天津?yàn)I海核心區(qū)潛水分布及其特性研究

溫偉光 路 清 劉曉磊，2 王 輝，2 宋文靜，2

（1.天津市勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300191；2.天津泰勘工程技術(shù)咨詢有限公司，天津 300191）

0 引言

潛水是天津地區(qū)普遍存在的地下水類型之一，對生產(chǎn)生活、城市環(huán)境和發(fā)展影響很大；潛水水位上升會(huì)使地基土層含水量增加，降低承載力，造成建筑物沉降加大，局部道路損壞，影響地下建（構(gòu)）筑物的使用功能和使用年限，潛水水位下降易引起海（咸）水入侵，使水質(zhì)惡化、地面沉降加大。天津?yàn)I海新區(qū)位于渤海之濱，地質(zhì)條件復(fù)雜，不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，古河道、溝坑、洼淀眾多，地基土層工程性質(zhì)差。隨著城區(qū)的快速發(fā)展和海綿城市建設(shè)的興起，建設(shè)項(xiàng)目對場地地質(zhì)環(huán)境條件提出了更高的要求，規(guī)劃和建設(shè)中，地下潛水水位、水質(zhì)變化引起的工程問題越來越突出。

天津市勘察院1979年開始建立以天津市區(qū)為中心的潛水觀測系統(tǒng)，開展?jié)撍^測工作，對潛水水位動(dòng)態(tài)發(fā)育分布規(guī)律、潛水水質(zhì)以及腐蝕性等進(jìn)行重點(diǎn)研究分析，為天津市及濱海新區(qū)的總體規(guī)劃、地下空間規(guī)劃以及各層次專項(xiàng)規(guī)劃編制提供了依據(jù)[1]。高志鵬等[2]根據(jù)地下水位埋深、降雨、蒸發(fā)、地下水開采等資料，定量分析了地下水位埋深的趨勢性變化、地下水位動(dòng)態(tài)變化特征以及不同影響因素對地下水動(dòng)態(tài)變化的影響；王凱燕等[3]選用了天津地區(qū)89 個(gè)觀測井的月地下水埋深，基于Mann-Kendall 法研究了地下水埋深的變化趨勢、探討了影響地下水埋深的相關(guān)因素；徐 源等[4]通過對天津?yàn)I海新區(qū)地下潛水水分析結(jié)果及土的易溶鹽試驗(yàn)結(jié)果對比分析，評價(jià)了濱海新區(qū)地下潛水及土對建筑材料的腐蝕性，為工程建設(shè)中場地勘察及腐蝕性評價(jià)提供了參考。

自20世紀(jì)90年代，天津地區(qū)地下潛水的發(fā)育分布規(guī)律、水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、補(bǔ)徑排條件、水位動(dòng)態(tài)變化影響因素分析、水質(zhì)分析以及腐蝕性分析研究從未間斷[5-14]，研究成果對天津地區(qū)的城市建設(shè)和發(fā)展起到了重要作用，但多數(shù)研究具有顯著的時(shí)效性和區(qū)域性，對指導(dǎo)濱海核心區(qū)工程及海綿城市建設(shè)意義不明顯。濱海核心區(qū)為高度開放的現(xiàn)代化港口城市標(biāo)志區(qū)、濱海新區(qū)綜合服務(wù)功能區(qū)和新興產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)，對其開展地下潛水空間分布及其特性研究意義重大。

1 研究區(qū)概況

濱海核心區(qū)屬天津市濱海新區(qū)，西起濱海新區(qū)與東麗區(qū)、津南區(qū)交界線，東至渤海灣天津港，北起天津經(jīng)濟(jì)開發(fā)西區(qū)，南至津晉高速（見圖1）。地貌形態(tài)有海積沖積低平原、海積低平原，地勢總體較平坦、起伏不大，坡度1/10000～1/5000，地面標(biāo)高1.0～3.5 m。根據(jù)地下水賦存條件、水動(dòng)力特征、水質(zhì)特征及地下水開發(fā)利用條件等因素，濱海核心區(qū)潛水屬于淺層含水系統(tǒng)中第Ⅰ含水巖組，含水介質(zhì)為沖積、海積的黏性土、粉土、淤泥質(zhì)黏土和粉砂等，與下部承壓水以Q41h 層黏性土及Q41al 層頂部黏性土為相對隔水底板，底板埋深約15～24 m，水質(zhì)以咸水和鹽水為主。

圖1 濱海核心區(qū)位置示意圖

2 潛水的發(fā)育分布情況

2.1 潛水含水層的空間分布

潛水一般指地面下第一個(gè)穩(wěn)定隔水層以上飽水帶中具有自由水面的地下水；在濱海核心區(qū)內(nèi)潛水含水層一般以第Ⅰ陸相層沼澤相沉積層（第⑦成因?qū)樱楦羲吔?。潛水水位埋藏深度較淺，多分布在Q43Nal 層、Q41al 層以及Q42m 層粉土等富水層中；其中Q43Nal 粉土富水層屬新近沉積層，為古河道洼淀沖積，是濱海地區(qū)成陸之后于河漫灘、沖積扇、古河道、洼地等所堆積的土層；Q41al 粉土富水層屬第Ⅰ陸相層，屬河床-河漫灘相沉積，是全新世晚期河流沖積形成的土層；Q42m 粉土富水層屬第Ⅰ海相層，屬淺海相沉積，是全新世中期第六次海侵（黃驊海侵）沉積的土層。濱海核心區(qū)潛水分布的主要土層見表1。

表1 濱海核心區(qū)潛水分布的主要土層

濱海核心區(qū)潛水含水層的透水性與富水層的空間發(fā)育分布密切相關(guān)，且潛水富水層的厚度決定了潛水含水層的調(diào)蓄能力。依據(jù)天津市海綿城市實(shí)踐路徑相關(guān)研究成果，繪制研究區(qū)潛水富水層新近沉積粉土③2、上部陸相沉積粉土④2及淺海相沉積粉土⑥3厚度分布圖（見圖2）。

圖2 濱海核心區(qū)潛水富水層分布及厚度分區(qū)圖

可以看出濱海核心區(qū)潛水富水層分布并不連續(xù)，在天津港、街心公園等地區(qū)缺失；厚度一般小于6 m，多數(shù)地區(qū)小于3 m。受缺失區(qū)影響，濱海核心區(qū)潛水富水層厚度分布無明顯規(guī)律，天津國際物流中心以及泰達(dá)公園以北地區(qū)潛水富水層厚度較大，一般大于3 m。

2.2 潛水含水層的透水性

由于潛水含水層具有獨(dú)特的孔隙儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)和孔隙支撐架構(gòu)，且在一地深度范圍內(nèi)飽水帶和包氣帶相互轉(zhuǎn)化，從而具有較強(qiáng)的吸水能力和給水能力，是典型的地下“海綿體”，可以起到補(bǔ)給和涵養(yǎng)地下水資源的作用。潛水含水層的透水性能直接決定了含水層的傳輸能力；通常表征潛水含水層透水性能的參數(shù)主要是滲透系數(shù)，可通過滲水試驗(yàn)確定。

2.2.1 雙環(huán)滲水試驗(yàn)原理

在一定的水文地質(zhì)邊界以內(nèi)，向地表松散土層進(jìn)行注水，當(dāng)滲入水量趨于穩(wěn)定時(shí)，可按式（1）計(jì)算滲透系數(shù)k。

式中：k為滲透系數(shù)，m/d；Q為穩(wěn)定的滲入水量，m3/d；F為試坑（內(nèi)環(huán)）滲水面積，m2；Z為試坑（內(nèi)環(huán)）中水層厚度，m；HK為毛細(xì)壓力，m；l為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)水的滲入深度，m。

2.2.2 雙環(huán)滲水試驗(yàn)結(jié)果

為查清濱海地區(qū)潛水含水層的透水能力，統(tǒng)計(jì)了64 項(xiàng)工程的現(xiàn)場滲水試驗(yàn)資料（見圖3）。濱海地區(qū)潛水含水層的滲透系數(shù)一般為0.1～0.6 m/d，最大為0.74 m/d。

圖3 濱海地區(qū)潛水含水層滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)

為更直觀地分析濱海核心區(qū)潛水含水層的透水性，基于上述現(xiàn)場滲水試驗(yàn)資料，通過Kriging 插值得到濱海核心區(qū)潛水滲透系數(shù)等值線分區(qū)圖（見圖4）。

圖4 濱海核心區(qū)潛水含水層透水性分區(qū)圖

插值結(jié)果表明：濱海核心區(qū)潛水含水層滲透系數(shù)一般在0.1～0.6 m/d，與圖4 統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致，為弱透水性。研究區(qū)潛水含水層透水性差別較大，總體上北部泰達(dá)物流園、天津國際物流中心等地潛水含水層透水性相對較大，滲透系數(shù)一般大于0.4 m/d；南部大部分地區(qū)潛水含水層透水性相對較小，滲透系數(shù)一般小于0.2 m/d。

3 潛水水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

選取天津市潛水水位觀測系統(tǒng)中位于濱海核心區(qū)的15 口潛水觀測井，整理2014-2018年實(shí)測最高、最低及平均水位數(shù)據(jù)，剔除異常值，分析研究區(qū)潛水水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

3.1 潛水水位現(xiàn)狀

濱海核心區(qū)地貌形態(tài)主要為海積沖積低平原、海積低平原，地勢低平，地面標(biāo)高一般為1.0～3.5 m，多鹽灘、鹽水沼澤和濕地。多年來受人為吹填造陸影響，濱海核心區(qū)地勢總體東高西低，東部天津港附近吹填地面標(biāo)高多為3.0～4.0 m，對該區(qū)的地下潛水發(fā)育分布影響較大。一般來說，地形地貌是地下潛水動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)條件，控制著地下水位的埋深；濱海核心區(qū)的地勢起伏與地下水位波動(dòng)正相關(guān)，地勢高的區(qū)域通常地下水位較高，地勢低的區(qū)域通常地下水位低。圖5 為濱海核心區(qū)地貌分區(qū)與地下潛水平均水位分布圖，可以看出，濱海核心區(qū)2018年地下潛水地下水平均水位標(biāo)高一般為0.2～3.0 m，除個(gè)別地區(qū)受局部地形影響外，其最高水位標(biāo)高變化趨勢總體與地形地貌及地勢高低變化趨同。

圖5 濱海核心區(qū)地貌分區(qū)與地下潛水平均水位分布圖

此外，濱海核心區(qū)2018年地下潛水最高水位標(biāo)高一般為0.4～3.8 m，受地形地貌及地面標(biāo)高影響，除核心區(qū)東北部泰達(dá)物流園區(qū)域外，濱海核心區(qū)2018年地下水最高水位標(biāo)高總體上自西向東逐漸增大；最高處位于天津港附近，局部大于3.8 m，最低處位于濱海核心區(qū)西南部郝家沽附近，多小于0.4 m。地下水最低水位標(biāo)高一般為-0.2～2.8 m，除濱海西站東南部、泰達(dá)物流園周邊地下水最低水位標(biāo)高變化無明顯規(guī)律外，總體上自西向東逐漸增大；最低處位于濱海核心區(qū)西南部郝家沽附近，多小于-0.2 m。

3.2 潛水水位年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化情況

為查清濱海核心區(qū)潛水水位年內(nèi)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，統(tǒng)計(jì)2014-2018年5年間濱海核心區(qū)地下潛水最高、最低及平均水位值，并記錄出現(xiàn)月份（見表2）。

表2 濱海核心區(qū)2014-2018年潛水水位統(tǒng)計(jì)表

據(jù)表2 可知濱海核心區(qū)地下潛水水位隨季節(jié)變化呈現(xiàn)一定的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，近5年最高水位均出現(xiàn)在豐水期的8月；最低水位多出現(xiàn)在2-3月。為直觀顯示該地區(qū)地下潛水水位的動(dòng)態(tài)變化，查清大氣降水對潛水水位變化的影響，統(tǒng)計(jì)濱海核心區(qū)2014年大氣降雨量，并結(jié)合該區(qū)2014年15 口觀測井月平均觀測水位，繪制該區(qū)大氣降雨量與潛水水位動(dòng)態(tài)變化關(guān)系圖（見圖6）?？芍獮I海核心區(qū)地下潛水受大氣降水影響明顯，水位動(dòng)態(tài)基本與氣象周期一致，最高水位（2.01 m）出現(xiàn)在夏季豐水期的8月，最低水位（1.54 m）出現(xiàn)在2月；2014年年內(nèi)最大變幅0.47 m。

圖6 大氣降雨量與潛水水位動(dòng)態(tài)變化關(guān)系圖（2014年）

3.3 潛水水位年際變化情況

3.3.1 近5年（2014-2018年）濱海核心區(qū)潛水水位總體情況

濱海核心區(qū)近5年地下水最高水位標(biāo)高一般為0.8～4.4 m，受地形地貌及地面標(biāo)高影響，總體上自西向東逐漸增大；最高處位于天津港東部地區(qū)，多大于4.4 m，最低處位于濱海核心區(qū)西南角郝家沽附近，多小于0.8 m。最低水位標(biāo)高一般為-0.6～2.2 m，除濱海西站東南部、泰達(dá)物流園西部地區(qū)地下水最低水位標(biāo)高變化無明顯規(guī)律外，總體上自西向東逐漸增大；最高處位于天津港東部緊鄰渤海灣地區(qū)，多大于2.2 m，局部大于2.4 m，最低處位于濱海核心區(qū)西南郝家沽及其以西地區(qū)，多小于-0.6 m。地下水平均水位標(biāo)高一般為0.2～3.2 m。

3.3.2 近5年（2014-2018年）濱海核心區(qū)潛水水位變化情況

對15 口潛水觀測井實(shí)測資料進(jìn)行整理分析，統(tǒng)計(jì)了濱海核心區(qū)2014-2018年地下水水位年變幅以及近5年地下水水位最大變幅（見表3）。選取濱海核心區(qū)2014-2018年各年度最高水位標(biāo)高、最低水位標(biāo)高和平均水位標(biāo)高，繪制濱海核心區(qū)2014-2018年潛水年際動(dòng)態(tài)變化圖（見圖7）。

圖7 2014-2018年濱海核心區(qū)潛水年際動(dòng)態(tài)變化圖

表3 2014-2018年濱海核心區(qū)潛水水位年變幅情況

通過表3 可以看出，2014-2018年濱海核心區(qū)潛水最高水位年際變幅一般為0.02～0.25 m，最低水位年際變幅一般為0.01～0.23 m，平均水位年際變幅一般為0.03～0.09 m，地下水位整體年際變化較?。蛔罡咚?、最低水位及平均水位的近5年最大變幅分別為0.36 m、0.24 m、0.17 m，整體變化不大，且無明顯變化規(guī)律。結(jié)合圖7 可以看出，近5年濱海核心區(qū)地下潛水水位年內(nèi)變幅較大，自2015年以來濱海核心區(qū)地下潛水水位年內(nèi)變幅一般均大于0.20 m，且地下水水位年內(nèi)變幅有逐漸變大的趨勢。

此外，依據(jù)圖7 可以看出，除個(gè)別年份略有波動(dòng)外，2014-2018年濱海核心區(qū)潛水最高水位整體有上漲趨勢，漲幅在0.3 m 左右；近5年最低水位及平均水位變化趨勢基本一致，整體上2013-2016年地下潛水水位略有上升，2017-2018年地下潛水水位逐漸下降；至2018年濱海核心區(qū)潛水最低水位及平均水位與2014年基本持平，分別為1.63 m 和1.87 m。

潛水水位動(dòng)態(tài)變化是氣象、水文、地質(zhì)、地形以及人類活動(dòng)綜合影響的結(jié)果，主要受大氣降水、人工開采、地形地貌、區(qū)域巖性、氣象等因素的綜合影響。有研究表明[1]，天津地區(qū)潛水水位年動(dòng)態(tài)變化與大氣降水量呈明顯的正相關(guān)，一般平均年潛水水位相對穩(wěn)定，豐水年水位上升，枯水年水位下降，即近5年濱海核心區(qū)降水量的多少直接造成了本區(qū)域地下潛水水位的波動(dòng)；據(jù)圖7，濱海核心區(qū)平均水位自2016年開始逐漸降低，這多與天津?yàn)I海地區(qū)淺層地下水開采量增加有關(guān)。此外，該區(qū)東部天津港、東疆港等地區(qū)的吹填造陸，直接提升了該區(qū)域的地面標(biāo)高，可能是導(dǎo)致近5年最高水位標(biāo)高逐漸增高的原因。

4 潛水水質(zhì)情況

4.1 濱海核心區(qū)潛水水質(zhì)

據(jù)2014-2018年濱海核心區(qū)各年實(shí)測水質(zhì)簡分析資料，6 種離子（K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-）濃度以及總硬度、總堿度、總酸度、游離CO2、總礦化度和pH 指標(biāo)的最大、最小及平均值見表4。

據(jù)表4 可知，有9 項(xiàng)指標(biāo)含量（除HCO3-、總堿度、pH 值）的最小值出現(xiàn)在2016年，5 項(xiàng)指標(biāo)含量（K++Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、總礦化度）的最大值出現(xiàn)在2017-2018年，4 項(xiàng)指標(biāo)含量（Ca2+、總硬度、總酸度、游離CO2）的最大值出現(xiàn)在2014-2015年，表明濱海核心區(qū)潛水水質(zhì)以2016年為分界線，近5年簡分析主要指標(biāo)整體上先減小后增大，水質(zhì)狀況總體仍較差。造成濱海核心區(qū)水質(zhì)較差的原因較多，其中大氣蒸發(fā)量和工業(yè)廢棄物的排放對其影響較大。

表4 2014—2018年濱海核心區(qū)潛水水質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

4.2 濱海核心區(qū)潛水腐蝕性評價(jià)

按《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2001）有關(guān)腐蝕性評價(jià)要求，對混凝土結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋進(jìn)行了腐蝕性評價(jià)[15]，評價(jià)結(jié)果見圖8、圖9。

圖8 干濕交替環(huán)境下潛水對砼的腐蝕性

圖9 干濕交替環(huán)境下潛水對砼中鋼筋的腐蝕性

可以看出，濱海核心區(qū)地下潛水在干濕交替環(huán)境下對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性基本全部為弱腐蝕，僅在南開村附近零星存在微腐蝕地區(qū)；地下潛水對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性多為中等腐蝕，僅泰達(dá)物流園西部及天津港南部地區(qū)為弱腐蝕。

5 結(jié)論

（1）濱海核心區(qū)潛水含水層一般以第Ⅰ陸相層沼澤相沉積層（第⑦成因?qū)樱楦羲吔?，潛水水位埋藏深度較淺，多分布在Q43Nal 層、Q41al 層以及Q42m 層粉土等富水層中，厚度一般小于6 m；其潛水含水層的滲透系數(shù)一般在0.1～0.6 m/d，為弱透水性。

（2）受大氣降水影響，濱海核心區(qū)潛水水位年內(nèi)動(dòng)態(tài)隨季節(jié)變化呈現(xiàn)一定規(guī)律；近5年最高水位均

出現(xiàn)在豐水期的8月，最低水位多出現(xiàn)在2-3月；除個(gè)別年份略有波動(dòng)外，近5年年濱海核心區(qū)潛水最高水位整體有上漲趨勢，漲幅在0.3 m 左右。

（3）濱海核心區(qū)地下潛水水質(zhì)近5年主要指標(biāo)整體趨勢先減小后增大，水質(zhì)狀況總體較差；其在干濕交替環(huán)境下對混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性基本全部為弱腐蝕，對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性多為中等腐蝕。