河北省秦皇岛市海水入侵地质灾害及其防治措施

臧文学，刘文军，郭 巨，张 显

(河北秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦皇岛 066000)

河北省秦皇岛市海水入侵地质灾害及其防治措施

臧文学，刘文军，郭 巨，张 显

(河北秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北 秦皇岛 066000)

随着秦皇岛地区人口增加、经济发展，地下水的开采日益加大，沿海地区由此产生的海水入侵现象较为普遍。海水入侵也是一种地质灾害，如何防止海水入侵是广大地质工作者和相关科技人员所要解决的问题。本文在分析了本地区海水入侵分布规律、发生原因及产生机理的基础上，提出科学管理地下水开采、引调客水补充地下水以及修建拦潮坝等多种举措防治海水入侵。借鉴国内外成熟的经验和方法，修建拦水坝拦潮蓄洪是治理海水入侵行之有效的方法。同时指出，修建梯级多道拦水坝逐级提高河水位强化对地下水的补给是治理海水入侵的一种新的尝试。

河北省秦皇岛市;海水入侵;地下水;地质灾害;防治措施

0 引言

海水入侵又被称作海水倒灌、海水内侵等，是由于滨海地区地下水动力条件发生变化引起海水或高矿化咸水向陆地淡水含水层运移而发生的水体侵入过程和现象，属地质灾害范畴。20世纪80年代，改革开放后，秦皇岛市城市规模日趋扩大，城市用水量与日俱增。由于早期的地下水开采缺乏管理，企业、个人随意开采，无节制的超量开采地下水最终导致海水入侵发生。2008年全市海水入侵污染面积达322.28 km2，造成水源地破坏，工农业生产受到严重影响，部分农村地区生活饮用水困难。因此，开展海水入侵方面的调查研究工作，制定科学合理的地下水开采方案，提出有效治理海水入侵防治措施，具有一定的现实意义和深远的历史意义。

1 基本情况

秦皇岛市位于河北省东北部，坐落于渤海之滨，市区人口82万，是全国首批14个沿海开放城市之一，也是国务院批准的全国甲级旅游城市。区内主要河流有滦河、洋河、戴河、汤河、沙河和石河等，其中滦河为界河，汤河、沙河和石河分布在市区境内，除滦河外，均为沿海独流入海河流。秦皇岛市沿海地区包括市区和县区两部分。市区临海而建，地域狭长，其北部低缓丘陵延绵，丘陵与海之间由一些独流入海河形成狭隘的沿海冲洪积平原;县区沿海地区为地势平坦、地域广阔的滨海平原，主要由滦河冲积平原和洋河、戴河冲积平原组成。沿海地段冲洪积物岩性一般为中细砂与亚粘土或粘土互层，下覆基岩岩性为太古界山海关变质花岗岩()。基岩埋深:市区一般20～30m，戴河-洋河滨海平原30～50m，滦河滨海平原基岩埋深一般100～600m，最大埋深可达上千米。

2 海水入侵现状及演化

秦皇岛海岸线南起滦河口北至与辽宁省交界，全长162.7km，其中大部分海岸是砂质海岸，其余为岩质海岸。除岩质海岸外，沿海均有不同程度的海水入侵现象。海水入侵的范围一般是沿海岸线向内陆延伸2～10km不等，河口地区入侵较远、污染也较重。根据水文地质条件、海水入侵严重程度及经济发展情况，将秦皇岛市海水入侵区划分为洋河-戴河滨海平原区、滦河滨海平原区和汤河-石河滨海平原区。其中以洋河-戴河滨海平原区海水入侵最严重、危害最大;滦河滨海平原海水入侵深入内陆最远、分布最广;汤河-石河滨海平原区海水入侵程度一般，对人们正常生活影响有限。

2.1 洋河-戴河滨海平原海水入侵区

20世纪60年代初，为解决北戴河海滨供水，在戴河与洋河滨海之间的枣园村附近修建了供水水源地。该水源地控制面积23km2，设计开采量1.5×104m3/d，日供水 1 × 104t/d［1］。水源地南部临海，距海岸最近距离只有4.8km，由于特殊的地质环境，加之从八十年代初期开始农业灌溉开采量剧增，地下水开采量远远超过补给量，导致地下水水位长期低于海，咸淡水体平衡被打破，最终引起海水入侵。1986年海水入侵面积22 km2，氯离子含量最高达1276 mg/L。供水水源地21眼供水井中有14眼因水质咸化而停止使用，307眼农用机井也相继报废;1987年以后，海水入侵速度略有减缓，但仍以2 km2/a左右的速率的发展。1991年海水入侵面积达32.4km2，地下水氯离子含量超过500 mg/L以上的中度、重度区域达21.8 km2，氯离子最高含量1450mg/L。

2.2 滦河滨海平原海水入侵区

滦河滨海平原海水入侵区区域范围广、污染程度相对较低。秦皇岛区域内的滦河滨海平原其范围南达滦河口北至昌黎黄金海岸，地势平坦，区域广袤。海水入侵区域主要分布在滦河口一带，2000年水质监测资料表明［2］，海水入侵内陆最远达到12km，滦河口以外地区一般3～6km，受风暴潮特殊天气影响，短期内海水入侵的深度甚至更为深远。滦河滨海平原沿海地处农村地区，地下水开采主要用于农业灌溉和生活用水，水位埋深浅，一般1～2m，海水入侵受自然因素多一些，且靠近沿海海岸的海水入侵区一般是无人居住区，因此其污染程度较低，氯离子含量最高925.48 mg/L，最低 40.53 mg/L。

2.3 汤河-石河滨海平原区

汤河-石河滨海平原海水入侵区分布于两河之间，大体沿海岸呈带状分布。该区域在市区范围内，海水入侵范围以秦皇岛老工业区较为集中的海港区面积较大。工业区内这些企业大多拥有自备生产水井，用水量大，井眼密集。资料统计，工业生产开采地下水开采量平均1519.6×104m3/a。1986年出现海水入侵现象，氯离子含量大于400 mg/L的区域为56.2km2，氯离子含量最高567 mg/L;1988年区内氯离子含量最高升至827.7 mg/L。此外，地处沙河下游的海港区卸粮口村也是海水入侵较重的区段。该区段因小型水源地长期开采地下水和人工挖砂采砂等因素导致该村地下水变咸，发生海水入侵。1998年该地段氯离子含量超过250 mg/L面积达8km2，最高含量可达7585mg/L。

2.4 海水入侵演化过程

秦皇岛市海水入侵按成因可分为自然因素和人为因素两部分。自然因素引起的海水入侵很早以前就存在。如滦河滨海平原昌黎县沿海，其成因主要受地形地貌及潮汐的涨落所控制。尽管如此，近年来全球气候变暖导致的干旱少雨以及河流流量减少都加剧了该地区海水入侵危害程度。人为因素引起的海水入侵主要分布于洋河-戴河滨海平原和汤河-石河滨海平原沿海，行政辖区分别属于抚宁县和秦皇岛市区。20世纪60年代以前该地区地下水均为淡水，水质、水位接近天然状态，地下水化学类型为重碳酸钙型水(HCO3-Ca)或重碳酸钙钠型水(HCO3-Ca·Na)，氯离子含量130～170 mg/L，地下水流向依地势由高向低流向海岸。20世纪70年代末，个别地点出现水质咸化、超标。大面积出现海水入侵是在80年代中后期，其中枣园水源地海水入侵最为典型，在人为大量汲取地下水的作用下，地下水改变了原有流向，形成以枣园水源地为中心地下水漏斗。1986年漏斗中心水位埋深达6.00m，水位标高-3.00m，低于0m的封闭等水位线的区域达10km2。地下水的化学类型由重碳酸类型水演变为氯化钙钠(Cl-Ca·Na)型水。这一阶段，其他沿海地区也有不同程度的海水入侵，但造成的危害相对较轻。20世纪90年代末至21世纪初，海水入侵的范围和强度趋缓，最近几年变化不明显。2005～2008年监测资料表明，海水入侵的面积变化趋于稳定状态，甚至略有缩小。以氯离子大于250mg/L及在一定范围内视电阻率小于30Ω·m为标准，2005～2008年各区域海水入侵面积及变化情况见表 1［3］。

表1 2005～2008年秦皇岛市海水入侵面积统计表Table 1 2005～2008 Statistics seawater intrusion area of Qinhuangdao

3 海水入侵污染特征及分布

海水入侵在平面的分布上一般沿海岸线呈带状分布，河口地区范围广、向内陆延伸距离远，污染程度由海岸向内陆逐渐减弱。2008年全市海水入侵面积322.28km2，其中昌黎县平原区海水入侵面积最大、入侵距离最长。2008年全市海水入侵面积分布情况见表2。

表2 2008年秦皇岛市各区县海水入侵特征值一览表Table 2 Characteristics of seawater intrusion area of Qinhuangdao in 2008

海水入侵在垂向的变化与第四系厚度及含水层水利性质有关，按水利性质秦皇岛地区沿海地下水可分为浅层水(潜水)和深层承压水。市区及抚宁县沿海基岩埋深浅、第四系厚度不大，地下水属浅层水，无承压性;昌黎县沿海地处滦河冲洪积平原，第四系巨厚，地下水由上至下分为浅层水(Ⅰ含水组)、中部半承压水(Ⅱ含水组)及深部承压水(Ⅲ含水组)。根据物探勘察成果，浅层水分布区海水入侵一般是上下部几乎同步推进，咸淡水分界线在剖面上近乎垂直，咸水、淡水区左右分明，只是在剖面底部曲线向咸水体倾斜，即咸水体底部入侵较为收敛。在河流入海口地段则相反，上部咸水体入侵较突出。深层水分布区入侵咸水体呈楔型，中部含水层入侵程度重，上部潜水和底部承压水入侵程度轻，水质监测成果见表3。物探勘察资料也表明［4］，海水入侵形态，咸水体由海及向内陆尖灭(图1)。

表3 昌黎沿海地下水水质监测成果表Table 3 Changli coastal water quality monitoring results of groundwater table

4 海水入侵机制及机影响因素

4.1 海水入侵理论机制

图1 大蒲河剖面电测深断面图Fig.1 The electrical sounding a sectional lan in Dapuhe

有关理论认为［5］:在天然条件下海岸带附近咸、淡水分界面的埋深相当于淡水位高出海平面高度(hf)的40倍。开采地下淡水时，经常在开采井附近形成降落漏斗和咸水入侵的反漏斗;如果开采量过大，则咸水反漏斗扩大上升，使咸水进入开采井中而污染水源(图2)。滨海地区地下水的流动是咸淡水相互作用、相互制约的流体动力学过程。在自然状态下，含水层中的咸、淡水保持着某种平衡，滨海地带地下水水位自陆地向海洋方向倾斜，陆地地下水向海洋排泄，二者维持相对稳定的平衡状态。两者之间的过渡带或临界面基本稳定，可以阻止海水入侵。然而，这种平衡状态一旦被打破，咸淡水临界面就要移动，以建立新的平衡。如果大量开采地下水或者河流入海径流量减少，淡水压力降低，临界面就要向陆地方向移动，含水层中淡水的储存空间被海水取代，于是就发生了海水入侵。

图2 滨海含水层中淡水和海水的流动过程及分界面变化示意图Fig.2 The flow process and interfacechange between fresh water and seawaterin water-bearingstrata at seashore

4.2 海水入侵类型

本区海水入侵类型按海岸带海水入侵途径划分主要有含水层海水入侵、河口海水入侵和沿断裂带海水入侵三种类型，其中含水层海水入侵本区最为普遍。含水层海水入侵除岩质海岸外区内沿海均有分布，其成因往往是超采开采地下水导致海水沿含水层逆流入侵内陆;河口海水入侵在区内所有河口地段均有不同程度显现，其中滦河、洋河、汤河河口及其下游地段最为显著。河流上游筑坝和修建水库等因素导致河流径流量变小从而引发海水入侵;沿断裂带的海水入侵在岩质海岸地段有发现，如北戴河区新河海水入侵区。断裂带的海水入侵一般呈线状向内陆入侵，入侵距离较短。

4.3 地下水开采量与海水入侵的关系

显然，过量开采地下水导致水位低于海平面是造成海水入侵的最直接原因，其影响过程也较为复杂。一般认为海水入侵与开采量成正比的关系，即开采量越大污染程度也就越大。此外，地下水的补给量也是制约海水入侵的主要因素。以枣园水源地为例，八十年代初地下水开采量达到高潮，最多年份1983年开采量达到1762×104m3，氯离子含量也达到相对较高的水平;在随后的十几年内至开采量有逐年递减的趋势，而同期地下水CL-离子含量几乎同步降低。后期，由于补给量减少，尽管地下水开采量减小，Cl-离子含量没有显著变化甚至略有增加(图3)。该区域1998～2000年水均衡计算结果:三年的蓄变量分别为812.02×104m3、-583.74×104m3、-412.36×104m3，说明1999年和2000年地下水(淡水)的排泄量大于补给量，地下水处于入不敷出状态，这种情况下，即使开采量减小CL-离子含量仍有升高的趋势。

图3 1983～1999年枣园水源地地下水开采量与Cl-含量关系曲线图Fig.3 1983～1999 Zaoyuan underground water sources，correlation curve between Extraction Volumes of Groundwater and Content of Chloride ion

4.4 地表水径流量

地表水径流量减小是海水入侵的另一个主要原因。20世纪60年代，为发展农业灌溉、防治洪涝灾害，在区内主要河流上游相继建成多座水库。水库建成后，其下游径流量流量聚减，有的河流，如洋河甚至连续断流数年。径流量的减少使河水动能减弱，涨潮时海水易溯河而上，侵深入内陆深远，即形成河口海水入侵。另一方面径流量的减少对地下水的侧向径流补给减弱，使地下水可开采量逐年减少，引发海水入侵。

4.5 工程破坏

随意在沿海挖砂取土等工程活动不仅破坏原有地貌形态、毁坏耕地还导致海水入侵地质灾害，加快海水入侵速度。较为典型的例子是海港区卸粮口村。村民在距海岸不到2km处挖砂采矿，形成多处5～7m深的砂坑，砂坑无疑起到海水入侵通道的作用。由于上游建有港务局一小型水源地，其日开采量2000t/d，水位常低于海平面，挖砂采矿活动使原本已很脆弱的地质环境更是雪上加霜，20世纪90年代卸粮口村地下水水质开始咸化，1998年氯离子含量最高达7585mg/L，超过250 mg/L面积达8km2。

5 海水入侵的危害

5.1 水源地破坏

海水入侵导致水源地破坏，部分供水井报废。据调查，枣园水源地21眼供水井中有14眼井弃废，造成直接经济损失按20世纪80年代物价水平已达28万余元，自来水公司及市政府又陆续投入相应的供水配套措施，间接经济损失至今已达数千万元。

5.2 土壤生态系统失衡，耕地盐渍化

滨海地区土壤生态系统因受气候及地下水含量变化的影响，土壤中的水分及营养元素很不稳定。海水入侵后使地下咸水沿土壤毛细管上升进入耕作层，导致土壤发生盐渍化。农业长期利用高矿化度水进行灌溉，盐分不断在土壤表层聚积，导致其物理性状变差，微生物活动减弱，有机质下降，最终导致土壤肥力下降，作物减产。有关资料表明，水中氯化物含量超过 600、800、1200 mg/L，蔬菜就要减产 20% 、40% 、60%。氯化物超过500 mg/L，产出的西红柿个头小，口感差，产量低，白菜烂心;超过1000 mg/L，黄瓜绝收、土质板结。

5.3 湿地减少，环境质量降低

稻田作为人工湿地起到储水、净化水质、调节局部小气候的功能，还可起到美化生活环境的作用。水质恶化导致农作物种植方式被迫改变。原来洋河-戴河滨海平原沿海农作物以种植水稻为主，现改为种植玉米，昔日成片的稻田已不复存在，环境质量下降;同时，农村生活饮用水源被迫实行远距离供水，没有条件的村庄甚至购买运输车辆从外地运来淡水。据调查，一个三口之家，一年光买水就得花费1000多元，村民生活负担大大加重。

5.4 土地开发利用价值降低

随着当地城市的发展，滨海地区土地资源日显珍贵。近期秦皇岛城市规划要把沿海的几个地方组成滨海区，将涌现大批房地产开发项目。但水质咸化会加剧地下水对建筑物基础的腐蚀。在干湿交替的环境下，地下水Cl-含量500～5000 mg/L，水对钢筋混凝土结构中的钢筋腐蚀等级可达到中级［6］。因此，建筑物在咸水的环境中使用寿命会缩小，建筑物的潜在成本相对提高;不仅如此，水中盐度高，生产设备容易氧化，对工业生产同样造成威胁，甚至影响到招商引资，土地利用价值大为降低。

6 海水入侵的防治措施

6.1 科学管理，合理开采地下淡水资源

海水入侵是由于过量开采地下水引起的，所以必须科学管理、统一规划，合理开发地下水资源。在科学研究的基础上，确立本地区各水文地质单元允许开采量，按不同季节、不同年份合理调整开采时间，枯水年少量开采地下水，丰水年可适当多开采地下水。

6.2 建立沿海地区地下水监测系统

加强地下水的水质、水量、水位等动态监测，确保水质达标，水量可控;保持地下水水位长时间在海平面之上。通过对地下水的动态监测，查明海水入侵的动态规律，为地下水的综合评价和科学管理提供准确的基础数据。

6.3 因地制宜，引调客水

在引调客水困难的情况下，结合本地地条件，因地制宜，采用紧邻洋河口的北戴河污水处理厂处理过的中水进行农田灌溉，既节约了水资源又通过回渗补充地下水改善了水质。

6.4 抽咸补淡，加快地下淡水恢复速度

抽取深部地下咸水、补充淡水可加快海水入侵治理速度。这种方法前提条件是治理区地下水水位必须有足够高出海平面的水头，否则可能会出现海水入侵进一步严重的恶果。

6.5 拦洪蓄水，增加地下水补给

地表水是地下水重要补给来源之一。如前所述，本地区主要河流洋河、戴河其上游均建有水库，由此导致下游几近断流。洋河水库现今是秦皇岛市主要供水水源，如果调配洋河水库水源增加河流水量无论是从大局着想还是从经济角度考虑都是不可行的。如果借鉴国内外一些成熟的经验在河口附近修建拦洪(潮)坝、橡胶坝或地下帷幕墙等工拦洪蓄水是增加地表水的入渗量防治海水入侵的有效方法。拦洪坝、橡胶坝较为经济，目前普遍采用修一道拦洪坝的做法。在这里，建议修建2～3道梯级拦水坝以逐级提高河水位强化对地下水的补给。梯级拦水坝等于在下游修建了水库，不仅提高了蓄水能力，还提升了防潮能力，也是治理海水入侵一种新的尝试。

7 结语

秦皇岛市海水入侵地质灾害十分严重，相关部门已列为河北省地质灾害重点防治区。海水入侵地质灾害的长期存在破坏了生态环境，影响了当地群众的正常生产生活，一定程度上制约了当地经济可持续发展。因此，防治海水入侵地质灾害应实行科学管理与工程治理并举的方针，加强海水入侵理论研究工作，对海水入侵严重地段重点监测。同时加强水资源管理，科学合理开发好、利用好水资源，以遏制海水入侵的蔓延，逐渐恢复淡水资源的可持续利用;在工程治理方面，借鉴国内外成功经验，修坝蓄水是解决海水入侵的有效方法，也是海水入侵防治长期有效的措施。

［1］安洪声，幸洪光，杨燕雄.秦皇岛市沿海地区海水入侵灾害研究［R］.秦皇岛:秦皇岛市水务局，2001.

［2］孟凡杰，谢亚琼，臧文学.河北省秦皇岛市地质环境监测报告［R］.秦皇岛:河北省地质矿产局秦皇岛矿产水文工程地质大队，1991，2001.

［3］谢亚琼.秦皇岛海水入侵灾害动态研究［M］.河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队.2009年度职工论文集，2010:100-103.

［4］周振祥，刘松涛，杨立顺.秦皇岛市海水入侵调查评价报告［R］.秦皇岛:河北省地勘局秦皇岛矿产水文工程地质大队，2005.8.

［5］潘懋，李铁峰.灾害地质学［M］.北京:北京大学出版社，2002:249-253.

［6］GB 50021-94岩土工程勘察规范［S］.

Geological hazards of the seawater intrusion and its control measures in Qinghuangdao city，Hebei Province

ZANG Wen-xue，LIU Wen-jun，GUO Ju，ZHANG Xian
(The Qinhuangdao Mineral ang Hydrogeological ang Engineeing Geological Group of Survery Bureau of Heibei Province，Qinhuangdao 066000，China)

With Qinhuangdao population growth and economic development，growing exploitation of groundwater has commonly resultad in coastal salt water intrusion.Seawater intrusion is also a hazard，how to prevent sea water intrusion is a vast issue that need geological staff workers and related technologies to solve.This paper based or the analysis of the distribution of seawater intrusion in the region，the mechanism of the causes and proposed the scientific management of groundwater exploitation，transfer other water to replenish groundwater and build tide stopped dam and other many kinds of measure to prevent Seawater Intrusion.Learn from foreign experience and mature way，the construction of dams for blooking the flood tiok is an effective way to control seawater intrusion.Also pointed out that the construction of multi-channel dams sequential steps to improve the water supply position is a new attempt for controlling groundwater intrusion.

Qinhuangdao city;seawater intrusion;geological hazards;groundwater;control measures

1003-8035(2010)04-0120-06

P641.2

A

2010-08-02;

2010-09-04

臧文学(1961—)，男，工程师，长期从事水文地质工程地质环境地质的实践和研究工作。

E-mail:qhdzwx@163.com