莱州湾沿岸海水入侵区地下水化学特征

李波，胡舒娅，赵全升

1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.青岛大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266071

0 引言

海(咸)水入侵是指在自然或人为因素影响下，滨海地下含水层的水动力条件发生改变，破坏了淡水与海水或古咸水之间的平衡状态，导致海水或高矿化咸水沿含水层向内陆方向侵入的过程与现象，以下简称海水入侵[1--3]。海水入侵是一个普遍的全球性问题，人类活动所涉及的沿海地区均存在不同程度的海水入侵[4]。

目前，全世界有几十个国家和地区都发现了海水入侵问题，如荷兰、德国、比利时、英国、法国、意大利、希腊、葡萄牙、西班牙、日本、澳大利亚、墨西哥、美国、印度、菲律宾、印度尼西亚、以色列和中国等，海水入侵的普遍性和危害性引起了国际社会的高度关注，有关国家和地区十分重视，并积极应对这个重大环境灾害的挑战。海水入侵的直接后果是地下淡水受到污染，水质恶化，严重影响沿海地区的人畜用水。海水入侵后，地下淡水被咸化，使土壤发生不同程度的盐渍化，农业产量大幅度下降，同时也影响工业发展，致使企业由于淡水供应不足而被迫停产或搬迁。

早在1991年,薛禹群等[5]就通过数值模拟的方法建立了龙口海岸带海水入侵咸淡水界面运移规律的三维数值模型。吴吉春、薛禹群又提出用改进特征有限元法来求解高度非线性的咸水入侵问题，以克服在求解时碰到的数值弥散和振荡困难[6]。而后李国敏、陈崇希[7]和成建梅等[8]学者对海水入侵模型进行了许多的改进和创新，建立了三维变密度对流--弥散水质数学模型，并对咸淡水界面地下水运移规律进行了研究。随着计算机模拟技术的发展，MODFLOW、FEFLOW、SUTRA和GMS等地下水数值模拟和溶质运移软件逐渐用来预测和模拟海水入侵问题[9--12]。但数值模拟模型多采用理想化的研究域或单元，视含水层为水平层状，在对含水入侵问题进行模拟时咸淡水界面考虑浓度在垂直向和水平向随时间变化的较少，而把海水当作示踪剂在含水层中运移的多。通过实验室物理模拟的方法研究海水入侵问题多是针对均质含水层中咸水入侵过程中的咸水楔和咸淡水混合区的变化[13--16]，例如郑西来等[17]采用室内物理模拟的方法，通过盐浓度的突变与渐变来研究咸水--淡水界面的水敏感性。物理模型的制作对研究结果的影响较大，若模型相似度不高，实验结果很难理想。因此，通过野外实地监测可较好地掌握海水入侵的分布状况，对咸水入侵地下水化学特征进行分析是较真实可靠的方法。通过对研究区海水入侵分布及地下水化学特征的分析研究可为咸水入侵的防治提供更加科学的数据支撑。

1 研究区概况

研究区属北温带东亚季风区大陆性气候，四季分明，气候温和。多年平均气温12℃～13℃，7月份最高平均气温24℃～27℃，1月份最低平均气温-1℃～-4℃。多年年平均降水量561 mm，年内分布不均，年降水多集中于7～9月，约占全年降水量的60%，降水量年际变化大。特枯年(降水保证率95%)平均年降水量为348 mm，较丰水年(降水保证率20%)的676 mm减少48.5%。多年平均水面蒸发量1 300～1 500 mm。其分布规律与降水相反，从西北向东南呈递减变化。

研究区总的地势东部高、西部低，由陆地向渤海湾倾斜，河流水系分属于海河流域、黄河流域和淮河流域山东半岛沿海诸河水系。跨越了华北平原、鲁西和鲁东3个地层区，齐河--广饶断裂以北、昌邑--大店断裂以西为华北平原地层区，齐河--广饶断裂以南、昌邑--大店断裂以西为鲁西地层区，昌邑--大店断裂以东为鲁东地层区(图1)。

图1 研究区位置及监测点分布图Fig.1 Location and sample distribution map of study area

大气降水、地表水和地下水构成了研究区陆地水循环系统，地下水系统是陆地水循环系统的组成部分，其水动力场和水化学场等受到气象、水文、地质地貌和含水介质的影响和制约。依据含水层埋藏条件、含水介质类型和水化学类型等，将地下水系统(500 m深度内)划分为浅层、中层和深层3个含水层系统。浅层地下水含水层系统为开放型地下水系统，直接接受大气降水、灌溉回渗和河渠侧渗等垂直入渗补给，通过蒸发、人工开采等向外排泄。其与外部环境关系密切，环境条件的改变直接影响着系统功能的变化，且反应迅速。中层咸水含水层系统是指鲁北地区咸水含水层组，属半封闭型地下水系统，由于其开发利用程度较低，暂不对其进行研究。深层地下淡水含水层系统包括了鲁北地区深层淡水含水层组和南部冲洪积扇区中深层淡水含水层组。根据沉积物来源和成因类型，深层地下淡水含水层系统可划分为山前冲积洪积平原地下水系统、冲积湖积平原地下水系统和滨海海积冲积平原地下水系统。

2 海水入侵概况

莱州湾沿岸是山东半岛海水入侵危害最严重的地区，部分地段由点状连成了片状，由片状又形成了连续的入侵带。莱州湾沿岸的全咸水区位于海岸线与冲积海积平原，主要为孔隙咸水和半咸水，咸--淡多层孔隙水区是莱州湾咸水入侵发生的主要地区[18]。莱州湾沿岸海水入侵的发生可划分成初始阶段(1976—1979)、发展阶段(1980—1986)、恶化阶段(1987—1989)、缓解阶段(1990—1995)和分化阶段(1995—2017)[19--20]。

海水入侵导致含水层水质恶化，最明显的是水中Cl-和TDS的增加，Cl-是海水中最主要的稳定离子而且测定简单。中国《生活饮用水卫生标准(GB5749--2006)》规定氯化物含量不应超过250 mg/L，因此，国内学者多以250 mg/L作为判断海水入侵最直接的单一指标[1]。本研究同样选择Cl-含量>250 mg/L作为咸水入侵标准，通过对174个监测点水化学分析圈定了海(咸)水的入侵范围，现阶段研究区咸淡水界面线位于广饶县石村—稻庄—寿光抬头—昌邑双台—柳疃—夏店—莱州一线(图2)，根据不同岸段海岸环境差异和入侵物源的不同可分为沙河河口—邑北部潍河河口平原海咸水混合入侵区、寒亭广饶平原地下咸水入侵区和土山东海水入侵区3种类型区。

图2 莱州湾沿岸含水层海水入侵分布图Fig.2 Distribution map of seawater intrusion in coastal aquifer of Laizhou Bay

3 地下水化学特征

丘陵区浅层地下水化学特征受地形地貌、气象和水文地质等综合因素控制，地下水经过溶滤、阳离子交替--吸附和蒸发浓缩等作用具有水平分带性；鲁北平原区地下水化学特征受古沉积环境的影响，也具有明显的垂直和水平分带特征。

3.1 浅层地下水化学特征

浅层地下水按舒卡列夫分类法，阴离子水化学类型有HCO3型、HCO3·Cl型、HCO3·SO4型、Cl·HCO3型和Cl型等5种(图3)，阳离子类型有Na型、Na·Mg型、Mg·Na型、Ca·Mg型、Mg·Ca型、Ca·Mg型、Ca型、Ca·Na型和Na·Mg·Ca型等9种；平原区以Na型、Na·Mg型、Mg·Na型为主，丘陵山区以Ca型、Ca·Mg型为主。自西向东、自南向北，由黄河冲积平原到滨海冲海积平原、由山前冲洪积平原到滨海地带，地下水趋于咸化，水化学类型由HCO3和HCO3·Cl型过渡为Cl·HCO3和Cl型，地下水矿化度由<2 g/L的淡水和微咸水逐渐过渡到矿化度>10 g/L的盐水和卤水。整体上在可以开发利用的淡水和微咸水中，以南部冲洪积扇区和莱州市中南部地下水水质良好，黄河冲积平原区西部最差。

图3 浅层地下水水化学类型分区图Fig.3 Hydrochemical type zoning map of shallow groundwater

南部冲洪积扇区含水层厚度大、颗粒粗，补给条件好、径流顺畅，地下水水化学类型主要为HCO3和HCO3·Cl型，为矿化度<1 g/L淡水和1～2 g/L的微咸水；莱州市中南部丘陵山区地下水水力坡度大，径流通畅，水化学类型主要为HCO3·Cl和HCO3·SO4型，为矿化度<1 g/L淡水和1～2 g/L的微咸水；黄河冲积平原区西部地形平缓，含水层颗粒较细，地下水径流缓慢，水交替不畅，水化学类型主要为Cl·HCO3型，为矿化度1～3 g/L的微咸水。滨海冲海积平原区，除中西部黄河河道带水质稍好外(水化学类型为HCO3·Cl和Cl·HCO3型，为矿化度1～5 g/L的微咸水和半咸水)，地下水埋藏浅、径流缓慢，垂向潜水蒸发强烈，水质咸化，化学类型为Cl型，为矿化度为>5 g/L的咸水、盐水和卤水。

3.2 深层地下水化学特征

深层地下水按舒卡列夫分类法，阴离子水化学类型有HCO3型、HCO3·Cl型、HCO3·Cl·SO4型、Cl·S4型和Cl·SO4·HCO3型等5种(图4)，阳离子类型有Mg型、Mg·Ca型、Mg·Na型、Ca型和Ca·Na型等5种。深层地下水水平方向水化学分带明显，山前冲洪积平原地下水系统地下水径流条件较好，循环较强烈，水化学作用处于溶滤阶段，水化学类型以低矿化度的HCO3型和HCO3·Cl型为主；冲积湖积平原地下水系统地下径流极其缓慢，受古地理环境和古气候影响，大陆盐化作用明显，多以高矿化度Cl·SO4型水为主；滨海海积冲积平原地下水系统受古海水侵入影响，以Cl型水为主。

图4 深层地下水水化学类型分区图Fig.4 Hydrochemical type zoning map of deep groundwater

山前冲积洪积平原地下水系统区南部为全淡水区，阴离子类型以HCO3型和HCO3·Cl型为主，西部高青县附近分布有Cl·SO4型、Cl·SO4·HCO3型水。阳离子类型总体上自南往北由Ca型水，中部的Ca·Mg型、Ca·Na型、Mg·Ca型、Mg·Na型，向北部的Mg型转化。地下水绝大部分为矿化度<1 mg/L 的淡水，边缘过渡带为1～2 mg/L的微咸水。F-离子含量南部淡水区均<1 mg/L，北部最高可达4 mg/L，由南往北逐渐增高。

北部冲积湖积平原地下水系统区阴离子类型西部以HCO3型、HCO3·Cl型和HCO3·Cl·SO4型水为主，中部以Cl·SO4型、Cl·SO4·HCO3型水为主，东部以Cl·SO4型、HCO3·Cl型和HCO3·Cl·SO4型水为主。阳离子类型均为Mg型。地下水矿化度1～2 mg/L。F-离子含量一般均>2 mg/L，有一半以上的地区>3 mg/L，最高含量位于乐陵市黄夹镇—宁津县长官镇一带，F-离子含量>5 mg/L。

海积冲积平原地下水系统区大部分阴离子类型以Cl型水为主，边界附近分布有SO4·Cl型、HCO3·Cl型和HCO3·Cl·SO4型水。阳离子类型为Mg型水。 F-离子含量1～2 mg/L。为全咸水分布区。

4 结论

(1)以Cl-含量>250 mg/L作为咸水入侵标准，现阶段研究区咸淡水界面线位于广饶县石村—稻庄—寿光抬头—昌邑双台—柳疃—夏店—莱州一线。

(2)浅层地下水，自西向东、自南向北，由黄河冲积平原到滨海冲海积平原、由山前冲洪积平原到滨海地带，地下水趋于咸化，水化学类型由HCO3和HCO3·Cl型过渡为Cl·HCO3和Cl型，地下水矿化度由<2 g/L的淡水和微咸水逐渐过渡到矿化度>10 g/L的盐水和卤水。

(3)深层地下水水平方向水化学分带明显，从山前冲洪积平原、冲积湖积平原至滨海海积冲积平原，水化学类型也由低矿化度的HCO3型、HCO3·Cl型转变为高矿化度Cl·SO4型和Cl型。