萊州灣東岸海水入侵現狀及發展趨勢分析

王天寶 戴維 白瑩

摘要：萊州灣地區受海水入侵的影響，水質咸化、土壤鹽堿化、農業減產等問題嚴重。本文根據實際調查和水文地質資料，對萊州灣東岸典型地區海水入侵現狀進行評價分析，基于VisualModflow-SEAWAT和MT3DS模塊建立地下水數值模型和溶質運移模型，模擬海水入侵發展趨勢。經預測，未來10年該區海水入侵速率逐漸減弱，呈衰退趨勢，研究區海水入侵基本得到控制。

關鍵詞：萊州灣；海水入侵；數值模擬

海水入侵是指濱海地區地下水位大幅度下降出現的海水和淡水交融界面向陸地方向移動的現象[1，2]。近30年來，中國至少有十幾個濱海城市地區發生了海水入侵[3]，海水入侵已經成為沿海城市急需解決的熱點問題[4]。萊州灣地區作為山東重要的漁業基地，海水入侵問題也較為嚴峻[5]。海水入侵造成了地區海水倒灌，引發土壤鹽漬化，造成了濱海農田減產顯著[6，7]。萊州灣東岸平原區地下水礦化度、Cl-濃度等隨海水入侵而不斷升高，部分地區水質已遠不符飲用甚至灌溉標準，而因工農業需水量大及水文地質條件限制，地下咸水的持續開采造成了惡性循環[8]。針對萊州灣地區海水入侵問題，黃磊[3]、陳廣泉[9]等學者近幾十年持續進行調查評價。

本文以實際調查和水文地質資料，對當前海水入侵造成的地下水咸化現狀進行評價，利用VisualModflow建立地下水數值模擬對萊州灣東岸地區海水入侵未來發展趨勢做出預測，為今后當地的生產發展及用水提供一定參考。

1.研究區概況

研究區（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，程郭鎮以西至萊州灣沿岸，萊州市區以北到過西地區（圖1）。

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

2.研究區海水入侵現狀

2.1萊州灣地區海水入侵發展史

萊州灣地區海水入侵始于1976年，隨后十幾年海水入侵發展迅速，在降水劇減、地下水人為超采、工程活動等因素共同影響下[5，11]，80年代末萊州灣地區成為國內極為典型的海水入侵嚴重地區。海水入侵速度隨時間呈現先增后減的發展趨勢，惡化階段入侵速度可達153km2/a，面積達627.3km2，雖然20世紀90年代以來海水入侵呈現緩解趨勢，但入侵面積仍在擴大[12]。

2.2研究區海水入侵現狀

本次調查根據研究區內不同水文地質單元的不同地質情況設置了16個檢測點（圖2），其中JC14、JC15監測碳酸巖巖溶裂隙水含水區，JC7、JC9監測基巖裂隙水含水區，其他監測點監測海水入侵較為嚴重的孔隙水含水區，分別取樣進行水質分析。

參照研究區地下水實際情況結合Cl-的特征性和穩定性，采用單因子評價法選取Cl-作為評價因子。以地下水中250mg/LCl-濃度作為識別海水入侵海咸水交換的界面，氯度低于250mg/L的區域即為淡水，大于250mg/L為受海水入侵影響，超過1000mg/L為海水入侵嚴重的咸水區。調查結果（圖2）顯示，研究區當前受海水入侵影響范圍約54.37km2，沿海岸線地區受海水入侵影響較為嚴重，西北部沿海松散孔隙水含水單元崔家、東方養蝦池等氯度超過1000mg/L，為嚴重影響區；沿岸向內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；大原地區因印刷等工業大量開采地下水，受海水入侵影響較為嚴重；南部基巖裂隙含水區和碳酸巖巖溶裂隙含水區受海水入侵影響較小。

3.研究區海水入侵發展趨勢模擬預測

3.1水文地質概念模型及數學描述

根據區內的自然地理狀況、水文地質條件以及含水層流場的分析結果，依照含水層滲透性等因素概化實際水文地質狀況，建立概念模型（圖3）。區內地下水主要自東向西入海，北側與地下水流線重合，近似概化為第二類零流量邊界；東側與南側均接受區外地下水側向補給，為第二類流量邊界；西側沿海，近似為第二類定流量邊界；將-70m處作為模擬區底面，因海水入侵對深層含水層影響甚微，概化為第二類零流量邊界。

根據上述概念模型，將實際地下水流概化為三維非穩定地下水系統，可用下述數學模型來描述：

3.2數值模型結構及其識別與檢驗

依據上述概念模型及數學模型，利用VisualModflowSEAWAT模塊建立數值模型并求解。研究區約長22.7km，寬19.2km，大地坐標X為20743737m～20766484m，Y為4118556m～4137727m，總陸地面積約220.23km2。受地層結構及其分布特征限制，將模型在垂直面上共分四層，對研究區進行100m×100m等間距剖分，東西向分227列，南北向分192行。

根據研究區水文地質條件，確定模型參數分區。第一層滲透系數K1為0.3433m/d，Ss取0.07；后三層K均取0.18m/d，Ss取0.01。模型側向徑流補給以pumpingwell形式加入模型，補給量按照達西定律計算所得。

將2016年3月～2017年3月作為模擬期模型的識別期，對比模擬計算水位與實際觀測水位值，進行多次調試，優選參數，盡可能使結果與實測值誤差在允許范圍內，監測點擬合如圖4。模型計算所得地下水水位與實測水位基本擬合，誤差小于0.5m，符合精度要求（圖4）。

根據模型計算結果，在現有補給開采條件下，區內地下水水均衡狀況（表1）處于正均衡狀態。

3.3模型預測

3.3.1預測方案

在識別驗證模型的基礎上，以標準海水中Cl-濃度19354mg/L加入到模型MT3DMS模塊，進行10年變密度非穩定流模擬，預測正常用水條件下海水對區內地下水造成的影響。結合當地的氯度背景值，將海水與地下淡水互溶的咸淡水混合區和咸水區，統一劃分為海水入侵影響范圍，靠內陸為淡水區，以氯度是否超過250mg/L作為判定標準，大于等于250mg/L區域為海水入侵影響區，小于250mg/L為淡水區。

3.3.2預測結果及分析

結果表明，360天后研究區內海水入侵范圍為58.92km2，1000天后增大至64.57km2，3600天后為76.85km2。可見，當前條件下研究區海水入侵范圍仍然呈增加趨勢，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.結論與建議

4.1結論

（1）現狀

當前研究區西北側渤海沿岸受海水入侵影響較為嚴重，沿海岸線呈線狀分布，向內陸遞減，龍王河水系沿岸、大原工業區受影響較嚴重，呈點狀侵入，兩翼不斷呈面狀擴散。研究區受海水入侵影響總范圍約54.37km2，受影響程度從沿岸至內陸呈階梯狀遞減。

（2）發展趨勢

根據VisualModflow建立的地下水數值模型的模擬情況，研究區未來10年受海水入侵的影響范圍仍在緩慢擴大，但速率呈衰退趨勢，可見區域海水入侵基本得到控制，在當前地下水均衡條件下，海水入侵速率逐漸衰減未來可能會出現負增長。海（咸）水入侵主要發生在以砂層、粘土層為主的孔隙水含水層中，對基巖裂隙水含水區和碳酸巖基巖裂隙水含水區的影響較小。

4.2建議

當前水均衡狀態下，該區海水入侵基本得到控制，這與控制地下水開采有密切關系，但該區受氣候、水文等因素制約，作為地下水主要補給來源的大氣降水隨季節、年際變化具有不均衡性，因此應合理規劃地下水開采，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，結合水文地質條件建立地下水庫，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。

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