秦皇島昌黎縣海水入侵時(shí)空變化特征

連晨艷， 張耀文， 程國(guó)勝， 遲寶明， 趙 倩

(1. 防災(zāi)科技學(xué)院， 河北 三河 065201； 2. 北京中礦博能生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究院有限公司， 北京 101300；3. 河海大學(xué)， 江蘇 南京 211100)

0 引言

濱海地區(qū)海水入侵程度的空間分布研究有助于人們認(rèn)識(shí)海水入侵的形成機(jī)理，是生產(chǎn)生活用水的重要參考依據(jù)[1-2]。在沿海地帶，由于缺乏對(duì)地下水形成演化規(guī)律的正確認(rèn)識(shí)，過(guò)量抽取地下水，破壞了濱海地帶地下水的循環(huán)過(guò)程，從而造成區(qū)域地下水位下降，引發(fā)海水入侵災(zāi)害[3]。海水入侵作為一種地質(zhì)災(zāi)害[4]，不僅會(huì)引起當(dāng)?shù)氐叵碌Y源被污染，還容易導(dǎo)致土壤鹽漬化、海岸帶生態(tài)環(huán)境退化、農(nóng)業(yè)減產(chǎn)等一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題[5-7]。20世紀(jì)60年代初，秦皇島沿海地區(qū)由于修建供水水源地，再加上特殊的地質(zhì)環(huán)境，以及20世紀(jì)80年代以來(lái)農(nóng)業(yè)灌溉開(kāi)采量劇增，地下水開(kāi)采量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)補(bǔ)給量，導(dǎo)致地下水水位長(zhǎng)期低于海平面，咸淡水體平衡被打破，最終引發(fā)海水入侵[8]。

本文通過(guò)收集到的數(shù)據(jù)，對(duì)昌黎沿海地區(qū)海水入侵的演變趨勢(shì)以及影響因素進(jìn)行分析，以期為地下水資源的合理開(kāi)發(fā)利用、預(yù)防和減緩沿海地區(qū)海水入侵提供依據(jù)[9-10]。

1 研究區(qū)概況

昌黎縣位于河北省東北部，隸屬于秦皇島市，地處京津唐經(jīng)濟(jì)區(qū)、東北經(jīng)濟(jì)區(qū)、環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)三大經(jīng)濟(jì)區(qū)交匯處，北枕碣石，東臨渤海，西南挾灤河，全縣總面積1212km2[11]。境內(nèi)水資源充足，水系豐富，主要有灤河、飲馬河、七里海等3條主要水系組成； 地勢(shì)平坦，海拔大約為0～50m，地貌以山丘和平原為主； 屬于東部季風(fēng)區(qū)，以暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹鱗12]，多年平均降雨量496.5mm，年平均氣溫11℃。

昌黎縣第四系沉積厚度相差懸殊，巖性以砂卵石、砂、黏質(zhì)砂土及黏土為主，為山前沖洪積水文地質(zhì)區(qū)。按地形、地貌及含水層特征可分為2個(gè)主要Ⅰ級(jí)水文地質(zhì)區(qū)：山區(qū)、平原區(qū)(表 1)。研究區(qū)的范圍主要是沿海平原區(qū)(圖 1)，分布于灤河和飲馬河沿岸，屬于灤河?xùn)|翼平原，總面積為1133.0km2，為第四系松散巖類(lèi)孔隙水。第四系含水層由新到老可劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)含水組，分全淡水區(qū)和咸水區(qū)。全淡水區(qū)分布在灤河沖積扇東部和南部，淺層地下水主要賦存在第Ⅰ、Ⅱ含水組中，含水層以中粗砂、中細(xì)砂為主，間夾卵礫石層，厚度大約15～80m，富水性強(qiáng)，為低礦化度的重碳酸鈣鎂型水。第Ⅲ含水組為低礦化度的重碳酸鈉型水，由西北向東南從灤河沖積扇到飲馬河沖積帶，其水量逐漸減少，為淡水層。在團(tuán)林、大蒲河以東的濱海地帶，為海陸交互沉積，受海水影響，形成了上淡-中咸-下淡的多層結(jié)構(gòu)，其底板埋深由西向東、從北到南遞增，位于30m到170m之間，局部受降水影響，有淺層淡水分布。第Ⅰ含水組為重碳酸鈉型水，礦化度在1g/L左右； 第Ⅱ含水組為高礦化度的氯化鈉型水，礦化度大于1￣￣g/L； 第Ⅲ含水組主要為中、細(xì)砂，厚60～80m，埋深大于80m，與上部微咸水之間有大于5m的黏土隔水層，為低礦化度的重碳酸鈉型水，礦化度約0.3g/L，該承壓淡水已成為沿海一帶的主要開(kāi)采層。詳見(jiàn)昌黎縣沿海平原區(qū)水文地質(zhì)圖(圖 2)及水文地質(zhì)剖面圖(圖 3)[13]。

表 1 昌黎縣水資源分區(qū)及面積Tab.1 The zoning of water resources in Changli County and their areas

圖 1 研究區(qū)位置及取樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Location of the study area and distribution of sampling points

圖 2 昌黎縣沿海平原區(qū)水文地質(zhì)圖Fig.2 Hydrogeological map of the coastal plain area in Changli County

圖 3 馬坨店-大灘村水文地質(zhì)剖面圖Fig.3 Hydrogeological section of Matodian-Datan Village

2 樣品的采集與分析

2.1 樣品采集

2019年6月對(duì)研究區(qū)進(jìn)行野外考察和水樣采集，共采集水樣18組，其中15組淺層地下水(井深<50m)，取自研究區(qū)居民的民用井以及機(jī)井； 2組地表水，取自東沙河和飲馬河； 1組海水(圖 1)。樣品采集以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試基本信息見(jiàn)表 2。

取樣之前，抽取井水3～5min并排出，保證所取地下水樣具有代表性，采樣瓶選擇使用后的500mL的聚乙烯礦泉水瓶，取樣前先用去離子水清洗3次，再用待采水樣潤(rùn)洗2～3次，取滿(mǎn)水樣并排出空氣，使用封口膜進(jìn)行密封，水樣送達(dá)實(shí)驗(yàn)室后， 4℃冷藏保存至測(cè)試分析。

表 2 樣品采集及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試基本信息表Tab.2 Basic information of sample collection and field test

2.2 樣品分析

3 分析與討論

3.1 海水入侵演化特征

依據(jù)國(guó)家海洋局發(fā)布的《海水入侵監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》(HY/T0314-2021)[16]，海水入侵現(xiàn)狀主要以地下水中氯度為指標(biāo)進(jìn)行劃分，確定海水入侵等級(jí)(表 3)[17]，根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將氯化物Cl-濃度>250mg/L作為劃定海水入侵鋒線的依據(jù)。利用ArcGIS軟件繪制昌黎縣沿海平原區(qū)演化特征規(guī)律圖(圖 4)。

表 3 海水入侵水化學(xué)觀測(cè)指標(biāo)與入侵程度等級(jí)劃分表Tab.3 Hydrochemical observation index of groundwater and the degree grading classification of seawater intrusion

表 4 研究區(qū)地下水水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistic of hydrochemical components of groundwater in the study area

圖 4 海水入侵演化特征規(guī)律圖Fig.4 Evolution characteristics of seawater intrusion

20世紀(jì)80年代初期，受降水量減少、人工超采地下水等因素的影響，地下水資源庫(kù)容量驟減，減弱了陸地淡水向海滲流，破壞了濱海平原區(qū)海淡水之間的天然平衡狀態(tài)。隨著地下水負(fù)值區(qū)的出現(xiàn)和擴(kuò)大，海水入侵界面不斷向內(nèi)陸推進(jìn)[18]。

近20年來(lái)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到海水入侵的嚴(yán)重性，并對(duì)其進(jìn)行了有效的治理?？蓪⑵涓呕癁閮蓚€(gè)階段： ①急劇入侵： 2001—2010年海水入侵鋒線向內(nèi)陸延伸，團(tuán)林鄉(xiāng)-侯里村一帶從無(wú)入侵區(qū)演化為入侵區(qū)，推斷入侵方式也由點(diǎn)狀和局部入侵逐步演化為面狀入侵的嚴(yán)峻趨勢(shì)； ②穩(wěn)定減緩入侵： 2010后入侵鋒線呈現(xiàn)減退趨勢(shì)，推斷入侵方式演變?yōu)辄c(diǎn)狀、局部入侵。

3.2 地下水化學(xué)特征

對(duì)采集的水樣進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)(表 4)，選用Aqua Chem軟件對(duì)其進(jìn)行舒卡列夫分類(lèi)，繪制出Piper三線圖(圖 5)。Piper三線圖可以直觀地展現(xiàn)同一含水層或含水體中的水質(zhì)分布情況，揭示水體的水質(zhì)規(guī)律及水力聯(lián)系，為深入了解研究區(qū)的水文地質(zhì)情況提供依據(jù)[19-20]。

圖 5 研究區(qū)地下水Piper三線圖Fig.5 Piper trigram of of groundwater in the study area

11月16日，志愿者在瑞士阿爾卑斯山的“少女峰”上，拼出由世界各地人們寄來(lái)的10萬(wàn)余張明信片，呼吁關(guān)注氣候變暖。這次拼出的明信片，打破了世界上最大明信片的吉尼斯世界紀(jì)錄。

3.3 地下水化學(xué)成分來(lái)源

Gibbs圖通常用于評(píng)估水中溶解離子的來(lái)源，可以直觀地定性分析水體形成時(shí)的控制因素，其控制因素分為大氣降水、巖石風(fēng)化溶濾、蒸發(fā)濃縮三類(lèi)[21]。

圖 6 研究區(qū)地下水Gibbs圖Fig.6 Gibbs diagram of groundwater in the study area

3.4 海水入侵影響因素

3.4.1 自然因素

(1)氣候因素

(2)地質(zhì)與水文地質(zhì)因素

地質(zhì)與水文地質(zhì)條件決定了海水入侵方式、類(lèi)型和強(qiáng)度，是海(咸)水入侵發(fā)生的基礎(chǔ)條件。而形成海水入侵，必須具備聯(lián)系海水與地下淡水的通道：一是直接沿著與海水相接的第四紀(jì)含水層巖石孔隙通道進(jìn)入； 二是感潮河段的側(cè)滲； 三是沿地質(zhì)構(gòu)造帶進(jìn)入。而引起海水入侵的內(nèi)因是含水層地下水水位的變化[22]。

昌黎縣沿海平原區(qū)多為第四系松散孔隙水分布區(qū)，含水砂層厚度較大，滲透系數(shù)大，導(dǎo)水能力強(qiáng)，使咸淡水連通性較好，且地形平坦[23-24]。當(dāng)人為超采地下水改變其天然流場(chǎng)時(shí)，形成低于海平面的地下水位負(fù)值區(qū)，海水就會(huì)沿孔隙含水層、河道向地下水徑流或上溯浸染。

(3)地形地貌因素

地形地貌對(duì)海水入侵也有較大影響。昌黎縣海岸線屬于典型的砂質(zhì)、泥砂質(zhì)海岸，地形低平，地層透水性較強(qiáng)，地下水位標(biāo)高較低且水力坡度小，地下水流場(chǎng)容易發(fā)生變化，也易受風(fēng)暴潮襲擊，是海水入侵的易發(fā)區(qū)。

3.4.2 人為因素

(1)地下水過(guò)量開(kāi)采

地下水過(guò)量開(kāi)采是引起海水入侵的主要人為因素。昌黎縣降雨量、地表水資源較少，旅游產(chǎn)業(yè)吸引人口增多，造成地下水持續(xù)超采，使地下水位大幅度下降，出現(xiàn)大面積低于海平面的負(fù)值區(qū)。當(dāng)?shù)叵滤回?fù)值區(qū)長(zhǎng)期存在時(shí)，含水層中咸-淡水之間的水力平衡關(guān)系被破壞，海水向陸地淡水區(qū)入侵[23， 25]。

(2)發(fā)展海水養(yǎng)殖、擴(kuò)建鹽田、河道采砂和海岸帶工程建設(shè)等

近十余年來(lái)秦皇島等濱海平原區(qū)在村頭地邊修建大量養(yǎng)蝦池，將海水引入內(nèi)陸十幾千米。擴(kuò)建鹽田，抽引海水或高濃度地下鹵水曬鹽等。這些生產(chǎn)活動(dòng)加劇了局部地區(qū)的海水入侵； 在近海河道中大量采砂，致使河床標(biāo)高低于潮水位，也助長(zhǎng)海水上溯侵染； 沿岸和城市的工程建設(shè)，造成地下水補(bǔ)給條件改變、形成局部強(qiáng)抽水中心、破壞含水層結(jié)構(gòu)等情況，加速了海水向內(nèi)陸的滲透[26]。

4 結(jié)論

昌黎縣沿海平原區(qū)是秦皇島市研究海水入侵問(wèn)題重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域之一，該地區(qū)地下水開(kāi)采嚴(yán)重，海水入侵問(wèn)題嚴(yán)峻。通過(guò)檢測(cè)采集的水樣，選取一系列的理化參數(shù)，運(yùn)用理化統(tǒng)計(jì)、Piper三線圖以及Gibbs圖等多方向分析研究區(qū)地下水水化學(xué)成分演化過(guò)程，追蹤其離子來(lái)源，并探討影響因素，對(duì)研究區(qū)海水入侵時(shí)空變化過(guò)程進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

(1)目前，昌黎縣沿海平原區(qū)海水入侵的演化已呈現(xiàn)減緩趨勢(shì)。

(3)造成昌黎縣沿海地區(qū)海水入侵的原因主要是由于地下水的超量開(kāi)采，為海水與淡水之間的聯(lián)系提供了條件。加上濱海平原區(qū)巖性多為沖洪積砂礫石、砂礫卵石、礫卵石混土等，具有良好的海水入侵通道條件，且砂質(zhì)海岸更易發(fā)生海水入侵。