彌河下游咸水入侵成因及發(fā)展趨勢研究

王 爽，劉 丹，田嬋娟

（1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250100；2.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014）

1 彌河下游咸水入侵成因

水動力條件和水文地質(zhì)條件是咸水入侵形成必須具備的條件，因此彌河下游地區(qū)的咸水入侵成因可以從這兩個方面進(jìn)行探究。

1.1 彌河下游咸水入侵具備的水文地質(zhì)條件

1）彌河下游第四紀(jì)沉積環(huán)境變化。彌河下游地區(qū)的地層結(jié)構(gòu)主要是第四系地層，十萬年來該地區(qū)沉積環(huán)境變化巨大。第四紀(jì)晚更新世早期，距今11～7 萬年間，本區(qū)地下深度為43.5～60 m處出現(xiàn)了第一次海相地層；距今7～4.6 萬年，地下35～43.5 m 處出現(xiàn)了陸相地層，此現(xiàn)象表明了海水的消退過程。在晚更新世中期，距今4.6～2.1 萬年間，在深度23～35 m 處出現(xiàn)了第二次海相地層；在距今2.1～1.1 萬年，在深度11～23 m 處出現(xiàn)了陸相地層。到最近的全新世時期，距今1.1～0.6 萬年，深度8～11 m 處出現(xiàn)了本地區(qū)的第三次海相地層；距今0.6 萬年以來，出現(xiàn)了現(xiàn)代濱海相沉積，深度在8 m 以上[1]。

10 萬年來海陸相沉積環(huán)境的變化，與彌河下游地區(qū)所在的渤海萊州灣一帶發(fā)生過的典型的三次海侵海退時間相對應(yīng)，分別為第一次滄州海侵、第二次獻(xiàn)縣海侵和第三次黃驊海侵[2]。

2）鹵、咸水的形成。彌河下游地區(qū)發(fā)生咸水入侵的物質(zhì)來源是北部地下賦存的第四紀(jì)時期形成的巨厚的鹵、咸水體，咸水和鹵水都起源于古海水。古海水演化形成為地下鹵水需經(jīng)歷兩個過程。首先地下鹵咸水的形成需要充足的鹽分補(bǔ)給，包括漲潮時海水進(jìn)行水平補(bǔ)給及海水淹沒時自上而下的滲入補(bǔ)給。這是鹽分補(bǔ)給的過程，主要形成了初期鹵水。第二個過程是鹽分積聚過程。陸相沉積層將賦存著古海水的海相沉積層覆蓋，鹵水層得以掩埋，形成良好的封閉環(huán)境。這是一次海侵形成第一次海相地層的過程。因此一次海相地層的形成包括海水入侵—鹽分補(bǔ)給—鹽分積聚—蒸發(fā)濃縮—形成鹵水—鹵水下滲—掩埋覆蓋等一系列過程[3-4]。每過一段時間，經(jīng)歷一次海侵，地層被帶來的海水覆蓋，鹵水的形成過程持續(xù)進(jìn)行。每一次海侵海退過程都會形成一層新的鹵咸水體，所以彌河下游地區(qū)形成的三層鹵咸水體與晚更新世至全新世時期的三次海侵過程相對應(yīng)。

3）含水層空間結(jié)構(gòu)模擬。咸水入侵的特點(diǎn)是面積廣泛且入侵層位復(fù)雜。通過建立表現(xiàn)含水層空間分布的地質(zhì)實(shí)體模型，有助于正確認(rèn)識和表達(dá)彌河下游地區(qū)的水文地質(zhì)條件，從而明確咸水入侵的成因[5]。本文利用GMS 軟件中的solid、map和GIS 模塊，建立彌河下游地區(qū)地質(zhì)實(shí)體模型，揭示含水層空間結(jié)構(gòu)，查明咸水入侵層位及入侵通道。

經(jīng)過野外鉆探工作、資料收集與整理、鉆孔數(shù)據(jù)分析、水文地質(zhì)條件概化階段，最終建立起水文地質(zhì)實(shí)體模型，如圖1 所示。具有相同巖性代號的地層形成相連續(xù)的曲面，在60 m 深度內(nèi)所有鉆孔揭示的地層均有7 層，且砂層的連續(xù)性好。

圖1 含水層空間結(jié)構(gòu)可視化模型圖

彌河古河道含水砂層在空間上水平連續(xù)分布，加上含水層在海底方向上延伸狀況良好，古河道砂層與北部咸水的埋藏層位有直接水力聯(lián)系，即潛水含水層、微承壓含水層、承壓含水層分別對應(yīng)歷史上3 次海侵的古海水掩埋覆蓋所成的海相層。因此咸水易于發(fā)生層狀入侵，以及多層含水層的舌狀入侵；根據(jù)打設(shè)的多層位監(jiān)測井的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，北部咸水主要入侵上部的含水層，即第I 潛水含水層及部分第II 微承壓含水層，第III 深層承壓含水層之所以受到侵染是因為研究區(qū)打井?dāng)?shù)量太多，當(dāng)開采井開采深層淡水時，抽水過量或井壁封閉不好，深層咸水通過井孔補(bǔ)給上、下層古河道帶發(fā)生的串層污染，即越流入侵。

自晚更新世以來，在沉積作用下，眾多河流中的多層砂及砂礫石層形成了彌河古河道，古河道能夠為地下淡水補(bǔ)給并且貯存地下淡水，在咸水入侵時又自然成為咸水推進(jìn)的通道。北部埋藏著的咸水在越過咸淡水界面侵染淡水含水層時，由于良好的通道，能夠形成水平連續(xù)的入侵面，使得咸水順著砂層全面推進(jìn)。同時，咸水體對其上、下的含水層也存在垂向入侵，研究區(qū)內(nèi)存在很多已報廢的水井等，這些是人為作用下所形成的的咸水入侵通道；此外淡水開采后水頭降低，咸水體在高水頭作用下越過含水層或農(nóng)灌用井入侵到淡水層中，在徑流作用下運(yùn)移擴(kuò)散，形成對上、下淡水層的入侵。咸水推進(jìn)的速度也不相一致，取決于用水情況和古河道的形態(tài)特征。水資源消耗過大，古河道寬的區(qū)域入侵較快，狹窄的現(xiàn)代河床附近的入侵則慢一些。

由此可得結(jié)論，不同地質(zhì)年代分層疊置的北部咸水體是咸水入侵的物質(zhì)來源，具備一定透水性能的第四系沉積砂層溝通北部咸水與淡水，使本區(qū)具備了發(fā)生咸水入侵的水文地質(zhì)條件。

1.2 彌河下游咸水入侵發(fā)生的水動力條件

自然及人為因素的雙重影響，地下水位下降、南北水頭差形成由于氣候干旱和地下水超采引起，這是咸水入侵的水動力因素[6]。氣候變化是本區(qū)發(fā)生咸水入侵的主導(dǎo)因素，降水偏少，蒸發(fā)量大，較為干旱的氣候環(huán)境導(dǎo)致本區(qū)地表水資源短缺，彌河徑流量小，加上彌河上游一座大型水庫——冶源水庫對地表水的攔蓄作用，區(qū)內(nèi)地表水體與地下水之間的補(bǔ)徑排關(guān)系已經(jīng)十分微弱，地下水得不到充沛補(bǔ)給。為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生產(chǎn)生活之需，人類大量開采南部地下淡水，導(dǎo)致淡水位持續(xù)下降，大范圍的降落漏斗形成并逐漸演變擴(kuò)大。咸淡水之間的水動力平衡被破壞，北部咸水水頭壓力大于淡水水頭，改變了地下水自南向北的自然徑流狀態(tài)，使得北部咸水向南部淡水區(qū)入侵。地下水漏斗區(qū)形成后慢慢擴(kuò)大，由于淺層已取不到水，水井往往打得更深且布局混亂，隔水層受到破壞，咸水因而趨向更深層含水層入侵。

2 咸水入侵的發(fā)展趨勢

對咸水入侵發(fā)展演化趨勢進(jìn)行預(yù)測，有助于了解入侵動態(tài)情況，對當(dāng)?shù)匚磥淼叵滤暮侠黹_發(fā)利用和水資源保護(hù)具有重要意義。這需要明確彌河下游地下水的開采和補(bǔ)給兩方面因素[7]。壽光市歷年地下水開采量見表1。由表1 可知，地下水開采量逐年減少。

表1 壽光市地下水歷年開采量 萬m3·a-1

本區(qū)地下水主要補(bǔ)給來源為降水入滲補(bǔ)給，近年來本區(qū)降水充沛，2018 年和2019 年兩次較大洪水使地下水位有所回升。根據(jù)2016 年在壽光市田柳鎮(zhèn)打設(shè)的多層位觀測井?dāng)?shù)據(jù)顯示，目前淺層地下水水質(zhì)已變淡，可以推測地下水補(bǔ)給與開發(fā)利用處于暫時相對平衡狀態(tài)。

據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)明確，淄博—濰坊漏斗區(qū)面積正逐年減小，不同時間段漏斗區(qū)面積見表2。

表2 不同時期淄博—濰坊漏斗區(qū)面積km2

可推測近幾年彌河下游咸水入侵沒有明顯加重趨勢，逐漸趨于平緩。

3 結(jié)語

彌河下游北部地區(qū)地下賦存的咸（鹵）水體，為本區(qū)咸水入侵提供了物質(zhì)來源。眾多河流中的多層砂及砂礫石層形成了彌河古河道，古河道能夠為地下淡水補(bǔ)給并且貯存地下淡水，在咸水入侵時又自然成為咸水推進(jìn)的通道。氣候干旱、彌河徑流補(bǔ)給不足和地下水超采導(dǎo)致的水位下降是咸水入侵發(fā)生的水動力條件，地下水漏斗的形成造成北部咸水與南部淡水的水頭差高達(dá)35 m左右，驅(qū)動咸水侵染地下淡水。彌河下游成為嚴(yán)重的咸水入侵區(qū)，因其具備特殊的地理位置和自然背景，雖然近幾年入侵趨勢平緩，但緩解災(zāi)害仍尤為緊迫，必須在嚴(yán)格控制地下水開采的情況下積極采取工程措施、管理措施和進(jìn)行生態(tài)防治。