基巖海島地下水與海水相互作用研究

張 康，韓冬梅，曹天正,3，宋獻(xiàn)方，王 威，曹艷玲

（1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049；3.中國科學(xué)院大學(xué)中丹學(xué)院，北京 101400；4.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院山東省富鐵礦勘查技術(shù)開發(fā)工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250109）

地下水與海水的相互作用主要包括海水入侵（Seawater Intrusion，SWI）和海底地下水排泄[1]（Submarine Groundwater Discharge，SGD）2個(gè)同時(shí)存在且互補(bǔ)的地下水文過程[2?3]。不合理的地下水開采引發(fā)的SWI已對全球諸多含水層的地下水資源構(gòu)成嚴(yán)重威脅[4?10]。SGD營養(yǎng)鹽通量可顯著影響海岸帶營養(yǎng)鹽收支和生物地球化學(xué)循環(huán)，過量營養(yǎng)鹽排泄可能引起沿海富營養(yǎng)化[11?14]?？茖W(xué)管理海島地下水資源，查明地下水-海水相互作用模式和程度，已成為亟需解決的重要問題。

近年來針對基巖海島地下水與海水相互作用的研究有了長足的進(jìn)步。山東長島之北長山島中部和北部低地均有SWI發(fā)生，入侵范圍占全島面積的17%～19%[15]。龐忠和等[16]利用氫氧同位素證明長島的基巖裂隙水起源于大氣降水，受到海水影響地下水Cl?濃度高于內(nèi)陸地區(qū)。國際上對SWI的研究主要集中在松散沉積物中的含水層，但在人口密集的大型基巖群島也曾報(bào)道過SWI造成鉆孔報(bào)廢的情況[17]。近年來，有的研究者建立了用于估算渤海灣、萊州灣、大亞灣和膠州灣SGD通量的鐳（Ra）和氡（Rn）同位素質(zhì)量平衡模型[12,18?19]。汪遷遷[20]利用鐳氡同位素證明SGD輸入是渤海灣水體營養(yǎng)鹽的主要來源。Ma等[21]利用達(dá)西定律估計(jì)了在海潮作用下萊州灣東岸淤泥質(zhì)海灘的SGD。然而，以往的SWI與SGD研究大多是針對河口、潮灘、海灣和大陸架的臨近海域[22?26]，很少有關(guān)于基巖海島的相關(guān)研究。作為中國北方地區(qū)典型的基巖群島，該島在地下水與海水的相互作用方面一直以來缺乏系統(tǒng)性的定量認(rèn)識(shí)。鑒于此，本文分析了該島地下水位及水質(zhì)的變化，探討了基巖海島地下水與海水相互作用的特征和影響因素，進(jìn)行了SWI和SGD的研究，運(yùn)用插值方法識(shí)別了海水入侵嚴(yán)重區(qū)域，基于達(dá)西定律估算了水分交換速率、水量和NO3-N通量。研究可為海島地下水資源科學(xué)管理，保護(hù)和修復(fù)海島水生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

該基巖群島位于膠東、遼東半島之間，黃渤海交匯處，有居民島10個(gè)，最大島面積12.8 km2。該島的氣候類型屬于亞洲東部季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，因受冷暖空氣交替影響，加之四周海水的調(diào)溫作用，四季溫度呈現(xiàn)滯后性，春季多風(fēng)升溫晚、夏季多雨氣候涼、秋季干燥降溫慢、冬季風(fēng)頻寒潮多。年平均氣溫為11.9 °C，年平均降水量為560 mm，地下水全部為大氣降水補(bǔ)給。

島上的基巖主要是由石英巖、板巖和千枚巖組成，長期風(fēng)化剝蝕作用使得巖石破碎，丘陵頂部比較平緩。島上出露地層主要為第四系松散巖類和蓬萊群變質(zhì)巖，地下水類型主要有松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。第四系沉積物厚度為6～15 m，孔隙水埋深一般在3～10 m，含水層富水性較差，單井涌水量多在60 m3/d以下；構(gòu)造裂隙的發(fā)育深度一般小于100 m，地下水埋深在10～35 m之間，含水層富水性較強(qiáng)，單井涌水量一般在100～250 m3/d[27?29]。低洼谷地在由陸變島的過程中曾被海水浸沒，谷地中有海相沉積，且局部低洼谷地有海相沉積層分布。

20世紀(jì)80年代，由于地下水資源的不合理開采，該島部分水井的地下水TDS明顯升高[16]。地下水資源均衡的破壞和開采強(qiáng)度的空間不均加速了海水入侵的進(jìn)程。有資料顯示[16]，大多數(shù)臨岸大口徑井受咸水入侵影響已廢棄。過量開采改變了地下水的水動(dòng)力條件，咸淡水之間形成向陸方向的水力梯度，地下水天然平衡狀態(tài)被破壞，最終導(dǎo)致海水入侵災(zāi)害發(fā)生[15]。為了修復(fù)地下水環(huán)境，2019年7月份通過的《海洋生態(tài)保護(hù)條例》[30]第二十條規(guī)定，“在城市公共供水管網(wǎng)覆蓋區(qū)域內(nèi)，禁止取用地下水”，自此該島進(jìn)入禁采時(shí)代，島上居民用水改用自來水、跨海工程引水和海水/苦咸水淡化水。但因?yàn)閸u上苦咸水淡化工程仍舊是抽取已咸化的地下水，所以對地下水的取用仍然存在。

2 數(shù)據(jù)資料與研究方法

2.1 地下水觀測井位置

為了解研究區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)特征，本文選取了南島的7個(gè)井和北島的3個(gè)井進(jìn)行地下水觀測（W1——W10）。從 2012年 1月——2015年 2月、2016年 1——12月，每隔5 d觀測1次水位，每口井有300個(gè)水位數(shù)據(jù)，共計(jì)3 000個(gè)。觀測井位置如圖1所示，通過地圖測算得出各觀測井離最近海岸的距離（表1）。降水量數(shù)據(jù)來自該島氣象局提供的逐月降水量資料。

圖1 研究區(qū)地下水觀測井位置圖Fig.1 Location map of groundwater observation wells in study area

表1 觀測井離最近海岸的距離及水井基本情況Table 1 The distance of the observation wells from the nearest shore and the informations of the observation wells

根據(jù)地形圖、地下水觀測井所在的巖性分布、地質(zhì)剖面資料[31?32]，及地水水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制了典型區(qū)域水文地質(zhì)剖面圖（圖2）。該島出露的地層巖性較簡單，主要為元古界石英巖，厚度大于2 000 m，上覆薄層第四系松散沉積物，厚度約6～15 m。

圖2 北島（A-A’）和南島（B-B’）水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Hydrogeologic cross-section of the North Island (A-A’) and South Island (B-B’)

2.2 水分交換速率的計(jì)算

基巖裂隙含水層滲透系數(shù)為10～30 m/d[33]；分布在緩坡地段的殘積-坡積物較為致密，透水性較差，含水層厚度2～5 m，滲透系數(shù)為5～10 m/d；分布在濱海地區(qū)的海積物較為松散，透水性較好，滲透系數(shù)為10～20 m/d[34]。根據(jù)觀測井的地面高程、井深和年平均水位數(shù)據(jù)，計(jì)算得W2、W7、W9地下水埋深小于2 m，認(rèn)為其地下水來源于上部松散巖土含水層，滲透系數(shù)為5～10 m/d；其余7口井地下水埋深11～35 m，認(rèn)為其地下水來源于下部基巖裂隙含水層，滲透系數(shù)為10～30 m/d。

利用野外觀測的地下水水位數(shù)據(jù)，基于達(dá)西定律可以計(jì)算出每口井垂直海岸線方向的水力梯度，定量化計(jì)算地下水與海水的水分交換速率[35?36]。計(jì)算中取多年平均水位計(jì)算平均水力梯度，取月平均最高和最低水位計(jì)算最大和最小水力梯度，結(jié)合水文地質(zhì)條件確定滲透路徑。根據(jù)地下水中NO3-N的濃度，可進(jìn)一步估算出地下水向海排泄的NO3-N通量。

2.3 地統(tǒng)計(jì)插值方法

基于協(xié)同克里金（Cokriging）插值方法，可以將DEM數(shù)據(jù)作為協(xié)變量，對2013年1月地下水水位實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，并根據(jù)水庫、溝渠等的分布對插值結(jié)果進(jìn)行核實(shí)，以提高水位插值的準(zhǔn)確性。

將各觀測井的SGD速率在海岸線上進(jìn)行IDW插值[37]，再對海岸線上的SGD速率求和，可以計(jì)算出SGD水量。

2.4 海水入侵程度的劃分

收集了2018年5月26眼監(jiān)測井的水化學(xué)分析結(jié)果，由山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站實(shí)驗(yàn)室測試分析得到。根據(jù)《海水入侵監(jiān)測與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》[38]，采用 Cl?質(zhì)量濃度 250 mg/L 指示 SWI，Cl?質(zhì)量濃度大于250 mg/L則證明發(fā)生了海水入侵，海水入侵程度等級(jí)劃分見表2。

表2 海水入侵的現(xiàn)狀評(píng)價(jià)等級(jí)劃分[38]Table 2 Classification of status evaluation of seawater intrusion

3 結(jié)果

3.1 地下水水位分布特征

地下水水位和降水量的變化見圖3。整體來看，地下水水位波動(dòng)較小的井分布在南島的W5、W7和W9，北島的W2和W4。其中，南島的W7和W9地下水水位最為穩(wěn)定，W7地下水水位一直維持在5 m左右，W9維持在2 m左右。

圖3 2012——2016年地下水水位與降水量變化Fig.3 Variations of groundwater levels and precipitation from 2012 to 2016

地下水水位波動(dòng)較大的井主要在南島的W1、W6和北島的W8。這3個(gè)水位監(jiān)測點(diǎn)的水位不僅波動(dòng)很大，而且常年低于海平面。從圖1可以看出，W1、W6距離較近，都是在海拔低、地形平緩的城鎮(zhèn)集中建設(shè)區(qū)域，即使距離海岸較遠(yuǎn)，仍然有很大的海水入侵風(fēng)險(xiǎn)。

在降水豐富的7、8月份，W7地下水平均埋深與地表面十分接近，地下水水位較高且保持穩(wěn)定，水位保持在5 m左右。說明當(dāng)?shù)氐牡叵滤苋藶楦蓴_和大氣降水的影響很小，地下水存在穩(wěn)定的補(bǔ)給來源。

研究區(qū)降水量的年度、年內(nèi)變化很大，2013年7月份降水量達(dá)560.4 mm，而同年9月份降水量僅0.1 mm。降水大多集中在每年的7——8月份，地下水水位和大氣降水都呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性特征：夏季降水充足，地下水水位較高；冬春季降水稀少，地下水水位低。2013年夏季的集中降水大幅度提高了南島的W3、W6和W10的地下水水位，特別是W6對降水量增加的正向響應(yīng)特別明顯。

在2012、2013、2016年的7——8月份的3次集中降水事件后，大部分監(jiān)測井水位波動(dòng)存在滯后，波峰出現(xiàn)在降水峰值之后10 d左右。其中，南島的W1、W6滯后時(shí)間較短，對降水的響應(yīng)十分敏感；W3、W10滯后時(shí)間較長。

3.2 水分交換速率和SGD水量的定量估算

本研究計(jì)算了10個(gè)地下水觀測井水分交換速率及NO3-N通量，見表3。

表3 地下水觀測井的SWI和SGD計(jì)算結(jié)果Table 3 SWI and SGD calculation results of groundwater observation wells

從表3的計(jì)算結(jié)果中，可以大體判斷出南、北島的SGD和SWI主導(dǎo)區(qū)域。南島東北岸、南岸的大部分地區(qū)沒有發(fā)生海水入侵，地下水向海排泄過程較穩(wěn)定，2012——2016年SGD速率均值為0.2 m/d，向海NO3-N 通量均值為 81.8 mmol/（m2·d）。北島東南地區(qū)是海水入侵的嚴(yán)重區(qū)域，地下水水位長期低于海平面且逐年下降，2012——2016年SWI速率均值為0.3 m/d，向陸NO3-N 通量均值為 69.6 mmol/（m2·d）。

通過ArcGIS的反距離權(quán)重法插值工具對南、北島枯水季（2014年4月）、豐水季（2013年9月）和月平均SGD水量分別計(jì)算，北島SGD水量為3.5×104～4.5×104m3/d，南島 SGD 水量為 0.4×104～1.1×104m3/d?；?012——2016年監(jiān)測井的月平均SGD速率進(jìn)行插值，北島SGD水量平均值為2.7×104m3/d，南島SGD水量平均值為 0.8×104m3/d。

3.3 地下水水位分布、Cl?和NO3-N濃度分布

2013年1月份地下水水位等值線分布圖（圖4）顯示，地下水水位負(fù)值區(qū)主要分布在北島南岸和南島西岸，高值區(qū)主要分布在南島東北岸和南岸。北島地下水主要流向?yàn)橛杀毕蚰?，南島地下水主要流向?yàn)橛蓶|向西。

圖4 2013年1月地下水水位等值線分布圖Fig.4 Distribution of groundwater-table contour in January 2013

2018年5月地下水中Cl?和NO3-N質(zhì)量濃度分布見圖5。Cl?質(zhì)量濃度較高的區(qū)域和地下水水位低的區(qū)域基本重合，南島南岸的大部分地區(qū)和東北岸局部地區(qū)沒有發(fā)生海水入侵，海水入侵從西南岸和西岸（港口以南約1.5 km處）向島內(nèi)發(fā)展，入侵程度為輕度，Cl?質(zhì)量濃度250～1 000 mg/L；北島東南岸海水入侵程度為嚴(yán)重入侵，Cl?質(zhì)量濃度大于1 000 mg/L。

圖5 研究區(qū)地下水Cl? 和NO3-N質(zhì)量濃度分布圖Fig.5 Distribution of groundwater Cl? and NO3-N concentrations in study area

NO3-N濃度高值區(qū)位于南島中部及北島北部區(qū)域。

3.4 水化學(xué)組成

地下水樣的pH值介于7.0～8.5之間（表4），整體呈弱堿性，變異系數(shù)小。TDS介于25.5～6 979.0 mg/L之間，平均值為1 093.5 mg/L，按照TDS進(jìn)行分類[39]，大部分地下水是淡水（<1 g/L）和微咸水（1～3 g/L），只有北島的W4、W8的地下水是咸水（3～10 g/L）。有將近一半的地下水水樣菌落總數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 000 CFU/mL，屬Ⅴ類地下水[40]。菌落總數(shù)過高表明原生地下水環(huán)境可能存在污染，不宜作為生活飲用水水源。除pH以外，其余各水化學(xué)參數(shù)的變異系數(shù)均超過了0.15，氯化物和總硬度（以CaCO3計(jì)）均存在極端超標(biāo)值。

表4 地下水水樣的水化學(xué)特征統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics on hydrochemical characteristics of groundwater samples

4 討論

4.1 SWI和SGD的特征分析

海底地下水排泄（SGD）由2部分組成，一是來自內(nèi)陸的地下水，另一個(gè)是海水循環(huán)量（又叫“再循環(huán)海水”），即海水在潮汐、波浪等各種因素作用下通過海-陸界面進(jìn)入近海含水層后又流回到海洋的水[1]。SGD受陸地和海洋驅(qū)動(dòng)力的雙重作用，因?yàn)椤霸傺h(huán)海水”只發(fā)生在近岸含水層和海底沉積物的小范圍內(nèi)[41]，故本文估算的主要是受陸地驅(qū)動(dòng)力的地下水的向海排泄。

研究區(qū)海島受陸地驅(qū)動(dòng)力的SGD水量巨大，北島 SGD水量為 3.5×104～4.5×104m3/d，南島 SGD 水量為 0.4×104～1.1×104m3/d。基于 2012——2016 年監(jiān)測井的月平均SGD速率，北島SGD水量平均值為2.7×104m3/d，南島SGD水量平均值為0.8×104m3/d。

以往的水井水質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明，除少數(shù)靠近海邊且開采量較大的水井水質(zhì)咸化以外，絕大部分井水TDS小于 1 g/L，水化學(xué)類型以 Cl·HCO3——Ca·Na、Cl·HCO3——Na·Ca 和 HCO3·Cl——Na·Ca 類型為主[42]。水化學(xué)特征的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，該研究區(qū)的地下水水質(zhì)分布不均勻，結(jié)合以往的研究結(jié)果，氯化物濃度較高的地下水監(jiān)測點(diǎn)與海水入侵、井水咸化的分布范圍有密切聯(lián)系。

基巖海島的咸-淡水界面分布受地質(zhì)構(gòu)造控制，具有顯著的非均質(zhì)性。海拔低、地形平緩的城鎮(zhèn)集中建設(shè)區(qū)域海水入侵風(fēng)險(xiǎn)較高，人為持續(xù)開采地下水會(huì)顯著降低地下水水位，導(dǎo)致地下水漏斗、井水咸化等災(zāi)害。但基巖海島沿岸的基巖山區(qū)可以有效阻擋海水入侵，補(bǔ)充和更新山谷地下水，這一特性在南島東南海岸得到了驗(yàn)證。

4.2 地下水-海水相互作用的影響因素

降水對地下水-海水相互作用的影響主要是對水力梯度的變化產(chǎn)生影響，降水充足的7、8月份，地下水水頭升高，井水位上升，表現(xiàn)為向海排泄的水力梯度，發(fā)生海水入侵的可能性小，地下水在含水層中參與一系列復(fù)雜的水巖相互作用和生物地球化學(xué)作用，排泄到海水中對近海岸水環(huán)境產(chǎn)生影響。而在幾乎沒有降水的冬春季，人類活動(dòng)的參與就會(huì)顯著影響水力梯度的變化。1970——1981年間，機(jī)井?dāng)?shù)量從12眼增加到54眼[29]，單井抽水量普遍高于自身的出水能力，地下水水量連年虧損，演變成向陸方向的水力梯度，導(dǎo)致海水入侵。

人為污染會(huì)使地下水向海排泄的營養(yǎng)鹽濃度升高，龐忠和等[16]、付兆堂等[43]的研究中提到的硝酸鹽污染來源主要包括：（1）農(nóng)村居民院內(nèi)菜地的施肥及滲坑、廁所等生活污水來源；（2）島嶼水產(chǎn)品加工業(yè)相對較多，各個(gè)水產(chǎn)品加工企業(yè)基本上都有自備水井，漁養(yǎng)物資、海產(chǎn)品貝殼垃圾的無序堆放，也是地下水中硝酸鹽污染的來源之一。例如南島地下水觀測井W3的NO3-N質(zhì)量濃度由1.15 mg/L增大至21 mg/L，超過了世界衛(wèi)生組織（WHO）飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則的最大污染水平（11.3 mg/L）[44]，甚至超過了我國生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)20 mg/L。過量的NO3-N通過地下過程向海排泄，使得近海地區(qū)成為富營養(yǎng)化或藻類爆發(fā)性繁殖的潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

4.3 NO3-N的通量變化

由于地下水中硝酸鹽濃度升高，導(dǎo)致NO3-N通量有所升高。例如，南島觀測井W3地下水向海排泄的NO3-N 通量顯著增大，由 2016 年 10 月的 17.37 mmol/（m2·d）增大到 2018 年 5 月的 317.19 mmol/（m2·d），增大為原來的18倍。2016年10月——2018年5月，南島觀測井W10地下水NO3-N通量有所增加，增幅為原來的1.8倍。

北島的W2與W4相比，W2受人類活動(dòng)影響更大，NO3-N質(zhì)量濃度在35～40 mg/L，而我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[45]規(guī)定，地下水水源限制時(shí)，NO3-N質(zhì)量濃度超過20 mg/L則不適合作為生活飲用水。W4的水文地質(zhì)條件更利于地下水向海排泄，SGD速率更大。

5 結(jié)論

（1）北島的海水入侵程度普遍高于南島，且北島東南岸有嚴(yán)重海水入侵，局部地下水Cl?質(zhì)量濃度大于2 000 mg/L。南島的海水入侵狀況相對較輕，但由于基巖含水層存在導(dǎo)水裂隙，海水入侵會(huì)沿著特定的路徑發(fā)生，如南島西岸的低緩居民區(qū)的海水入侵，就有東西連接成線的趨勢。

（2）北島東南沿海地區(qū)受到高山丘陵地形阻隔，形成天然的隔水屏障，西北部丘陵地區(qū)賦存的地下水無法提供補(bǔ)給，該地區(qū)地下水主要依靠大氣降水，且距離海岸較近，地下水開采后容易誘發(fā)海水入侵。北島東南地區(qū)是海水入侵的嚴(yán)重區(qū)域，地下水咸化明顯，地下水水位長期低于海平面且逐年下降，2012——2016年海水入侵速率均值為0.3 m/d，向陸NO3-N通量均值為 69.6 mmol/（m2·d）。而在南島東北岸、南岸的大部分地區(qū)，巖石中的微孔隙和微裂隙以及層間錯(cuò)動(dòng)裂隙起到了一定的儲(chǔ)水作用，能夠保持地下水維持一定的水頭高度而不受到海水入侵影響。因此南島東北岸、南岸的大部分地區(qū)沒有發(fā)生海水入侵，地下水向海排泄過程較穩(wěn)定，2012——2016年地下水向海排泄速率均值為 0.2 m/d，向海 NO3-N 通量均值為 81.8 mmol/（m2·d）。

（3）研究區(qū)受陸地驅(qū)動(dòng)力的SGD水量巨大，北島SGD 水量為 3.5×104～4.5×104m3/d，南島 SGD 水量為0.4×104～1.1×104m3/d。基于 2012——2016 年監(jiān)測井的月平均SGD速率，北島SGD水量平均值為2.7×104m3/d，南島SGD水量平均值為0.8×104m3/d。

未來的研究需要結(jié)合潮汐、營養(yǎng)鹽、海平面上升、同位素示蹤等數(shù)據(jù)進(jìn)行島嶼地下水全面評(píng)估，結(jié)合物探等手段定量識(shí)別基巖島嶼海水入侵的優(yōu)先通道。