王天寶 戴維 白瑩

摘要：萊州灣地區(qū)受海水入侵的影響，水質(zhì)咸化、土壤鹽堿化、農(nóng)業(yè)減產(chǎn)等問(wèn)題嚴(yán)重。本文根據(jù)實(shí)際調(diào)查和水文地質(zhì)資料，對(duì)萊州灣東岸典型地區(qū)海水入侵現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，基于VisualModflow-SEAWAT和MT3DS模塊建立地下水?dāng)?shù)值模型和溶質(zhì)運(yùn)移模型，模擬海水入侵發(fā)展趨勢(shì)。經(jīng)預(yù)測(cè)，未來(lái)10年該區(qū)海水入侵速率逐漸減弱，呈衰退趨勢(shì)，研究區(qū)海水入侵基本得到控制。

關(guān)鍵詞：萊州灣；海水入侵；數(shù)值模擬

海水入侵是指濱海地區(qū)地下水位大幅度下降出現(xiàn)的海水和淡水交融界面向陸地方向移動(dòng)的現(xiàn)象[1，2]。近30年來(lái)，中國(guó)至少有十幾個(gè)濱海城市地區(qū)發(fā)生了海水入侵[3]，海水入侵已經(jīng)成為沿海城市急需解決的熱點(diǎn)問(wèn)題[4]。萊州灣地區(qū)作為山東重要的漁業(yè)基地，海水入侵問(wèn)題也較為嚴(yán)峻[5]。海水入侵造成了地區(qū)海水倒灌，引發(fā)土壤鹽漬化，造成了濱海農(nóng)田減產(chǎn)顯著[6，7]。萊州灣東岸平原區(qū)地下水礦化度、Cl-濃度等隨海水入侵而不斷升高，部分地區(qū)水質(zhì)已遠(yuǎn)不符飲用甚至灌溉標(biāo)準(zhǔn)，而因工農(nóng)業(yè)需水量大及水文地質(zhì)條件限制，地下咸水的持續(xù)開(kāi)采造成了惡性循環(huán)[8]。針對(duì)萊州灣地區(qū)海水入侵問(wèn)題，黃磊[3]、陳廣泉[9]等學(xué)者近幾十年持續(xù)進(jìn)行調(diào)查評(píng)價(jià)。

本文以實(shí)際調(diào)查和水文地質(zhì)資料，對(duì)當(dāng)前海水入侵造成的地下水咸化現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用VisualModflow建立地下水?dāng)?shù)值模擬對(duì)萊州灣東岸地區(qū)海水入侵未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)，為今后當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)發(fā)展及用水提供一定參考。

1.研究區(qū)概況

研究區(qū)（37°10′～37°20′N，119°46′～120°00′ E）位于山東省萊州市西北部萊州灣東岸，程郭鎮(zhèn)以西至萊州灣沿岸，萊州市區(qū)以北到過(guò)西地區(qū)（圖1）。

研究區(qū)地勢(shì)南高北低，東高西低，以構(gòu)造剝蝕丘陵和沖積海積平原為主[10]。區(qū)域平均降水量619.1mm，各類含水層發(fā)育厚度不大，區(qū)域自然地理狀況、水文地質(zhì)背景及人類生產(chǎn)生活等因素共同影響著地下水的循環(huán)。根據(jù)賦存條件對(duì)區(qū)內(nèi)地下水分區(qū)，北部和萊州灣沿岸大部分地區(qū)為孔隙水含水區(qū)，東南部萊州市區(qū)附近為基巖裂隙含水區(qū)。

2.研究區(qū)海水入侵現(xiàn)狀

2.1萊州灣地區(qū)海水入侵發(fā)展史

萊州灣地區(qū)海水入侵始于1976年，隨后十幾年海水入侵發(fā)展迅速，在降水劇減、地下水人為超采、工程活動(dòng)等因素共同影響下[5，11]，80年代末萊州灣地區(qū)成為國(guó)內(nèi)極為典型的海水入侵嚴(yán)重地區(qū)。海水入侵速度隨時(shí)間呈現(xiàn)先增后減的發(fā)展趨勢(shì)，惡化階段入侵速度可達(dá)153km2/a，面積達(dá)627.3km2，雖然20世紀(jì)90年代以來(lái)海水入侵呈現(xiàn)緩解趨勢(shì)，但入侵面積仍在擴(kuò)大[12]。

2.2研究區(qū)海水入侵現(xiàn)狀

本次調(diào)查根據(jù)研究區(qū)內(nèi)不同水文地質(zhì)單元的不同地質(zhì)情況設(shè)置了16個(gè)檢測(cè)點(diǎn)（圖2），其中JC14、JC15監(jiān)測(cè)碳酸巖巖溶裂隙水含水區(qū)，JC7、JC9監(jiān)測(cè)基巖裂隙水含水區(qū)，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)海水入侵較為嚴(yán)重的孔隙水含水區(qū)，分別取樣進(jìn)行水質(zhì)分析。

參照研究區(qū)地下水實(shí)際情況結(jié)合Cl-的特征性和穩(wěn)定性，采用單因子評(píng)價(jià)法選取Cl-作為評(píng)價(jià)因子。以地下水中250mg/LCl-濃度作為識(shí)別海水入侵海咸水交換的界面，氯度低于250mg/L的區(qū)域即為淡水，大于250mg/L為受海水入侵影響，超過(guò)1000mg/L為海水入侵嚴(yán)重的咸水區(qū)。調(diào)查結(jié)果（圖2）顯示，研究區(qū)當(dāng)前受海水入侵影響范圍約54.37km2，沿海岸線地區(qū)受海水入侵影響較為嚴(yán)重，西北部沿海松散孔隙水含水單元崔家、東方養(yǎng)蝦池等氯度超過(guò)1000mg/L，為嚴(yán)重影響區(qū)；沿岸向內(nèi)陸氯度呈階梯狀逐漸降低，龍王河流域中下游海水入侵沿河岸呈帶狀分布；大原地區(qū)因印刷等工業(yè)大量開(kāi)采地下水，受海水入侵影響較為嚴(yán)重；南部基巖裂隙含水區(qū)和碳酸巖巖溶裂隙含水區(qū)受海水入侵影響較小。

3.研究區(qū)海水入侵發(fā)展趨勢(shì)模擬預(yù)測(cè)

3.1水文地質(zhì)概念模型及數(shù)學(xué)描述

根據(jù)區(qū)內(nèi)的自然地理狀況、水文地質(zhì)條件以及含水層流場(chǎng)的分析結(jié)果，依照含水層滲透性等因素概化實(shí)際水文地質(zhì)狀況，建立概念模型（圖3）。區(qū)內(nèi)地下水主要自東向西入海，北側(cè)與地下水流線重合，近似概化為第二類零流量邊界；東側(cè)與南側(cè)均接受區(qū)外地下水側(cè)向補(bǔ)給，為第二類流量邊界；西側(cè)沿海，近似為第二類定流量邊界；將-70m處作為模擬區(qū)底面，因海水入侵對(duì)深層含水層影響甚微，概化為第二類零流量邊界。

根據(jù)上述概念模型，將實(shí)際地下水流概化為三維非穩(wěn)定地下水系統(tǒng)，可用下述數(shù)學(xué)模型來(lái)描述：

3.2數(shù)值模型結(jié)構(gòu)及其識(shí)別與檢驗(yàn)

依據(jù)上述概念模型及數(shù)學(xué)模型，利用VisualModflowSEAWAT模塊建立數(shù)值模型并求解。研究區(qū)約長(zhǎng)22.7km，寬19.2km，大地坐標(biāo)X為20743737m～20766484m，Y為4118556m～4137727m，總陸地面積約220.23km2。受地層結(jié)構(gòu)及其分布特征限制，將模型在垂直面上共分四層，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行100m×100m等間距剖分，東西向分227列，南北向分192行。

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，確定模型參數(shù)分區(qū)。第一層滲透系數(shù)K1為0.3433m/d，Ss取0.07；后三層K均取0.18m/d，Ss取0.01。模型側(cè)向徑流補(bǔ)給以pumpingwell形式加入模型，補(bǔ)給量按照達(dá)西定律計(jì)算所得。

將2016年3月～2017年3月作為模擬期模型的識(shí)別期，對(duì)比模擬計(jì)算水位與實(shí)際觀測(cè)水位值，進(jìn)行多次調(diào)試，優(yōu)選參數(shù)，盡可能使結(jié)果與實(shí)測(cè)值誤差在允許范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)擬合如圖4。模型計(jì)算所得地下水水位與實(shí)測(cè)水位基本擬合，誤差小于0.5m，符合精度要求（圖4）。

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，在現(xiàn)有補(bǔ)給開(kāi)采條件下，區(qū)內(nèi)地下水水均衡狀況（表1）處于正均衡狀態(tài)。

3.3模型預(yù)測(cè)

3.3.1預(yù)測(cè)方案

在識(shí)別驗(yàn)證模型的基礎(chǔ)上，以標(biāo)準(zhǔn)海水中Cl-濃度19354mg/L加入到模型MT3DMS模塊，進(jìn)行10年變密度非穩(wěn)定流模擬，預(yù)測(cè)正常用水條件下海水對(duì)區(qū)內(nèi)地下水造成的影響。結(jié)合當(dāng)?shù)氐穆榷缺尘爸?，將海水與地下淡水互溶的咸淡水混合區(qū)和咸水區(qū)，統(tǒng)一劃分為海水入侵影響范圍，靠?jī)?nèi)陸為淡水區(qū)，以氯度是否超過(guò)250mg/L作為判定標(biāo)準(zhǔn)，大于等于250mg/L區(qū)域?yàn)楹Ｋ肭钟绊憛^(qū)，小于250mg/L為淡水區(qū)。

3.3.2預(yù)測(cè)結(jié)果及分析

結(jié)果表明，360天后研究區(qū)內(nèi)海水入侵范圍為58.92km2，1000天后增大至64.57km2，3600天后為76.85km2?？梢?jiàn)，當(dāng)前條件下研究區(qū)海水入侵范圍仍然呈增加趨勢(shì)，但入侵速率逐年降低，3600天后速率由4.55km3/a衰減到0.88km3/a，海水入侵基本得到控制（表2）。

4.結(jié)論與建議

4.1結(jié)論

（1）現(xiàn)狀

當(dāng)前研究區(qū)西北側(cè)渤海沿岸受海水入侵影響較為嚴(yán)重，沿海岸線呈線狀分布，向內(nèi)陸遞減，龍王河水系沿岸、大原工業(yè)區(qū)受影響較嚴(yán)重，呈點(diǎn)狀侵入，兩翼不斷呈面狀擴(kuò)散。研究區(qū)受海水入侵影響總范圍約54.37km2，受影響程度從沿岸至內(nèi)陸呈階梯狀遞減。

（2）發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)VisualModflow建立的地下水?dāng)?shù)值模型的模擬情況，研究區(qū)未來(lái)10年受海水入侵的影響范圍仍在緩慢擴(kuò)大，但速率呈衰退趨勢(shì)，可見(jiàn)區(qū)域海水入侵基本得到控制，在當(dāng)前地下水均衡條件下，海水入侵速率逐漸衰減未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。海（咸）水入侵主要發(fā)生在以砂層、粘土層為主的孔隙水含水層中，對(duì)基巖裂隙水含水區(qū)和碳酸巖基巖裂隙水含水區(qū)的影響較小。

4.2建議

當(dāng)前水均衡狀態(tài)下，該區(qū)海水入侵基本得到控制，這與控制地下水開(kāi)采有密切關(guān)系，但該區(qū)受氣候、水文等因素制約，作為地下水主要補(bǔ)給來(lái)源的大氣降水隨季節(jié)、年際變化具有不均衡性，因此應(yīng)合理規(guī)劃地下水開(kāi)采，避免枯水期、枯水年份超采地下水使地下水位迅速下降而加劇海水入侵。此外，結(jié)合水文地質(zhì)條件建立地下水庫(kù)，采用帷幕注漿方法建立地下隔水屏障等方式均可以減緩地下水咸化。

參考文獻(xiàn)：

[1]李雪，葉思源.海水入侵調(diào)查方法研究進(jìn)展[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)， 2016， 36（06）： 211-7.

[2]郭占榮，黃奕普.海水入侵問(wèn)題研究綜述[J].水文， 2003（03）： 10-5+9.

[3]黃磊，郭占榮.中國(guó)沿海地區(qū)海水入侵機(jī)理及防治措施研究[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)， 2008（02）： 118-23.

[4]高茂生，駱永明.我國(guó)重點(diǎn)海岸帶地下水資源問(wèn)題與海水入侵防控[J].中國(guó)科學(xué)院院刊， 2016， 31（10）： 1197-203.

[5]孫曉明，徐建國(guó)，楊齊青，等.環(huán)渤海地區(qū)海（咸）水入侵特征與防治對(duì)策[J].地質(zhì)調(diào)查與研究， 2006（03）： 203-11.

[6]劉賢趙.萊州灣地區(qū)海水入侵發(fā)生的環(huán)境背景及對(duì)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境的影響[J].水土保持研究， 2006（06）： 18-21.

[7]衣華鵬，張鵬宴，畢繼勝，等.萊州灣東岸海水入侵對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響[J].海洋科學(xué)， 2010， 34（01）： 29-34.

[8]苗青，陳廣泉，劉文全，等.萊州灣地區(qū)海水入侵災(zāi)害演化過(guò)程及成因[J].海岸工程， 2013， 32（02）： 69-78.

[9]陳廣泉，徐興永，彭昌盛，等.萊州灣地區(qū)海水入侵災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)， 2010， 19（02）： 103-12.

[10]韓美.萊州灣地區(qū)海水入侵與地貌的關(guān)系[J].海洋與湖沼， 1996（04）： 414-20.

[11]王巍萍，馮麗，林瑛.煙臺(tái)市海水入侵現(xiàn)狀分析及防治措施探討[J].地下水， 2018， 40（05）： 189-91.

[12]莊振業(yè)，劉冬雁，楊鳴，等.萊州灣沿岸平原海水入侵災(zāi)害的發(fā)展進(jìn)程[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 1999（01）： 146-52.