我國重點海岸帶地下水資源問題與海水入侵防控*

1 中國地質調查局青島海洋地質研究所 青島 266071 2 中國科學院煙臺海岸帶研究所 煙臺 264003

我國重點海岸帶地下水資源問題與海水入侵防控*

高茂生1駱永明2

1 中國地質調查局青島海洋地質研究所 青島 266071 2 中國科學院煙臺海岸帶研究所 煙臺 264003

由于海岸帶地理、地質條件的特殊性，我國重點海岸地下水資源環境承載力脆弱。近年來，圍海造陸等海岸工程加快，海岸帶環境水文地質問題頻發，生態環境惡化，已經嚴重制約我國海岸帶的生態建設。文章分析了我國海岸帶環境水文地質特征，研究海岸帶地下水需求現狀和不合理開采地下水所產生的主要地質環境問題，指出水資源短缺、海（咸）水入侵所導致的生態環境退化問題將嚴重制約我國海岸帶的可持續發展，如何科學促進地下水資源和環境的協調發展，已成為我國海岸帶綜合管理的一項重要戰略任務。

海岸帶，地質，地下水，海（咸）水入侵

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.10.009

海岸帶界于大陸與海洋交匯處，大江大河的入海口為重點海岸帶。海岸帶水體交換能力強，地下水資源相對豐富，但水資源徑流量存在時間分配的不合理性和空間分布的不均勻性，如大連、秦皇島、天津、青島、溫州、廈門、北海等濱海城市陸續出現資源性缺水和水質性缺水現象[1,2]，資源環境承載力明顯下降。海岸帶生態環境脆弱，已成為我國重點海岸帶經濟社會發展的重要限制因素[3]。

海岸帶生態環境問題與地下水密切相關，特別是與地下水資源的不合理開采有直接關系。人類工程活動加劇，導致地下水水位、水質或能量發生顯著改變，地下水參與的水循環、巖（土）水力學與地下水流場的動態平衡均遭破壞，海岸帶將出現諸多環境地質問題。如區域性地下水位持續下降、海（咸）水入侵、土壤鹽漬化、地面下沉、地下水質污染等。其中海（咸）水入侵是海岸帶水系聯動導致的重要問題之一。陸地含水層中的淡水與海洋海（咸）水之間平衡被破壞后，導致的海水（或與海水有水力聯系的咸水）沿含水層向陸地方向入侵，從而形成海（咸水）入侵現象，對陸地地下淡水造成極大污染。

當前，我國沿海地區人口密集、經濟高速發展，海岸帶水資源和環境問題具有長期性和復雜性。海岸帶地下水問題還包含較之江河直排更為隱秘的海岸帶地下水排泄，這將可能造成近岸海域的水質污染。海（咸）水入侵又使得砂質（粉砂質）海岸地區淡水資源缺乏的問題進一步加劇。為滿足人類生產生活的需求、緩解水資源的短缺和時空分布不均等問題，沿海各地都在積極尋求海岸帶地下水及海（咸）水入侵問題的解決途徑和方法。

1 國內外研究歷程及現狀

19 世紀以來人類開始海岸帶地下水和海（咸）水入侵研究，J. Du. Commun、Badon Ghyben 和 Herzberg 分別于 1828、1889、1901 年各自給出咸淡水界面上任一點在海平面下深度的數學表達式[4]。20 世紀 40 年代以來，澳大利亞針對墨爾本、悉尼等海岸的海水入侵現象進行專項監測，制定用水計劃并采取工程措施，海水入侵得到一定緩解。1965 年，西班牙的巴塞羅那理工大學開始對該國地中海沿岸進行地下水流動與鹽度關系、海（咸）水入侵預測、管理及治理等研究[4]。20 世紀后半期，日本學者通過對富士、大阪的海水入侵現象進行長期監測，提出相應的節水法規和防治海水入侵危害的措施。Bear 在《多孔介質流體動力學》（1972 年）和《地下水水力學》（1979 年）中論述了穩定界面與移動界面近似解以及井在界面上抽水所引起的升錐問題。1985 年，英國劍橋召開國際水文地質學家協會（IAH）第 18 屆會議，較全面介紹了海水入侵的研究現狀、基本原理、地質條件、地下水開采、計算方法、監測技術及濱海地區淡水資源管理等問題[5]。聯合國教科文組織 1987 年出版了 Custodio 等人所著《濱海地區地下水問題》一書，旨在鼓勵科學家對海水入侵的深入研究。近年來，美國、日本、荷蘭、西班牙、澳大利亞、墨西哥等通過海岸帶地下水調查和監測，對海岸帶地下水演化過程的研究更加深入，在海岸帶地下水影響機制、監測、發展趨勢和防治方面取得了較大進展[6-9]。

我國海（咸）水入侵研究始于 1975 年，重點選擇渤海灣地區開展海岸帶地下水及海（咸）水入侵的專項調查研究，致力于砂質海岸帶地下水動態變化及其機理探討[10]，注重用數值模擬方法進行海（咸）水入侵計算[11]，建立地下水水質模型研究咸淡水界面地下水運移規律[12]，對海（咸）水入侵機理進行應用性研究，通過多種環境示蹤劑調查，在古水文地質演化方面提出了新認識[13,14]。李海龍以萊州灣、膠州灣為重點，開展海岸帶地下水多組分、多相流的海岸帶水文地質學研究[15]。2015 年 6 月國家地下水監測工程通過國家的技術審查和概算核定，工程現已進入實施階段。科技部等聯合制定了《國家水安全創新工程實施方案（2015—2020）》，其中一項重要內容就是通過黃渤海沿海地區地下水管理與海水入侵防治研究，研發海岸帶地下水開采調控和海水入侵綜合防治技術。

2 我國海岸帶主要地質特征

我國大陸海岸帶有著十分特殊的南北氣候分帶和地質特點，海岸帶橫跨 22 個緯度，從南到北降水量明顯減少，蒸發量、干燥系數增加[16]。第四紀早期，因青藏高原的快速急劇隆升，由西向東流的江河攜帶碎屑物質的能力大增。泥砂碎屑物源源不斷地輸運到河口海岸沉積，還有相當一部分被沿岸流輸送到鄰近的海岸沉積。因此，陸地地質作用是控制海岸帶形成、發育和演化的主要營力，而海洋營力只起一定的改造作用[16]。

受太平洋板塊與印度洋板塊的地應力影響，處于歐亞板塊東部邊緣的我國近海板緣及板內的地質構造活動強烈[17]，特別是第四紀以來，全球冷暖氣候交替頻繁，我國海岸帶經歷了數次滄桑巨變。據劉錫清等人[18]研究，以杭州灣南側為界，界限以北海岸垂直運動較強，形變較復雜，主要受北東向構造控制，以沉降為主（山海關、山東半島隆起等屬于下降背景中的上升），下降速率以渤海西岸（天津—滄州海岸）為最大，表現為構造下降和地下水開采引起的地面沉降為特征。并形成下遼河、華北和蘇北大平原海岸，該海岸第四系海陸沉積層厚達數百米。界限中部地殼垂直運動較弱且平穩，升降變化小。界限以南海岸則以隆升為主，大部分是丘陵海岸，間有小的河口沉降盆地，但活動強度不大，唯珠江三角洲西部呈下降趨勢。

我國東部海岸帶水文地質分帶性明顯，海岸地下水特征各異[19]。（1）平原海岸海陸交互相沉積層普遍分布，地下咸、淡水交錯，水質類型復雜。（2）長江口南北各異。長江口以南（包括長江口）海岸地下水資源豐富，長江口以北海岸干旱缺水，地表水、地下水相對缺乏。南方海岸常見咸、淡水層交錯分布，淡水層中夾殘留咸水透鏡體；北方海岸淺部以咸水層為主，有些地區淡水層埋藏深。南部海岸帶碳酸鹽巖分布廣泛，巖溶發育，容易造成巖溶塌陷、海水入侵等環境地質問題。部分南部海岸帶風化殼發育，局部厚度可達 10—50 m，是造成山體坍塌、水土流失等地質災害的主要原因。（3）許多濱海城市由于大量開采地下水，動水位降到海平面以下，造成海水、咸水入侵。（4）河口三角洲沉降平原的海岸淤積不斷擴大，河流來水量減少所引起的地下淡水資源減少、水質變差等現象嚴重。

3 我國海岸帶地下水資源問題及對策

3.1 主要問題

我國大約 20% 的供水來自地下水，而在降水量較少的華北和西北地區，該比例更是高達 50%—80%。但我國地下水水質狀況又十分令人擔憂，根據國土資源部門 2011 年對 200 多個城市和行政區進行的地下水采樣結果，4 700 多個地下水樣中的 55% 顯示為 IV 或 V 類水[20]。而全國范圍內地下水污染的嚴重程度，目前仍沒有準確的統計數據。

我國東部海岸帶人口高度密集，經濟快速發展，城市化進程不斷加速。海岸帶水資源分布不均衡（表現為資源性缺水或水質性缺水）、地下水嚴重超采、水污染加重等海岸帶水環境問題，已成為濱海城市率先實現現代化的重要制約因素。遼河、海河和山東沿海的主要河流，約有 50% 以上河段水已不符合農灌標準，而山東濱州部分地區地下水已檢出有機氯農藥及“三致物質”（致癌、致畸、致突變）30 余種[21]。海岸帶水源污染已造成農作物減產、水產養殖受損、工業效益降低、居民飲水困難、糧食和蔬菜中重金屬含量增高、居民癌癥和腸胃病等發病率逐年上升、自來水制水成本逐年增高等問題[22]。

沿海地區近 40 年來的改革發展表明[23]，社會經濟快速發展的海岸城市往往也是水污染最為嚴重的地區。工業污染和生活污染已從點狀向面狀、從城市向鄉村蔓延，地區經濟發展水平與環境污染程度呈現同步增長趨勢。環渤海城市密集，產業性結構布局重型化特點突出，區域地下水資源供需矛盾加劇，水資源合理配置問題成為制約區域整體發展的矛盾焦點。珠江三角洲、長江三角洲等南方海岸帶地區，盡管降水充沛，井網、河網密布，但由于近年來工業污染和生活污染的加劇，也普遍出現了水質性缺水現象[23]。

3.2 治理方法

（1）樹立整體觀點。將地表水、地下水、土壤作為環境系統整體[24]，綜合考慮海岸帶水循環過程。針對海岸帶地下水資源的分布特點，加強流域水資源開發管理的整體規劃。充分考慮現有水資源條件，優化水源井的地域分布，避免局部地區過量開采。調控地下水位和降落漏斗的形態，逐步達到地下水補給量與開采量的動態平衡[25]。

（2）加強海岸帶地下水監測。建立地下水水位、水量、水質監測井網絡，提高監測技術，建立地下水動態數據庫，完善地下水開發利用方案，利用現代化信息手段開展不同時間尺度海岸帶地下水的深入調查研究，確保我國海岸帶地下水資源的可持續利用。

（3）建立地表水和地下水聯合調度機制。根據來水量、蓄水量和需水量，制訂合理的水量分配方案和調度方案，充分合理地開發利用地下水資源[25]。同時，結合典型海岸帶水資源分布特征，有針對性地進行地下水回灌，恢復或抬高超采區地下水位，增加地下水補給量。

（4）開源節流。隨著海岸帶地下水資源需求量不斷增加，必須開源與節流并重，實行最嚴格的水資源管理制度，建立節水型社會。

4 海（咸）水入侵分布及防控

海（咸）水入侵主要包括海水入侵、咸水入侵、咸潮入侵。產生的必要條件為：存在海水與陸地含水層的水力聯系通道，存在海水與陸地含水層間的水頭壓力差。產生的主要原因為：在海洋潮汐、波浪、潮流作用下，產生海水楔形體的動態變化；當壓力差發生異常漲落時，海水楔不斷向陸地含水層運動，則發生海（咸）水入侵。海（咸）水入侵方式與海岸類型密切相關，如我國北部環渤海地區（如遼寧營口、遼河三角洲、天津濱海新區、河北滄州-黃驊、山東萊州灣等）為泥質海岸，以咸水入侵為主，主要與地下水過量開采有關。而長江口、珠江口的入侵方式則是以咸潮入侵為主，表現出受河流入海徑流量和海洋潮汐作用等的綜合因素影響的特點。在東南沿海（如廣東湛江、廣西北海、欽江三角洲、海南儋州新英灣等）以及山東龍口、河北北戴河、遼寧大連等地的砂質海岸以海水入侵為主。

4.1 分布特征

20 世紀 70 年代以來，我國海（咸）水入侵開始發生并有逐年增加趨勢，如在遼寧、河北、天津、山東和廣西等沿海地區均有不同程度的表現。其中以遼寧大連、山東北部海岸帶最為突出[26]，地下水開采，海岸帶出現零星的海（咸）水入侵。20 世紀 80 年代后，隨著國民經濟的持續高速發展，地下水開采力度增強、范圍增大。海（咸）水入侵速度隨之加快，特別是在萊州灣南岸形成一條連續的海（咸）水入侵帶（山東廣饒至龍口）[27]，在山東煙臺、威海、青島、日照等地主要河流的河口附近出現規模不等的海（咸）水入侵現象，成為一種影響范圍廣、危害較為嚴重的地質災害。1991—2004 年，該區域地下水開采量增加顯著，加之大量抽取地下鹵水資源，咸水區面積達到最大。2005—2014 年，降水量保持穩定，區域內調入了一定量的黃河水，地下水位負值漏斗面積有持續縮小趨勢，部分地段入侵速度明顯減緩，局部終止。

近年來，受降水量減小、工農業生產水需求量增大的雙重影響，部分海岸地區加大地下水開采，導致局部海（咸）水入侵界面的波動。國家海洋局發布的《2015年中國海洋災害公報》記錄了相關波動[28]。2011—2015年，渤海濱海地區遼寧盤錦和葫蘆島部分監測區海水入侵距離有所增加；黃海濱海地區江蘇連云港監測區海水入侵范圍逐漸擴大；東海濱海地區福建長樂漳港鎮近岸站位氯離子含量明顯升高，海水入侵距離逐漸增加；南海濱海地區廣東茂名龍山監測區海水入侵距離呈緩慢上升趨勢。至 2015 年，海水入侵嚴重地區主要分布于渤海濱海平原，46% 以上監測區海水入侵距離為距岸 10—43 km，分布在河北、山東沿岸；黃海和東海濱海地區海水入侵范圍總體較小，約 86% 監測區海水入侵距岸 5 km以內；南海濱海地區海水入侵范圍小、程度低，90% 監測區海水入侵距離距岸 0.5 km 以內。

萊州灣是我國北方海（咸）水入侵危害最嚴重的地區[31]，有海水入侵，也有咸水入侵，在國內具有典型性。萊州灣沿岸地下咸、鹵水入侵深度主要位于 80—100 m 以上，含多層河流沖積、洪積砂層，顆粒粗、分布廣、連續性較好，是咸、鹵水入侵的主要通道，各砂層間多以粉砂質黏土、黏土質粉砂等弱透水層相隔，主要為順層入侵，局部地下水強采區可發生一定程度的越流入侵[29]。調查分析認為，在影響海（咸）水入侵的因素中，連續干旱少雨、水資源分配不勻以及沿海潮汐、波浪、潮流變化等都是背景條件；含水層導水性等是基礎條件；超量開采地下水，地下水位大幅度下降，破壞了咸、淡水的天然平衡狀態，海（咸）水體侵入地下淡水含水層，是海（咸）水入侵產生的直接原因[30]。近30多年來各科研院校、生產單位在該區進行過專項調查研究，取得了一些成果，但往往隨著工作的結束，相關監測工作也停止，工作持續性不夠，不利于對海岸帶地下水深入研究，也無法向國家有關部門及時提供海（咸）水入侵預報的準確信息。

4.2 防控措施

（1）合理開采地下水。大力推廣工業節水和節水灌溉新技術，使工農業向節水型轉變。建立水資源管理模型，盡快實現海岸城市水資源的優化開采。

（2）建造地下水庫。海岸帶地下水庫分為山間河谷型、沖洪積扇型和埋藏古河道型3種類型。地下水庫既可阻止海（咸）水入侵，又可攔蓄淡水。我國北方沿海地區具備良好的建庫條件，且開發潛力較大[33]。合理建設和管理地下水庫是我國北方沿海缺水地區增加水資源可利用量的有效途徑。如山東半島陸續興建了萊州王河、黃水河、龍口八里沙河、青島大沽河、煙臺夾河等地下水庫。通過對水資源的時空優化配置和聯合調度，實行地下水庫科學管理，將有效改良土壤和水質，防治海（咸）水入侵，改善庫區生態水文環境，實現沿海地區有限淡水資源的長期有效利用。

（3）跨流域調水。對于無法就地解決淡水資源的重點海岸帶地區，應適時興建跨流域調水工程，以保持和恢復地下水與海水的動力平衡，防止海（咸）水入侵并緩解城市供水緊缺狀況。如青島的“引黃濟青”工程就對青島防治海（咸）水入侵起到了重要作用。

（4）人工回灌地下水。人工回灌地下淡水，可提高地下淡水的水位和流速，以淡水壓咸水，迫使海水后退，是防治海（咸）水入侵的有效方法之一。如荷蘭充分利用河流來水進行人工回灌，以維持海岸地區的地下水動力平衡。

（5）建立監測預報體系。建立海（咸）水入侵監測研究基地，建立完善重點區海水入侵監測井網，實時在線監測，建立海（咸）水入侵預測預報模式，達到防治海（咸）水入侵的目的[32]。

5 結論與建議

受全球氣候變化、海平面上升、地面不均勻沉降等自然因素影響，海岸帶工程活動更加頻繁，海（咸）水入侵難以避免，它具有隱蔽性和多變性，治理難度大。水資源與環境效應問題對典型海岸帶工程建設和經濟發展的影響加劇，理應引起足夠重視。

鑒于人類不合理開采地下水所引起的海岸帶地下水資源與環境地質問題，應從區域水循環角度，開展地質災害的對比分析，結合地下水資源的可持續利用（包括微咸水、咸水、鹵水和礦泉水的開發利用以及海島地下水、應急水源地的建立）及環境地質災害防治指明未來工作方向；結合當前經濟和社會發展的需求開展海岸帶地下水研究，對未來水環境發展趨勢進行預測評價，進而提出防治措施。

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高茂生中國地質調查局青島海洋地質研究所研究員，博士，博士生導師。現主要從事海岸帶地下水及海洋沉積環境調查研究。主持了“海岸帶地質環境監測規范”“海岸帶綜合地質調查規范”“山東半島海岸帶綜合地質調查與監測”“黃河三角洲濱海濕地綜合地質調查評價”等項目。E-mail: gmaosheng@cgs.cn

Gao Maosheng Professor of Qingdao Institute of Marine Geology, China Geological Survey. He is mainly engaged in the study of groundwater in the coastal zone and marine sedimentary environment survey. He has presided over many projects, such as “geologic environment monitoring norms”, “coastal zone comprehensive geological survey specification”, “Shandong peninsula coastal zone comprehensive geological survey and monitoring”, and “the Yellow River delta coastal wetland comprehensive geological survey evaluation”. E-mail: gmaosheng@cgs.cn

Change of Groundwater Resource and Prevention and Control of Seawater Intrusion in Coastal Zone

Gao Maosheng1Luo Yongming2
（1 Qingdao Institute of Marine Geology, China Geological Survey, Qingdao 266071, China; 2 Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China）

Because of the specialties of coastal geology and geography condition, the capacities of groundwater resource and environment are fragile in main coastal zone in China. Recently, the frequent coastal engineering has resulted in many questions of coastal environmental hydrogeology and deterioration of coastal ecological environment. That has restricted the development of ecological civilization construction severely in coastal zone. By introducing the characteristics of coastal environmental hydrogeology, this paper analyzes the demand situation of typical coastal groundwater and major questions caused by unreasonable groundwater exploitation. It has been concluded that some factors have restricted sustainable development strategy in typical coastal zone, such as water shortage, water environment pollution, land subsidence, sea (saline) water intrusion, degradation of ecological environment, and so on. How to realize the coordinated development between groundwater resource and environment has become an important strategic task for coastal integrated management in China.

coastal zone, geology, groundwater, sea (saline) water intrusion

**資助項目：科技部基礎性工作專項（2014FY210600）和國家海洋地質保障工程項目（GZH201200505、12120 1005000150004）

*修改稿收到日期：2016年7月3日