qū)，大部分村屯仍使用地下水作為生活飲用水。鑒于內(nèi)陸地下水較不適宜和不適宜飲用區(qū)的地下水中NO3-含量超標，人體長期飲用具有較高的致癌風險，建議這些區(qū)域停止使用地下水作為生活飲用水源，同時要從源頭控制污染，控制農(nóng)藥化肥用量，并且避免用鹽度較大的地下水進行果園和農(nóng)田灌溉。目前研究區(qū)地下含水層整體處于淡水驅(qū)替咸水的狀態(tài)，有利于近海不適宜飲用區(qū)地下咸水轉化為淡水，所以建議研究區(qū)保持或減小目前地下水開采量，防止海水再次入侵。

在農(nóng)田灌溉方面，研究區(qū)目前基本將地下水作為農(nóng)業(yè)灌溉唯一水源，考慮到研究區(qū)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，其中大櫻桃更是主要經(jīng)濟作物，建議停止開采農(nóng)業(yè)灌溉用水不太適宜的近海區(qū)域的地下水，以免造成灌溉區(qū)土壤鹽漬化，影響作物產(chǎn)量。此外，在水質(zhì)較差區(qū)域和存在地下優(yōu)勢流的局部地帶，應監(jiān)測地下水質(zhì)的動態(tài)變化，根據(jù)水質(zhì)變化，合理調(diào)整地下水開采量。

5 結 論

（1）分析了大魏家地區(qū)20世紀60年代以來50余年海水入侵歷史動態(tài)變化過程，明確了當前地下水整體處于淡水驅(qū)排咸水的情勢。結合近年地下水樣品測試結果，分析并確定了當前海水入侵影響范圍為海岸線3～4 km的近海區(qū)域。

（2）基于最近的水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，從供水適宜性角度評價了地下水作為生活飲用水和農(nóng)業(yè)灌溉水的適宜性。結果顯示，研究區(qū)近海區(qū)域地下水既不適用于生活飲用也不適用于農(nóng)業(yè)灌溉；研究區(qū)內(nèi)陸地下水適用于農(nóng)業(yè)灌溉，但大部分不適用于生活飲用。

（3）結合地質(zhì)條件、地下水流動系統(tǒng)特征、農(nóng)業(yè)活動和地下水開采行為，分析了研究區(qū)不同區(qū)域地下水質(zhì)量的控制因素。近海區(qū)域地下水主要受海水入侵咸化的影響；內(nèi)陸區(qū)域，水質(zhì)較差的地帶主要受農(nóng)業(yè)施肥和灌溉活動影響。

（4）結合當前研究區(qū)地下水利用現(xiàn)狀，提出了不同區(qū)域地下水利用對策。對于近海的海水入侵影響區(qū)，要嚴格控制地下水開采活動；遠離海岸的內(nèi)陸非海水入侵區(qū)，要嚴格控制農(nóng)業(yè)施肥和劣質(zhì)地下水的灌溉對地下水的影響。建議停止將內(nèi)陸飲用水不適宜區(qū)的地下水作為生活飲用水源，并監(jiān)測地下水質(zhì)的動態(tài)變化，為當?shù)鼐用竦娜梭w健康提供保障。

致謝：本文基礎地質(zhì)資料主要由中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心和遼寧水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院有限公司提供，在此表示感謝！