天津市海水入侵調(diào)查研究

張琪，王彬，李希彬，王魯寧，姜旭娟

（1.國家海洋局天津海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，天津 300457；2.天津市海洋環(huán)境監(jiān)測預(yù)報中心，天津 300457）

海水入侵是由于自然或人為原因，海濱地區(qū)地下水水動力條件發(fā)生變化，使含水層中的淡水與海水之間的平衡狀態(tài)遭到破壞，導致海水或與海水有水力聯(lián)系的高礦化地下咸水沿含水層向陸地方向擴侵的現(xiàn)象。在全球氣候變化背景下，海平面持續(xù)上升使得濱海地區(qū)咸淡水過渡區(qū)域的海水壓力增強，加劇了海水入侵程度，造成地下淡水資源減少，影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水。

海水入侵是沿海地區(qū)的一種重大地質(zhì)災(zāi)害，可以使陸地含水層咸化、機井報廢、淡水供應(yīng)量減少，也可引發(fā)沿海地區(qū)土地鹽漬化、農(nóng)業(yè)減產(chǎn)甚至絕收等問題。我國海水入侵的主要致災(zāi)原因可分為自然因素和人為因素兩個方面。自然因素主要包括海平面上升和降水，降水較多時可以減緩海水入侵，相反在干旱年份，會加速海水入侵。人為因素主要指過量抽取地下水，使沿海地區(qū)地下水水位下降、水量減少，以及攔蓄截取地表水等行為使入海量減少，同時地表水補給地下水量減少，地下水位下降[1-4]。2020 年，渤海和黃海沿海地區(qū)海水入侵依然較為嚴重，重度海水入侵主要分布在遼寧、河北和江蘇沿海局部地區(qū)。

不同地區(qū)海水入侵的程度不同，環(huán)渤海地區(qū)是我國海水入侵危害最嚴重的區(qū)域，給沿海地區(qū)帶來了嚴重危害，造成了巨大經(jīng)濟損失，嚴重阻礙經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展。近年來我國地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)逐步完善，利用沿海地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)進行海水入侵試點評估并取得了階段性成果。評估結(jié)果顯示，天津市淺層地下水氯離子含量總體呈“北低南高”分布，東部沿海和南部局部地區(qū)氯離子含量超過1 000 mg/L；海水入侵高風險區(qū)主要分布在東部沿海的濱海新區(qū)等區(qū)域[5]。本文以天津市為研究對象，以2018－2022 年天津市海水入侵監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對相關(guān)監(jiān)測結(jié)果進行梳理和分析，了解天津市海水入侵現(xiàn)狀，結(jié)合海水入侵的危害及其成因，給出了應(yīng)對海水入侵的相關(guān)防治措施。

1 水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)狀況

天津市地貌類型由北向南依次為北部山區(qū)、山前沖洪積平原、南部沖積平原、沖海積平原和濱海海積平原。根據(jù)第四系分布和發(fā)育的差異以及控制因素等特征，通常以寶坻斷裂為界，將天津地區(qū)的第四系地層分為南北兩區(qū)，分別稱為北部平原區(qū)和南部平原區(qū)。天津市水文地質(zhì)條件較復(fù)雜,從北向南依次分布全淡區(qū)、微咸水-淡水區(qū)、淡水-咸水-淡水區(qū)和咸水-淡水區(qū)。咸水底界埋深從北向南逐漸增加，咸水層逐漸增厚。地下水分為第四系松散巖類孔隙水、第三系裂隙孔隙水和碳酸鹽巖巖溶裂隙水三種類型[6]。第四系孔隙水分布廣、厚度大，在水平和垂向上巖相變化較大。除了原始水文地質(zhì)條件外，當前在天津沿海地區(qū)，隨著圍填海、沙灘浴場開發(fā)及港口建造等工程的逐漸推進，海岸帶地下水開始面臨新的問題與挑戰(zhàn)，特別是圍填海疊加了新的地下水系統(tǒng)，可能導致區(qū)域水文地質(zhì)條件發(fā)生改變，為該地區(qū)的地下水質(zhì)量增加了不確定性。

1.2 水文氣象特征

天津地區(qū)處于華北北部，北依燕山，東臨渤海，屬于亞熱帶季風氣候。天津市域南北相距100 多公里，降水量地域差異很大。受季風的影響，天津降水主要集中在夏季，占全年降水量的70%以上。天津市降水量呈階段性波動，年代際變化明顯，20 世紀60 年代多雨年和少雨年交替出現(xiàn)，70 年代降水增多，80 年代后期處于多雨階段，進入20 世紀90 年代以來，特別是1997 年以后天津進入了少雨階段[7]。李銳等[8]基于1961－2018 年降水與氣溫數(shù)據(jù)指出天津市海岸帶地區(qū)全年降水量呈顯著下降趨勢，氣候總體向“暖干化”發(fā)展。王敏等[9]利用降水數(shù)據(jù)對1901－2016 年天津地區(qū)年降水量進行分析發(fā)現(xiàn)，天津市年平均降水量表現(xiàn)出“南強北弱，東強西弱”的特征，其北部的時間變化趨勢為負，南部的變化趨勢為正。

本文結(jié)合天津市降水特征，根據(jù)《天津統(tǒng)計年鑒》分析了2008－2021年的天津市降水量變化（圖1），2008－2021年天津市降水量平均值約為581 mm。

圖1 2008－2021年天津市逐年降水量

2 監(jiān)測方法

2.1 斷面選取

2018 年進行了海水入侵監(jiān)測點位建設(shè)工作，在天津市北部設(shè)置了一個監(jiān)測斷面，分析和評估天津市海水入侵強度、范圍和危害，逐年監(jiān)測可以保證數(shù)據(jù)連續(xù)性和完整性，促進區(qū)域的可持續(xù)性發(fā)展。

2.2 水樣采集和分析方法

在監(jiān)測井采取水質(zhì)樣品時，每次在水面下2 m處取樣，樣品采集量為1 L；水質(zhì)樣品瓶事先清洗3 遍，取樣后立即把樣品瓶密封，并貼上標簽，將取樣點位置、取樣時間和水樣編號現(xiàn)場登記在取樣本上，同時還記錄取樣時的環(huán)境條件，如抽水或降雨等。地下水分析項目包括氯離子濃度、礦化度等；氯離子濃度、礦化度測定按照國家標準《水質(zhì)氯化物的測定硝酸銀滴定法》（GB 11896-89）和《礦化度的測定 重量法》（SL 79-1994）相關(guān)要求執(zhí)行。

2.3 評價標準

海水入侵現(xiàn)狀評價是根據(jù)《海水入侵監(jiān)測與評價技術(shù)規(guī)程（試行）》的要求，按照區(qū)域地下水氯離子濃度確定海水入侵的距離、范圍和程度，海水入侵程度等級劃分標準見表1。

表1 海水入侵的入侵程度等級劃分

3 結(jié)果分析

3.1 結(jié)果

2018－2022 年在天津北部進行了一個斷面的監(jiān)測，共5 個監(jiān)測站位。監(jiān)測斷面垂直于海岸線方向布設(shè)，涵蓋了海水入侵區(qū)、過渡帶、無海水入侵區(qū)，并且保證在監(jiān)測期間至少有1 個監(jiān)測站位在無海水入侵區(qū)內(nèi)，站位分布情況見圖2。其中，在2018－2022 年的枯水期都進行了采樣，而豐水期僅在2020－2022年進行了采樣。

圖2 海水入侵監(jiān)測站位分布

監(jiān)測結(jié)果表明，各站位之間氯離子濃度范圍約為220~13 000 mg/L，礦化度范圍約為1 600~35 000 mg/L，由于枯水期和豐水期的變化相似，這里僅給出了枯水期的變化情況（圖3、圖4）。可以看到無論豐水期還是枯水期，2018－2022 年各站位的氯離子濃度和礦化度逐年變化幅度均不大，由于Z04 站靠近渤海，氯離子和礦化度濃度最大，海水入侵程度總體呈現(xiàn)由沿海向內(nèi)陸逐漸降低的趨勢。

圖3 2018－2022年枯水期各監(jiān)測井氯離子濃度

圖4 2018－2022年枯水期各監(jiān)測井礦化度

通過氯離子濃度和礦化度的分析，除2021 年枯水期Q7 站位出現(xiàn)入侵外，其他年份Q7 站位均無入侵，水質(zhì)為淡水。Z04、Z01 站位為嚴重入侵，地下水水質(zhì)為咸水；Z02、Z03 站位為入侵，水質(zhì)為微咸水。

采用距離插值法計算得到各年海水入侵距離，各年海水入侵距離在75～77 km（圖5）范圍內(nèi)，同時枯水期海水入侵距離略大于豐水期。2021 年海水入侵距離最大。結(jié)合降水量特征分布可知，2021 年降水量較大，降水較多時可以減緩海水入侵，因此2021 年較大的海水入侵距離可能是受其他因素影響。

圖5 2018－2022年枯水期海水入侵距離

3.2 討論

由于天津地區(qū)自晚更新世以來經(jīng)歷了4 次規(guī)模不等的海水入侵過程，造成天津地區(qū)地下含水層中賦存著大量的古海水[10]。雖然古海水與現(xiàn)代海水時代不同，但是水化學特征存在一致性，一般具有礦化度高、氯離子含量高等特征[11]。下一步在海水入侵業(yè)務(wù)化工作中，可以嘗試地下水示蹤方法對二者加以區(qū)分。

4 海水入侵防治措施

根據(jù)前人關(guān)于海水入侵的研究，結(jié)合天津市沿海地區(qū)的特點以及海水入侵區(qū)的影響因素，提出以下幾條海水入侵防治措施。

（1）合理開采地下水。嚴格控制天津沿海地區(qū)地下水開采量，合理開發(fā)利用地下水。首先要調(diào)整開采時間和間隔，豐水季節(jié)可稍增加開采地下水，枯水季節(jié)減少開采，使地下水資源有機會得到恢復(fù)；同時嚴格限制開采井數(shù)量，開采時合理布置井位位置，制定保護規(guī)劃。

（2）嚴格水量水位雙控。合理確定海水入侵威脅區(qū)的地下水開采量并控制水位閾值，在沿海地區(qū)加快推行地下水開采量與水位“雙控”管理。在海水入侵嚴重和發(fā)展較快地區(qū)實行地下水開采分區(qū)分級管控，防止地下水水位負值區(qū)持續(xù)擴展。調(diào)整地下水開采時間，優(yōu)化開采井分散布局，避免集中高強度開采，增強地下水系統(tǒng)自然修復(fù)能力[12]。

（3）實行分質(zhì)供水。合理安排使用地下水，地下水要優(yōu)先用于生活飲用水，盡量將地表水和經(jīng)過處理的污水廢水用于農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水，這在一定程度上可以緩解地下水的供需矛盾。

（4）加強地下水的動態(tài)監(jiān)測。完善現(xiàn)有的海水入侵監(jiān)測方法，建立地下水監(jiān)測系統(tǒng)，對地下水水位、水質(zhì)、開采量、人工回灌進行監(jiān)測，根據(jù)海水入侵的機制和規(guī)律，預(yù)測入侵速度和范圍，為有效防治海水入侵提供科學依據(jù)。

（5）地表防潮堤閘維護。沿海風暴潮往往導致潮水沿河上溯倒灌，加劇近海陸地海水入侵。海平面的上升使咸淡水之間原有的水動力平衡遭到一定程度的破壞，咸淡水界面向內(nèi)陸方向移動，加重了沿海地區(qū)的海水入侵問題。

濱海新區(qū)地下分布著巨厚松散沉積層，同時受地下水、地熱開采和工程建設(shè)等因素的影響，屬于天津市地面沉降易發(fā)區(qū)。天津市濱海新區(qū)海拔高度低，地面沉降導致海平面相對上升，使得受風暴潮侵襲的頻次和受災(zāi)程度增加，使沿海地區(qū)部分陸地被淹沒，海水長時間在陸地滯留，為海水入侵創(chuàng)造了有利條件。目前多年沉降導致防潮堤部分區(qū)段已經(jīng)低于設(shè)防標準，防潮能力降低。在濱海河口、海岸等地帶修建河口閘、維護原船閘設(shè)施可在一定程度上防治海水入侵。