河北沿海海水入侵灾害现状、成因及防治对策分析

赵伟玲，唐立强，朱小龙，高 森

（河北省地质环境监测总站 石家庄 050021）

1 前言

河北沿海地区地处环渤海之滨，内嵌天津市、外临渤海，海岸线长487 km，海岸带总面积110万hm2，有秦皇岛市、唐山市和沧州市等滨海城市，建设秦皇岛港、京唐港、曹妃甸港、黄骅港等大型海港，是环渤海经济圈核心地带，是河北省对外开放的龙头，是国家沿海经济发展战略的重要组成部分。然而，随着沿海地区经济建设飞速发展和城市化进程的加快，对地下水资源的依存度越来越高，致使沿海地下水资源长期处于超采状态，从而诱发了地下水海水入侵等地质环境问题，并演化为制约沿海城市建设与经济发展的关键问题，亟须得到高度关注和解决。笔者结合河北沿海海水入侵这一问题，系统地介绍其现状及危害，分析其成因，并提出防治对策，望能为河北沿海海水入侵灾害研究与防治提供参考。

2 海水入侵概念理解

关于海水入侵的概念，薛禹群等［1］几位大师及其他学者都曾给过定义，尽管文字形式未统一，但在 “人为因素诱发海水入侵”这一点达成共识。郭占荣等［2］依此定义 “滨海地区人为超量开采地下水，引起地下水位大幅度下降，海水与淡水之间的动态平衡被破坏，导致咸淡水界线向陆地方向移动”。

笔者认为： “海水入侵”的主体在于海水，入侵是海水与淡水之间的动力联系，影响这种动力联系的因素有自然因素和人为因素两种形式：自然因素是指风暴潮漫溢、潮汐引起过渡带的有规律波动、降水引起过渡带的正常波动、海平面上升引起的过渡带内移，以及地质历史时期的海侵等；人为因素即是人为超采地下水造成水动力平衡失衡而导致咸淡水界线的波动。因此，海水入侵是在自然因素或人为因素作用下，海水侵入陆地，并通过入渗、顺层或者越流补给淡水含水层，从而形成咸水区或侵染地下淡水资源的过程和现象。需要说明的是笔者认为海侵 （海进）海水大范围的向内陆侵入，滞留海水参与形成了如今的海相沉浸咸水区，而咸水含水层成为现代海水入侵的顶托条件，海进与海水入侵联系密切，遂将海进纳入海水入侵定义范畴内。本研究将从这个角度分析探讨河北沿海海水入侵问题。

3 海岸带类型

河北海岸带沿岸河流纵横，地貌复杂多样，岸段性质变化比较明显，自北向南海岸段可分为：岩质海岸、砂质海岸和淤泥粉砂质海岸。岩质海岸分布在山海关老龙头、秦皇岛东山码头和北戴河金山嘴等地的海岬部位；砂质海岸分布在滦河河口入海三角洲以北的广大地区，除凸向海洋的海岬外凹向陆地的海湾部位；淤泥粉砂质海岸分布在滦河以西及沧州境内的渤海西岸。

4 入侵类型与成因分析

河北沿海海水入侵类型按地质历史时间可分为古海水入侵和现代海水入侵。

4.1 古海水入侵

古海水入侵是指在地质历史时期因海进海退而形成海相成因的沉积水 （又称地下咸水）过程。河北滨海平原区在更新世晚期至全新世有过4次明显海侵，依次是青县海侵、沧西海侵、献县海侵和沧东海侵，其中以献县海侵规模最大［3］。海侵活动在河北省沿海地区相应地沉积了厚度不等的海相层，将海水封存其中而形成沿海平原原生型高矿化咸水体，咸水体垂向上与淡水体互层构成淡咸淡、咸淡、咸水等三元、二元、一元含水层结构，也成为现代海（咸）水入侵的依托媒介。

4.2 现代海水入侵

现代海水入侵主要是指海水以风暴潮和大潮涌海水地面入侵、沿通道顺层入侵、古海水（咸水）浸染淡水含水层等方式引起的海 （咸）水补给改造淡水含水层的过程。海水入侵形式、强度、分布特征受控于地质、构造、岩性、含水层渗透性、含水层补给条件、含水层在海底方向上的延伸状况和大气降水等自然条件，以及地下水开采强度等人为条件［4－5］。

4.2.1 风暴潮和大潮涌

风暴潮和大潮涌存在于整个河北沿海地区，其引起海水向陆地漫溢，造成海水地面垂向入侵陆相含水层，但是风暴潮和大潮涌一般是短暂的，在采取导排等措施将滞留海水会流入海后，只能暂时地和局部地影响浅层地下淡水。因此，此种方式不是河北省沿海海水入侵的主因。

4.2.2 海水顺层入侵

海水顺层入侵是指海水沿着联系海水和内陆地下淡水之间的 “通道”入侵淡水含水层，这一般需要满足两个条件：一是水动力条件，二是形成 “通道”的水文地质条件。河北省沿海在经济和城市建设驱动下，长期超采地下水资源和连年气候干旱，大幅度减少地下水天然入海排泄量，改变地下水天然流场，打破了海水和淡水之间的动力平衡，形成了海水向内陆运移的水动力条件；此外，河北省沿海自中部向北部含水层岩性由粉细砂过渡为砂卵砾石，自山前向海洋为连续分布的整体，且北部岩质海岸存在构造破碎带，导致含水层与海水之间水力联系密切，满足了 “通道”的条件［6－9］。

4.2.3 古海水 （咸水）侵染淡水层

（1）咸水顺层浸染浅层淡水。即咸、淡水同处于一个含水层，咸淡水之间一般存在过渡带，当超采淡水资源时，造成淡水水头低于咸水水头，过渡带向淡水方向移动，导致咸水顺层入侵淡水资源。

（2）咸水越流补给深层淡水。即由于深层淡水的过度开采，使其与上覆咸水的水位差增大，导致咸水下移越流补给深层淡水。自然条件下，弱透水层存在过滤作用，故咸水越流补给是个缓慢和渐变的过程［10］。

（3）“天窗”式入侵。由于地震应力破坏水井结构、新钻孔成井时止水质量差等原因导致钻孔连通咸、淡水含水层，咸水体以钻孔为中心呈 “天窗”式扩散侵染深层淡水含水层。

5 入侵现状及特征

5.1 沧州沿海地区

沧州沿海海岸带为厚层泥质海岸，不具备海水顺层侵入陆相含水层的 “通道”条件，海水入侵类型主要是古海水入侵，同时存在咸水越流入侵和风暴潮入侵。

5.1.1 古海水入侵

沧州沿海平原区受第四纪晚更新世以来4次海侵活动影响，在沿海地区百米深度内沉积了3～4层海相地层，分布在盐山－沧州－黄骅－天津一线沿海平原地区。该区浅层无淡水，地下水水质结构由 “咸水—深层淡水”二元结构过渡为 “全咸水”一元结构，咸水体底界线埋深大于200 m。

5.1.2 现代海水入侵

沧州沿海存在咸水越流补给深层淡水，咸水底界线呈垂向下移和水平西移趋势。20世纪70年代初，咸水界线埋深向东至南运河以东120～160 m，黄骅海兴大于200 m；而到20世纪90年代末，形态与20世纪70年代相似，东部滨海大于250 m，咸淡水界线埋藏深度明显下降。咸淡水界线为80 m的前缘向西移动7.2 km，下移量一般在10～30 m，下移速率一般为0.4～1.0 m/a。界线下移最严重的地区恰恰是水位下降严重的黄骅一带，黄骅200 m埋深线向西推移6.3 km，160 m埋深面积由12.79 km增加到244.7 km［11］。

5.2 唐山滨海平原区

唐山滨海平原受古海水入侵和现代海水入侵共同作用。

5.2.1 古海水入侵

据已有地质资料，自晚更新世以来，唐山滨海平原曾历史上至少发生过4次规模大小不等的海侵，以最近一次海侵范围分布最广，形成了海相成因咸水体，视为古海水入侵，分布情况如表1和图1所示［10］。

表1 唐山沿海晚更新世以来海侵范围说明

5.2.2 现代海水入侵

唐山沿海平原现代海水入侵方式主要有咸水顺层浸染浅层淡水、越流补给深层淡水，及“天窗”式入侵。

（1）咸水顺层浸染浅层淡水

乐亭县境内赋存浅层淡水，淡水体厚度约20～60 m，由于取水方便经济，是生活和农田灌溉的主要供水水源，随着浅层淡水开采量的逐年增加，造成局部淡水水位普遍低于咸水位，导致咸水顺层侵染浅层淡水。

据1996—1997年浅层咸淡水界线和20世纪80年代初浅层咸淡水界线对比，在乐亭县张各庄、汤家河一带，其咸淡水界线已向北推移1.5～5.75 km，侵入面积20.3 km2左右［10］。

据乐亭岗子监测井 （18m），1998年矿化度为522.8 mg/L，氯离子含量103.5 mg/L，2001年分别为1 186.4 mg/L及375.1 mg/L，2009年分别为1 035.2 mg/L及2 429.4 mg/L，水质咸化程度逐年加剧［13］。

据2010年初步确定的乐亭沿海咸淡水界线图，在醋李庄村至独幽城刘庄一线，咸淡水界线向西北方向推进了1.7 km；在三家子村至孙庄村一线，咸淡水界线向北推进了2.4 km［12］。

可见，现状开采条件下，咸水会继续侵染淡水含水层，咸淡水界线有继续向淡水区方向移动的趋势。

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（2）越流补给深层淡水

唐山沿海平原区，受宁河唐海深层地下水漏斗影响，咸水通过越流补给而侵染深层淡水的现象是普遍和大面积存在的，而这种入侵地面没有明显表征，影响因素较为复杂，防御和治理难度较大。

图1 唐山沿海第四纪海侵范围分布

唐山市滨海平原深层淡水氯离子、矿化度含量背景值分别为49.3 mg/L和366.7 mg/L，而南堡碱厂供水井2003年地下水中氯离子及矿化度含量分别为52.5 mg/L和373.2 mg/L，均超过背景值，有咸化趋势。

乐亭沿海地区咸水底板下移情况比较明显，特征为在区域上呈整体均匀下移，局部出现咸水底板下降漏斗。在乐亭沿海地区内形成了以姜各庄－董庄－胡家坨和王滩－京唐港－大清河盐场为中心的两个咸水底板下降漏斗，中心分别为姜各庄西海村和王滩镇八家子。咸水底板的下移，主要是深层淡水开采量增加，水位下降而引起的［12］。

（3）“天窗”式入侵

1976年唐山大地震时，地震力的剪切作用使许多水井遭到破坏，景观破裂、错位、井壁坍塌，大部分报废，又未进行有效地隔水封闭处理。80年代后，随着深层淡水水位的急剧下降，形成上覆咸水向下渗漏，浸染深层淡水含水层。此外，沿海地区一些供水井成井质量低，止水效果差，造成咸水以 “天窗”方式沿井壁直接向深层淡水渗漏，侵染淡水含水层。如丰南市尖字沽吃水井1994年施工，井深210 m，使用1个月后水质变咸，1997年取样化验分析结果为氯离子1 948 mg/L，矿化度3.44 g/L，该区200 m深度内水质有不同程度的咸化，浸染面积约1.5 km2。

5.3 秦皇岛滨海平原区

秦皇岛市海水入侵地质灾害十分严重，相关部门已列为河北省地质灾害重点防治区［14］。秦皇岛滨海地区存在洋戴河平原入侵区、北戴河新河海水入侵区、汤石河平原入侵区和昌黎滨海入侵区［15］。

5.3.1 古海水入侵

秦皇岛滨海平原区受晚更新世以来冀东平原的四次海侵影响，尤其是第四次海侵：自西向东从玉田的虹桥经丰润的双喜庄、丰南黄各庄、滦南喑牛淀、乐亭姜各庄及昌黎团林，止于秦皇岛 （图1），古海水的积留形成了昌黎滨海平原咸水区，其分布形态为大致平行海岸线波形条带状，自西向东逐渐变窄。

5.3.2 现代海水入侵

（1）海 （咸）水顺层入侵

洋戴河平原入侵区为沿含水层和断裂带顺层入侵，入侵范围西起人道河的抚宁县沟儿湾村，东北方向延伸至南李庄、西河南、过洋河继续北向东方向至都寨，再折向东南经枣园、白玉庄村北直到戴河左岸，入侵形态受控于地下水降落漏斗、入侵通道等，最大入侵距离为2009年的6.8 km。该区海水入侵最严重危害最大，2006—2010年入侵范围逐年缩小，但幅度不大 （表2）。

北戴河新河入侵区属于沿构造带海水入侵区，其南靠赤土山、北临海滨林场，最大入侵距离为2006年的4.25 km。该区海水入侵范围随降雨量变化而变化，入侵范围有缩小趋势，以2008年面积最小 （表2）。

汤石河入侵区受降水情况影响较大，呈点状分布在山海关南李庄、晓营附近，及山海关老龙头附近。在市区以老工业区集中的海港区面积较大；此外，海港区卸粮口村因小型水源地长期开采和挖砂采砂等因素发生海水入侵，也是海水入侵较重的区段。该区最大入侵距离为2006年的5.67 km；2006—2008年总入侵面积呈减小趋势，以2006年面积最大，2008年面积最小，2009—2010年入侵面积逐年有小幅增加 （表2）。

表2 2006—2010年海水入侵面积统计［14－16］

昌黎滨海平原入侵区存在浅层淡水，受地下水开采影响，咸淡水界线向内陆方向移动。据相关资料，该区从歇马台村向东南至小蒲河东，淡水含水层呈连续分布，同时存在不连续分布的透镜体状咸水体 （与南排污渠等地表水体的补给有关，存在局部地表咸水体入侵），海水入侵界线位于大蒲河和小蒲河之间，入侵距离约5.7 km［17］。

（2）咸水越流补给深层淡水

昌黎滨海平原入侵区由海岸线向内陆延伸宽度2～10 km，呈与海岸线平行的北东向长条形分布，分界线大体由人道河右岸的西苏撑子村向西南方向经大蒲河、潮河、西新立庄、茹荷至滦河尼龙坝。该区2006－2008年入侵程度平缓，2009－2010年入侵加剧，入侵面积2006年最小，2009年最大为234.24 km2；总的趋势是入侵面积增大，入侵速率不均衡，河口以及开采中心区入侵速率大，入侵体形态变化不大，略呈参差不齐方向发展，该区有咸水和海水混合入侵的趋势。

可见秦皇岛沿海现代海水入侵灾害，自东向西因滨海平原分布面积逐步展宽，入海河流影响增大，其影响强度逐渐增强。该区域受降水量影响较大，这说明在入渗条件较好的秦皇岛地区降雨量与海水入侵程度呈负相关，且关系密切，可以通过调节地下水的补给有效防治海水入侵。

6 海水入侵危害

（1）浅层地下淡水被咸化，土壤通过毛细作用产生盐渍化，导致土壤生态肥力下降，农业减产。此外，沿海地区有较多机井因腐蚀破坏或含水层水源不宜使用而报废，重新钻井增加了农民的生产成本。

（2）增强了地下水的腐蚀能力，使用被侵染的地下水将加速工业管道、设备的腐蚀和老化，缩短设备使用年限，增加企业运营成本；此外，咸化的地下水将腐蚀沿海城镇工业、民用建筑基础，威胁建筑安全。

（3）破坏了沿海地区居民饮用水源地，导致饮用水资源减少，如秦皇岛抚宁枣园水源地，因海水入侵造成一部分水源井报废，致使水源地的供水能力下降。

（4）造成沿海地下淡水资源减少，将限制滨海地区工业企业的规划和布局，不利于沿海经济的持续发展。

7 海水入侵防治分析

7.1 海水入侵防治对策

随着海水入侵程度的加剧和危害影响的加深，人们对海水入侵认识加深，政府对海水入侵灾害相关研究和防治投入力度加大，海水入侵防治措施由最初依靠在淡水区重新建立采区这种普遍的无序的被动防御方式，转变为采取包括兴建防潮堤、拦蓄补源、引调客水、节水以及抽咸补淡等主动手段。

（1）建立海水入侵灾害防治机制。现状条件下，防治目标为维持咸、淡水界线达到动态的平衡，将其控制在一个可容忍的程度，并有逐年减小的趋势［17］。这也说明了海水入侵防治工作具有长期性、持续性的特点，因此需要建立一种长效的工作机制，对海水入侵发展、治理工程的效果和环境后效应等进行跟踪调查、监测和研究，及时发现问题并提出应对措施。

（2）制定海水入侵灾害防治规划。海水入侵灾害防治不只是水文地质学范畴内的技术问题，而是牵扯资源利用和环境保护等相关区域发展的重要课题。因此在制订防治方案时既要考虑到海水入侵类型、方式和层位等因素，又要结合生态恢复、环境保护等问题，以一种综合防治体系纳入海水入侵灾害防治规划中。

（3）控制地下水开采量。地下水超采是诱发海水入侵的最主要因素，故需要严格执行地下水限采制度，划定限采区和禁采区，给出开采阀值，如洋戴河入侵区为3 000万m3/a，汤石河入侵区为1 800万 m3/a［7］。

（4）建造拦蓄补源和地下水回灌工程。主要包括河口防潮坝、沿岸地下水库和渗渠、渗井回灌补给地下水等，旨在抬高地下淡水水位。该措施只要合理利用，成效显著，特别是对于入海流量巨大的河流，应积极提倡；而回灌井直接回灌范围小，存在淤塞、寿命短、造价高等问题，适宜局部地区的补源调蓄。如秦皇岛洋戴河平原，在洋河口、戴河口可采用橡胶坝工程，在地下水漏斗区可修筑帷幕工程，形成沿岸地下水库，一方面阻止海水入侵，另一方面拦蓄淡水，大大缓解了该区海水入侵程度［8］。

（5）淡水帷幕工程。淡水帷幕工程的基本条件是要有淡水资源，其采用以沟渠入渗为主的工程布局。通过在淡水帷幕附近形成与入侵界线平行的高水位带，形成淡水屏幕，阻止咸水侵入。

（6）调水工程。这是 “客水论”的产物，该方法基于北方水资源短缺的现实和未来用水需求增长的根本措施。如南水北调贯通后，沧州黄骅沿海可以用境外水资源替代深层地下水资源，缓解深层水开采压力。

（7）建造刚性工程。主要指建造防潮堤和地下坝工程等刚性工程措施，通过直接切断淡水与咸水的联系来达到控制海水入侵的目的。此种方法类似于荷兰式的填海造陆防潮工程，成功应用于山东省莱州市朱家村防治海水沿地表和河口的入侵工程中［18］。

（8）抽咸补淡。抽咸补淡是指在咸水区大量抽取地下咸水，形成抽水帷幕，在淡水区兴建淡水水库，以淡压咸，从而达到防治海水入侵的目的。潮间带抽咸养殖工程应用较多，形成抽水帷幕，降低了咸水水头，客观上起到了阻止海水沿地下含水层的入侵的目的。

（9）推广海 （咸）水淡化工程。淡化工程技术可行但造价较高，在条件许可且经济可行的情况下，积极推广海 （咸）水淡化工程，确保居民生活用水，可减少地下水开采量。

7.2 海水入侵防治方法选择

河北省海水入侵灾害防治宜建立海水入侵灾害防治长效机制，在海水入侵灾害防治规划指导下，结合海侵的特点，以 “合理开采”和“节水”为基础辅以其他适合的防治措施。

沧州沿海平原地区的海 （咸）水入侵导致了咸水底界下移，其主要因素是超采深层地下水资源，所以严格控制水源井建设、合理布局和开采地下水资源是关键，此外，引用 “客水”作为灌溉和引用水源也可以缓解地下水供给压力，减缓咸水底界下移的速度。

唐山沿海平原地区海 （咸）水入侵情况较为复杂，治理难度较大。海 （咸）水入侵呈现“水平和垂向”方式运移的特点，治理措施也当区别选择：针对咸水水平浸染浅层淡水含水层，可以采用建造拦蓄补源、地下水回灌工程、淡水帷幕和调水工程相结合的措施，增加地下水的补给量；而对于咸水垂向越流侵染深层淡水，因含水层厚度大、埋藏深，天窗入侵点不好掌握，目前还缺乏有效的防治实践措施，笔者认为可以采用地下水补给区拦蓄补源，局部通过回灌井直接对地下水进行补给的措施。

秦皇岛沿海地区海水入侵研究程度相对较高，治理工程实施较早，目前采用的措施主要有建造拦蓄补源和地下水回灌工程、调水工程和抽咸补淡工程等措施，笔者认为秦皇岛具有从山前平原直接到沿海平原的地貌特征，包气带入渗条件好且补给路径短，地下水动态受气象条件直接影响，因此适宜大力推广拦蓄补源、地下水回灌工程和淡水帷幕工程，其治理效果显著。

8 结束语

总之，河北沿海平原海水入侵灾害是目前沿海城市发展和经济社会建设的瓶颈问题，若不及时加以防治，危害将日益严重。它以古海水入侵和现代海水入侵共同存在，特别是现代海水入侵广泛分布于唐山、秦皇岛沿海平原区。现代海水入侵有面状、带状、点状、天窗入侵的特点，究其成因存在三方面主要因素：干旱少雨、水资源不足是海水入侵的背景因素；地质因素是海水入侵的基础条件，控制着海水入侵的分布、途径和方式；不合理的人类活动是诱发条件，控制着海水入侵的速度和程度。河北沿海海水入侵的防治宜区别不同地区、针对不同的入侵源，结合入侵成因和特征以及不同地质条件，分别采取不同的防治措施，达到最佳治理效果。

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