關于咸水利用方法的探討及前景分析
—— 以青縣咸水區為例

王振華，趙金召，付仕科，胡博文

河北省地礦局國土資源勘查中心，河北 石家莊 050081

0 前言

青縣主要賦存和開采利用的地下水為第四系松散巖類孔隙水[1-3]。區內第四系沉積厚度一般在280～550 m[4]，以第四紀沉積物的巖性為基礎，以水文地質條件為依據，將第四系含水層組[1]，自上而下劃分為4個含水層組，即第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水層組，根據承壓性質，第Ⅰ含水層和第Ⅱ含水層上部，為淺層水，第Ⅱ含水層下部和第Ⅲ、Ⅳ含水層為深層水。

青縣屬于沖海積東部平原[5]，該區域在歷史上就是“九河下梢，苦海沿邊、鹽堿旱澇、低產多災”的土地鹽堿嚴重、生態環境脆弱地區[6]，有過數次海進海退歷程，遺留下很多原生咸水，經過沉積下滲，導致地下水第Ⅰ含水層組和第Ⅱ含水層組全部為咸水，而且開發利用程度很低。該區地下咸水體分布廣泛，咸水[7，8]位淺埋，開采程度很低，一直處在“死”水狀態，這是造成該區生態環境脆弱，旱澇堿咸長期存在而不能根治的主要原因。

由于近些年農業灌溉[9-11]大量抽取深層地下水，造成了規模較大的地下水開采漏斗，造成了嚴重的地面沉降和一定數量的地裂縫，對當地的地質環境造成了不可逆的影響。為了緩解大型地下水漏斗及區域地面沉降問題，河北省水利系統實施了深層水壓采，造成農灌供水不足，供需矛盾激烈。為了緩解上述問題，有必要解決淺層咸水的開發利用程度低的問題。通過科學合理開發利用淺層咸水，加大地下咸水體的開發，加快咸水體的循環、調控淺層地下水位、實現“排咸、補淡”，消除咸水影響，騰出淺層淡水儲存空間，增持水資源量，減輕深層水資源的超采現狀，改善咸水區的生態環境，促進生態文明建設。

1 咸水地質條件[12]

第Ⅰ含水層組為潛水-微承壓水，底界埋深23.7～65.6 m，相當于全新統（Qh）或上更新統歐莊組（Qp3o）上段底界。含水層巖性為洪泛積、沖洪積間有沼積、海積沉積的粉砂、細砂層，北東向條帶狀分布。自西向東含水層顆粒變細，厚度變薄。一般厚5.7～22.7 m，在故河道地帶含水層常見厚度為20～26.87 m。多呈雙層或多層含水結構。地下水水位埋深由西向東逐漸變淺，在1.31～5 m。一般為全淡水或上部淡水、下部咸水類型，以上淡下咸居多，個別區域為全咸水。根據水質分析及地面物探解譯資料，咸水頂界面埋深多在0～30 m。全淡水、微咸水和半咸水主要發育于故河道或現代河道兩側，運河以東地區廣泛分布大于5 g/L的咸水，全咸水區主要分布于青縣東部馬廠鎮一帶。

第Ⅱ含水層組為承壓水，底界埋深在123.7～175.6 m，相當于中更新統（Qp3o）底界。含水層巖性以沖洪積、洪泛積、湖積、沼積的細砂、中細砂為主，呈北東向條帶狀、舌狀展布，一般厚8～40 m，呈雙層、多層含水結構。與第Ⅰ含水層之間一般都分布有較厚的粘土層或粉質粘土層，故垂直入滲補給條件較差，側向徑流緩慢。受干旱古氣候、海侵等影響，濱海平原區地下水徑流緩慢，垂向蒸發作用顯著增強，并成為主要的排泄途徑，加之受海積地層的影響，土層中鹽分很高。大量的資料表明：沉積物顆粒越細，越容易保存易溶鹽。地下水補給過程中的淋濾作用，形成了目前的咸水區[13-14]。

該組地下水以咸水為主，僅在故河道或現代河道兩側零星分布淡水。自西向東表現為咸水含水層厚度增加的趨勢（見圖1）。該含水層組地下水礦化度多在5～12 g/L，最高可達17 g/L。青縣咸水垂向結構（見圖2）。

圖1 滄州地區咸水分布縱剖面示意圖Fig.1 Profile of salt water distribution in Cangzhou

圖2 青縣淺層咸水垂向分布結構圖Fig.2 Vertical distribution of shallow salt water in Qingxian County

2 地下水開采現狀

2.1 深層淡水超采現狀

根據青縣水資源公報，2017年青縣地下水開采量為4 807.62 萬m3，其中農業用水開采量為2 419.62萬m3，占比50.33%，生活用水1 596 萬m3，占比33.20%，工業用水開采量為792 萬m3，占比16.47%，由此可見農業用水開采量占地下水開采量的主要部分。其中深層淡水開采量為4 778 萬m3，平均開采強度為4.81 萬m3/km2·a。

青縣深層地下水漏斗位于青縣中部及西南部，與南部滄縣漏斗相連，漏斗區南部未閉合，漏斗中心位于清洲鎮雙廟堤（見圖3）。2017年6月份中心水位埋深94.47 m，水位標高-89.48 m。2017年9月份中心水位埋深78.2 m，標高-73.95 m[6]。

圖3 深層水漏斗分布及地下水流向（2017年6月水位數據）Fig.3 Distribution of deep water funnel and groundwater flow direction（June 2017 water level data）

2.2 淺層咸水開采現狀

據調查，青縣現狀淺層水開發利用程度很低，僅在運河兩側和黑龍港古河道區域存在利用淺層微咸水（2～3 g/L）、咸水（3～5 g/L），據資料[4]，青縣2017年淺層水開采總量為29.62 萬m3，平均開采強度為0.03 萬m3/km2，而且大部分區域處于不開采狀態，據實際調查近些年開采強度有降低趨勢。

通過深淺層開采強度對比，深層地下水開采強度是淺層咸水開采強度的160倍。

根據青縣水資源公報，通過統計2011—2017年的地下水開采量及深淺層水占比（見表1），得出地下水開采量中深層水占比逐年上升，淺層水占比逐年下降（見圖3）。

圖4 青縣深淺層水占地下水開采總量的比例（2011—2017年）Fig.4 The ratio of deep and shallow water to total groundwater extraction in Qing County（2011 to 2017）

表1 青縣2011-2017年地下水開采量及深淺層水占比統計表Table 1 Statistical table of groundwater extraction and ratio of deep and shallow water in Qing County from 2011 to 2017

3 淺層咸水資源優勢

3.1 淺層咸水資源豐富

淺層咸水區在青縣全域分布，面積大，分布廣，儲量大[15]，2017年以水均衡法計算出的水資源量為6 768.22 萬m3，可開采量為4 737.75 萬m3，咸水資源豐富。

3.2 易開采、補充快[16]

青縣淺層咸水埋深較小，埋深1～5 m，由于水位埋深小，易開采且能耗小。每年汛期降雨直接補給，淺層地下水水位都會很快回升，根據2017年6月和12月統測數據顯示水位年內回升0.2～1.0 m，在8月中旬至9月下旬汛期結束后達到年最高水位，淺層咸水資源得到很大程度的補充。

4 淺層水利用方向分析

4.1 咸水的凈化處理解決咸水區農村人畜飲水困難

隨著近些年的發展，水處理技術日臻成熟，可以將淺層潛水抽出后進行凈化后供人畜飲用。主要處理過程包括粗過濾、精過濾、反滲透技術、離子交換技術[17]，使咸水水質達到飲用標準。

目前青縣有共有14處的凈水制水廠，其利用水源多為深層淡水，其中青縣農場水廠位于全咸區，利用深層咸水凈化后集中供水，解決咸水區農村人畜飲用水困難。可以將利用水源推廣至淺層水，增加咸水開采量，減少深層水開采量，據資料[4]青縣馬廠鎮楊官店村有利用淺層咸水降鹽凈化售水站的成功范例，采取打一眼咸水淺機井，安裝一套水處理設備，利用電滲析和反滲透技術，可把含鹽量3～5 g/L的苦咸水，通過淡化工藝脫鹽、降氟、凈化等，變成小于1.0 g/L的淡水，達到國家規定的飲用水標準，每套設備可解決1 000～1 500人的安全飲水問題[24]。此方式可以推廣來解決咸水地區的飲用水困難的問題。

4.2 咸淡水混合灌溉

咸淡水按照一定比例混合，使其達到農業灌溉用水要求，咸淡水混合后，改善并降低咸水礦化度含量，達到增大利用淺層咸水資源同時減少開采深層地下水資源的目的。根據河北省平原區土壤性質、耕作措施及氣候條件等因素，咸淡水混合后礦化度控制在3 g/L以下，對農作物的生長安全和土壤環境影響較小[18]。

其利用方式是在每一眼深機井旁增打一眼咸水或微咸水淺井，并安裝配套相應設備，利用淺層咸水和深層淡水按一定的比例進行混合灌溉，根據不同的農作物耐鹽性[19-20]，混合比例需要隨之調整[21]，以罐混式、豎塔混合式、管道直混式3種方式[22]進行農業灌溉[18]。這種方法在青縣部分村莊已經開始嘗試性利用，混合方式多為管道直混式。其優點是：

（1）投資規模小

在原有深機井的基礎上建設咸淡水混澆工程每個井組僅需1萬元左右，不到深井投資的10%。

（2）能耗減小，節省開支

由于淺層水水位埋深在1.31～5 m之間，深層水水位埋深在50～90 m之間，提取淺層咸水能耗僅為等量深層水的1/45～1/10。

（3）縮短灌溉周期

擴大機井的灌溉面積，每組咸淡混澆工程每小時可增加供水量20～30 m3，大大節約灌溉時間，縮短灌溉周期3～5 d[16]。擴大了機井灌溉控制面積，每組工程可增加灌溉面積50畝左右[16]。

（4）增產

咸淡水混合灌溉可疏松土壤，防止板結，對棉花生長有調節作用，抑制了瘋長，防止枯萎病，提高了產量。部分地方反映對糧食作物也有增產作用[16]。

該方法若能大范圍應用，將大大緩解深層地下水壓采后農灌供水不足的矛盾，保障農業用水的需求。

4.3 生態景觀用水

京津冀是秋冬季節霧霾嚴重區域，一年四季需要噴灑道路和低空噴灑水霧抑制揚塵，此外澆灌城市草坪綠地、補充湖塘水體等生態景觀用水，消耗大量的水資源，根據青縣水資源公報（2017年），青縣生態景觀需水量大約在100 萬m3/年，可以全部利用淺層咸水，達到增加開采淺層咸水的目的。

4.4 工業循環冷卻用水

青縣有大規模的鋼鐵加工產業和石油化工產業，需要大量的循環冷卻水，可以全部利用淺層咸水，將節省大量的淡水資源。青縣馬場鎮的塑膠產業園中已有數家這樣的應用案例。青縣淡水資源先天性嚴重匱乏，而咸水資源豐富[10]，所以發展咸水循環冷卻具有良好的前景和廣闊的空間。

4.5 實行城鎮生活節水，建立咸水中水管網

目前青縣城鎮生活用水主要為深層地下水和南水北調水源，如果將咸水、微咸水用于居民生活，可替代生活用自來水的一半[10]。地下咸水作為中水利用，可變廢為寶，根據2017年青縣采取的31個淺層水水樣分析，淺層水除了溶解性總固體高，鹽分含量高，不宜飲用外，其它檢測項均超標不嚴重，表明淺層咸水沒有受到嚴重污染，一般符合衛生標準，不需處理，可直接作為中水使用，進行洗滌、拖地、沖廁、洗車、消防、游泳池用水，可以作為深層水的替代水源[21]。目前，滄州市個別小區已有成功的利用經驗[10]。

4.6 供暖管網用水

冬季供暖管網用水量較大，損耗也較大，該部分用水也可以全部利用淺層咸水。

5 淺層咸水開發益處前景分析

5.1 緩解深層地下水超采問題及其引發的其他地質環境問題

通過增加淺層咸水開采量來達到減少深層水開采量的目的，促進深層水的恢復，減小深層地下水降落漏斗，減輕地面沉降和地裂縫問題等地質環境問題，減緩深層地下水超采對地質環境的影響。

滄州地區是地面沉降地質災害嚴重發育區，是河北平原地面沉降發生最早的地區之一[23]，而工作區內發生的地面沉降主要由深層地下水超量開采引起[11][24]。根據2017年度全省地面沉降調查與監測資料（河北省環境地質監測院），累計沉降量大于1 000 mm的分布區域與深層地下水漏斗分布基本一致，累計沉降量越大的區域越靠近漏斗中心，見圖5。

圖5 青縣累計地面沉降量等值線與深層地下水漏斗分布區對比圖Fig.5 Comparison between contour lines of cumulative land subsidence and funnel distribution of deep groundwater in Qing County

充分利用咸水，減少淡水開采量，對改善當地地下水生態環境發揮重要作用。在地下水超采區大力開展淺層咸水利用，對減緩咸水底界面下移[25]、含水層疏干等方面問題，都能發揮積極作用[18]。

5.2 緩解農灌供水矛盾

農田灌溉用水占到深層地下水開采量的80%，深層水壓采政策實施以來，農灌水供需關系存在激烈的矛盾，需大于供，若開采淺層咸水與深層淡水配合用于灌溉，將大大減輕農田灌溉需水與供水的矛盾。

5.3 增加降雨入滲的淡水儲存空間

目前青縣淺層水處于很低的開采程度，淺層水量巨大，以致青縣縣域內所有溝渠和坑塘滲出積存大量的淺層地下水，降雨入滲的淡水缺少存儲的空間。加大淺層咸水的開發力度，使其水位下降，騰出儲水空間，增加地下淡水“庫容”[6]，有利于接受降水的補給，既調節汛期洪瀝水，又利于雨水回補地下水源，加強咸淡水的循環交換，使地下咸水逐漸淡化，增加地下水資源量，同時也減小咸淡水之間的水頭差，減緩咸水入侵深層淡水，實現生態環境的良性循環[26]。

5.4 減輕鹽堿災害

目前青縣仍有不少鹽堿災害，淺層咸水通過毛細作用對水泥、磚和建筑物結構都造成嚴重破壞。加大淺層咸水開采，使其水位降低，將減少工作區內鹽漬化程度，利于改良土壤，減輕對建筑物的腐蝕。

6 結論與建議

6.1 結論

（1）在深層淡水嚴重超采引發一系列地質環境問題的背景下，以青縣為例提出和分析了凈化處理、混合灌溉、生態景觀用水、工業冷卻用水、城鎮建設咸水中水管網、供暖管網用水的咸水利用方向，在理論上論述了增加咸水開發的可能性，為有咸水分布區的咸水利用指出了方向，最終達到指導實踐增大咸水開發利用程度的目的。

（2）開發咸水的益處多多：緩解深層水地下水漏斗，減輕深層水開采對地質環境的影響，如減緩地面沉降和地裂縫地質災害的發育；在河北省實施地下水壓采政策的背景下，將緩解農田灌溉水的供需矛盾，保障農業用水的供給，保障農業的良好發展；增加降雨入滲的淺層淡水儲存空間，加強咸淡水的循環交換，使地下咸水逐漸淡化，增加地下水資源量，同時也減小咸淡水之間的水頭差，減緩咸水入侵深層淡水，實現生態環境的良性循環；開發利用淺層咸水將能減輕有咸水分布區的鹽堿災害。

（3）增加咸水利用量，減輕深層淡水開采強度，對改善地下水生態環境發揮重要作用。尤其是在地下水超采區大力開展咸水利用，對減緩咸水底界面下移、含水層疏干等方面的問題，都能發揮積極作用。

6.2 建議

建議有咸水分布區的地方政府要把對淺層咸水的利用重視起來，使用政策引導，逐步增大淺層咸水的利用。隨著水處理、膜滲透、耐鹽性農作物的培育等方面科技的進步，期望在以后提出咸水利用更多、更好的理論和方法。