莱州湾海底地下水动态及影响机制研究

侯国华，高茂生 *，郭飞，孔祥淮，赵金明，仇建东，刘森，郑懿珉

（1.中国地质调查局青岛海洋地质研究所国土资源部海洋油气资源和环境地质重点实验室，山东青岛266071；2.青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程功能实验室，山东青岛266061；3.中国石油大学地球科学与技术学院，山东青岛266555；4.山东省第四地质矿产勘查院，山东潍坊261021）



莱州湾海底地下水动态及影响机制研究

侯国华1，2，高茂生1，2 *，郭飞1，3，孔祥淮1，2，赵金明4，仇建东1，2，刘森1，郑懿珉1

（1.中国地质调查局青岛海洋地质研究所国土资源部海洋油气资源和环境地质重点实验室，山东青岛266071；2.青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程功能实验室，山东青岛266061；3.中国石油大学地球科学与技术学院，山东青岛266555；4.山东省第四地质矿产勘查院，山东潍坊261021）

摘要：地下水监测及数理分析是地下水动态研究的主要方法。但目前海岸带地区多以陆域地下水监测为主，海域部分尤其具有多层含水层系统的海底地下水缺少直接监测数据。本研究通过海域钻孔Z K03与Z K08实时监测不同层位海底地下水动态以及海洋潮汐变化，结合其地层结构和沉积演化背景，分析莱州湾海底地下水动态特征并揭示其影响机制。研究结果表明，莱州湾海底地下水动态具有周期性和分层性特征；全新世含水层与海水关系密切，其海水入侵界面垂向上厚10 m左右。海底地下水分层与沉积地层划分大致相同，其动态特征是在地层结构及沉积演化环境影响下，降水、径流及潮汐驱动不同层深地下水间或地下水与海水间混合作用的结果。本文初步构建了海底地下水分布模式，探讨区域地下水与海水的相互作用关系。莱州湾海底地下水动态研究对于深入分析海（咸）水界面变化机制及探索海底地下水排泄具有推动作用。

关键词：莱州湾；海底地下水；动态特征；影响机制

1　引言

莱州湾地区是我国重要的渔业和海盐生产区，地下卤水资源丰富，其不合理无节制开采使莱州湾地区成为华北海（咸）水入侵最为严重的地区［1—4］。海底地下水排泄作为海岸带地区陆域地下水对海水的物质能量输入方式，对海洋过程及环境演化具有重要影响［5—10］。莱州湾海底地下水动态是海（咸）水入侵及海底地下水排泄等海陆相互作用过程的重要影响因素，海底地下水动态研究对于控制海（咸）水入侵危害及探索海底地下水排泄具有重要推动作用［11—16］。

目前针对海岸带地下水动态已有大量研究。Kim等［17］运用时间序列方法对济州岛东部的降水、潮汐波动及地下水水位等监测数据进行分析，结果表明由潮汐效应引起地下水波动的周期及波幅随着距海岸变远而不断减弱，其影响范围可达3 k m。周训等［18］运用谱分析原理对广西北海市海潮及受海潮影响的滨海含水层地下水位时间序列进行分析，两者均表现出相似的长周期和短周期的波动，其地下水位滞后于海潮的时间随离海岸距离的增加近似地呈线性增加。Shalev等［19］通过监测以色列一个滨海含水层发现地下水的电导率波动同潮汐变化周期具有很好的一致性，其变化幅度甚至比潮汐及地下水水位变化幅度还要大一个数量级。潮汐效应引起滨海地下水波动，对下伏承压含水层地下水流产生荷载效应，增加其波动波幅并减小相移，尤其当潮汐荷载系数较大、含水层向海延伸较远，潜水含水层渗透系数及给水度较大的条件下，影响尤为明显［20］。潮汐效应是海岸带地下水动态周期性变化的关键因素。通过钻孔开展陆域地下水监测，结合数理分析是海岸带地下水动态研究的主要方法。但是针对海域部分，尤其具有多层含水层系统的海底地下水，缺少直接监测数据，在揭示沉积背景复杂、潮汐作用明显、含水层非均质性较大、且地下水垂向运动不可忽视的海底地下水动态特征方面具有一定局限性。

本研究通过位于莱州湾南岸人工围填海区域的地质浅钻孔Z K03、Z K08，实时监测潮汐及不同层位海底地下水水位（L）、水温（T）及电导率（EC）等，结合其地层沉积背景和地球化学过程，分析莱州湾海底地下水动态特征并揭示其变化机制。在此基础上，本文构建了莱州湾海底地下水分布模式，进一步探讨区域地下水与海水的相互作用关系。

2　研究区背景

莱州湾南岸属滨海冲积海积平原地貌，普遍发育新生界松散沉积地层，出露的地层主要为第四系全新统和更新统的冲积、海积沉积层，由南向北、自东向西，地层厚度逐渐增大［21］。自晚更新世以来，随着冰期、间冰期气候变化以及海平面多次升降，渤海发生了沧州海侵、献县海侵和黄骅海侵以及它们之间的海退事件，莱州湾南岸滨海河海积和海积平原区便相应地沉积了海、陆相间的地层［22］。晚更新世早期、晚更新世晚期及全新世海相沉积层古海水在地表河流输入、后期蒸发、回流渗滤及埋藏变质等多种因素共同作用下演化形成了3个地下卤水层，其矿化度为50～165 g/L［23—24］。研究区地层岩性在水平方向及垂直方向上均有复杂而明显的变化，自下而上为：晚更新世和全新世早期的黄褐色冲积砂砾层和黏土层，上为全新世海侵层的下伏地层；滨海相下贝壳粗砂质粉砂层；青灰色质地均一的浅海相砂质粉砂层；浅青灰色澙湖—浅滩相上贝壳粉细砂层；黄绿和暗灰色澙湖相粉、细砂和黏土层；黄褐色现代冲积粉砂细砂层。

本研究监测钻孔Z K03（37°13′10.41″N，119°12′26.71″E）、Z K08（37°13′10.44″N，119°12′26.71″E）位于弥河-潍河多源河流三角洲（莱州湾南岸白浪河入海口）围填海区的人工沙滩附近，是莱州湾晚更新世以来3次主要海侵范围内的浅海地区（图1）。2013年钻孔取心，Z K03终孔孔深30 m，人工回填深度6.00 m，水位埋深4.98 m，主要揭露全新世沉积地层；Z K08终孔孔深80.0 m，人工回填深度5.80 m，水位埋深5.96 m，揭露晚更新世早期以来的地层。Z K03孔安装滤水管，埋深6.00～26.50 m；Z K08孔埋深为31.20～74.00 m（图1）。通过不同层位两个钻孔，实时分层监测全新世及晚更新世沉积地层地下水动态。

3　材料与方法

Z K08孔岩心以10 cm间距取样，进行岩性分析、14C测年、OSL测年、矿物鉴定以及元素、粒度、孢粉、微古测试。研究区浅地层可划分5个沉积单元：全新世黄骅海侵层、晚更新世晚期陆相沉积层、晚更新世晚期献县海侵层、晚更新世早期陆相沉积层及晚更新世早期沧州海侵层。

本研究采用C T D-diver同步连续监测海洋潮汐及不同层位地下水水位、水温、电导率等参数。监测方案为：两监测孔不同监测层位均布设C T D-diver，监测频率均每小时1次。具体包括3个方面：①潮汐及层深10 m地下水的水位、水温、电导率的变化，分析海洋潮汐对地下水的影响；②Z K03及Z K08孔层深10 m、15 m、20 m进行监测，对比分析，查明不同层位地下水动态层间差异性；③叠加Z K03及Z K08孔地下水监测剖面，分析完整剖面地下水动态特征，分析晚更新世以来沉积地层地下水差异性并进行地下水分层。

4　结果与讨论

4.1季节性变化

Z K03孔水位高程0.8～1.2 m，Z K08孔水位高程0.3～0.6 m，两者差别明显，其揭露含水层地下水水力联系较弱（图2a）。二者季节变化趋势一致，一个水文年内呈现两个峰值，分布于9月和1月；当地降水量主要集中于6-10月，其中两个峰值分布于7月与9月，地下水受降水补给作用增强，水位升高；当地地下水集中开采季节为5-10月的农业灌溉期。综合以上变化，降水增加，补给增强，水位升高；开采减少，排泄减弱，水位升高；地下水受季节性降水补给及灌溉集中开采共同影响且呈现一定滞后性。

Z K03与Z K08孔地下水温度比较稳定，有一定季节性波动，最高值出现在1月，最低值出现在9月，年季变化小于1℃（图2b）。

Z K08孔地下水电导率较平稳，Z K03孔持续降低，二者均小于海水电导率（图2c）。在7-8月两监测井地下水电导率均有突变，Z K08孔突变升高，Z K03孔下降幅度增大，变化均处于两含水层季节性水位升高时段。因此降水补给或径流补给引起含水层水位升高，引发不同类型水发生混合，应是其电导率变化的主要因素。据两含水层电导率变化趋势可知，Z K03孔电导率降低，为淡水混合，对应含水层应受降水直接入渗补给或通过径流补给，且该混合过程持续进行；Z K08孔电导率升高，主要为咸水混合，结合其卤水分布背景，初步分析认为降水补给导致研究区上游或上层水位升高，通过径流补给或者上层压力增加引发深部咸水在监测井内向上运动而发生混合。因此，需要在同一监测井进行分层监测地下水动态，深入分析不同层位地下水动态变化规律及影响机制。

图2　Z K03与Z K08孔层深10 m地下水动态季节变化Fig.2 Seasonal groundwater regime in 10 m depth layer of Z K03 and Z K08 cores

4.2短周期变化

4.2.1水位

研究区潮汐为半日潮，周期为12 h，潮差近2 m（图3a）。Z K03、Z K08孔地下水水位受潮汐作用明显，具有与潮汐相似的周期性波动，其中Z K08孔与潮汐同步性更好；且Z K03孔最大水位差0.07 m，Z K08孔最大水位差0.22 m（图3b、3c）。地下水波动的周期和振幅表明Z K08孔含水层对潮汐波动响应更为敏感，其顶板向海具有较大延伸且在海底存在相对明显的越流作用［25—26］。Z K03孔层深15 m与20 m水位瞬时波动较10 m剧烈且规律性较差，分析认为能量相对比较小的海水波浪振动是其主要影响因素；Z K08孔水位基本无波动现象，分析认为层深15 ～20 m地层，即全新世地层具有更好的海水连通性。

图3　Z K03与Z K08孔层深10 m、15 m及20 m地下水水位日变化Fig.3 Diurnal groundwater tablein 10 m，15 m and 20 m depth layer of Z K03 and Z K08 cores

4.2.2水温

Z K03、Z K08孔地下水温度相对于海水温度比较稳定且层间差异小于0.1℃（图4）。Z K03孔层深10 m及15 m水温有周期性波动，层深20 m水温稳定，分析认为上部浅层含水层地下水受大气温度波动影响明显（图4b）。Z K08孔水温具有分层现象，温度从高到低依次为20 m、15 m、10 m层深，初步认为，对于深部承压含水层，其地温或许对地下水温度的影响较大。

图4　Z K03与Z K08孔层深10 m、15 m及20 m地下水温度日变化Fig.4 Diurnal groundwater temperature in 10 m，15 m and 20 m depth layer of Z K03 and Z K08 cores

4.2.3电导率

Z K03及Z K08孔地下水电导率具有明显的分层现象以及周期性变化特征（图5）。Z K03孔中，EC（15 m）≈EC（20 m）≈EC（潮汐）＞EC（10 m），且均有周期性波动；Z K08孔中，EC（15 m）≈EC（20 m）＞EC（潮汐）＞EC（10 m），仅EC（10 m）有周期性变化。潮汐对滨海含水层地下水水流的影响一般通过两个途径实现：一是直接的水力联系或者通过海底淤泥的越流作用；二是通过荷载影响地下水水位波动［7，27］。前者为物质输入，地下水与海水进行混合；后者为能量传递，主要为不同地下水进行混合。ZK03孔地下水电导率变化表明：ZK03孔层深15～20 m地下水电导率与海水近似，结合其水位变化规律表明，该层地下水与海水存在混合作用，发生海水入侵；ZK03孔层深10～20 m地下水电导率垂向上存在明显变化，潮汐引起水位周期性波动，进而引起电导率周期性波动。因此，该含水层受潮汐物质输入及能量传递共同影响。ZK08孔地下水电导率变化表明：ZK08孔层深10 m附近电导率存在明显变化，15～20 m及附近电导率差别较小，在潮汐影响下，仅层深10 m电导率有周期性变化，该含水层受主要受潮汐的能量传递影响。

图5　Z K03与Z K08孔层深10 m、15 m及20 m地下水电导率日变化Fig.5 Diurnal groundwater electrical conductivity in 10 m，15 m and 20 m depth layer of Z K03 and Z K08 cores

4.3地下水分层与沉积地层

海底地下水动态及海（咸）水入侵研究过程中电导率变化更具代表性。本文以电导率为主要监测因子，综合其他监测因子值大小和变化趋势，同时参考海水电导率值进行地下水分层描述。季节性及短周期监测数据显示，相对于监测因子层间差异性，其同一层位季节性变化范围较小，故该部分主要依据季节性监测过程，同时选取某一时刻连续剖面监测值进行分析。

Z K03与Z K08孔剖面上地下水监测结果表明研究区晚更新世以来沉积地层地下水具有明显分层现象（图6）。Z K03孔地下水电导率分为3个层位：①层深4.98～10.95 m为第一层，电导率小于40 m S/ cm，且随深度增加急剧升高；②层深10.95～15.85 m为第二层，电导率位于40～44 m S/cm，且随深度增加缓慢升高，不断逼近海水电导率（44.5 m S/cm）；③层深15.85～24.73 m为第三层，电导率不再随深度变化，稳定在44～45 m S/cm，近于海水的电导率。温度分为两个层位：①层深4.98～7.96 m为第一层，温度随深度增加急剧降低；②层深7.96～24.73 m为第二层，温度随深度增加基本趋于稳定。

Z K08孔地下水电导率分为5个层位：①层深5.96～10.44 m为第一层，电导率随深度增加急剧升高，且在9.46 m深度超过海水，该层位电导率小于48 m S/cm；②层深10.44～35.47 m为第二层，电导率稳定在48 m S/cm左右；③层深35.47～43.55 m为第三层，电导率为48～59 m S/cm，且随深度增加而急剧升高；④层深43.55～63.43 m为第四层，电导率随深度增加而缓慢升高，范围在59～64 m S/cm；⑤层深63.43～75.23 m为第五层，电导率稳定在64 m S/cm左右；温度分为3个层位：①层深5.96～11.47 m为第一层，温度随深度增加急剧降低，大小为15.38～18.73℃；②层深11.47～38.45 m为第二层，温度随深度增加缓慢降低，大小为14.67～15.38℃；③层深38.45～75.23 m为第三层，温度随深度增加缓慢升高，大小为14.67～15.50℃。

根据监测孔地下水温度监测数据，地下水温度大致可分为浅部温度降低层，中部温度稳定层，深部温度升高层3个层位。初步分析认为：上部浅层含水层地下水温度受大气影响较大，随着深度增加，其大气温度影响降低，水温降低，并趋于平稳。而深部含水层的地下水温度随深度而增加，地温对其影响占主导作用。中部含水层地下水温度稳定层或为两者作用相互平衡的一个层位。

ZK08孔岩心10 cm间距取样测试结果表明，本钻孔浅地层可划分5个沉积单元（表1）：①5.8～18.58 m为全新世以黄骅海侵层，岩性为灰色粉砂、粉细砂、黏土质粉砂，含有贝壳碎屑，底界面A M S14C测年为11.6 ka BP；②18.58～23.27 m为晚更新世晚期沉积的陆相层，主要为灰黄色、灰色黏土质粉砂，黏土含量较高，含水量较小，底界面OSL测年为24.0 ka BP；③23.27～49.15 m为晚更新世晚期形成的献县海侵层，以粉细砂和黏土质粉砂为主，底界面OSL测年为61.0 ka BP；④49.15～63.70 m为晚更新世早期的陆相层，上部黏土质粉砂夹粉细砂为主，下部粉细砂为主，底界面OSL测年为74.0 ka BP；⑤63.70～80.00 m为晚更新世早期的沧州海侵层，以黏土质粉砂为主，中间夹有中细砂、中粗砂层，底界面OSL测年为128 ka BP。

莱州湾沉积地层划分与海底地下水电导率分层相近。3个海侵层构成沉积地层的主要3个含水层，晚更新世早期和晚期两个陆相沉积层构成这一含水层系统的弱透水层。该海底含水层系统上层为全新世黄骅海侵层，发育潜水卤水层，与海水连通性较好，是海水入侵的主要层位，入侵界面过渡带垂向上的厚度可达10 m；地下水受大气降水及潮汐影响明显，动态具有周期性。中层为晚更新世晚期献县海侵层，发育承压卤水层，在向海延伸一定范围内主要受径流补给、潮汐能量传导及越流作用影响，其水位变化具有周期性，电导率相对稳定。下层为晚更新世早期沧州海侵层，发育承压卤水层，主要受径流过程影响，地下水动态稳定。莱州湾晚更新世以来3次海侵形成的卤水层是海底地下水分层的控制因素，而海底地下水分层特征也基本能够反映莱州湾晚更新世以来沉积地层结构及沉积环境特征。降水入渗、径流补给以及潮汐效应引起地下水与海水之间或者不同层深地下水之间的混合过程是海底地下水周期性变化的驱动机制。

基于以上分析，本文初步构建了莱州湾海底地下水分布模式（图7）。莱州湾地层结构是海底地下水分布的控制因素，沉积环境特征是分层地下水化学演化的关键因素。降水入渗、径流补给及潮汐效应产生地下水与海（咸）水间的密度差和水位差，驱动海底地下水与海（咸）水之间的物质能量交换，使其呈现周期性和分层性特征。研究表明，一定海域范围内，全新世含水层地下水与海水关系更为密切，是海水入侵主要层位，入侵界面垂向上厚度约10 m；晚更新世晚期含水层地下水受潮汐能量传递影响，水位周期性变化较敏感。海底表层沉积物（底质层）的岩性特征（厚度及渗透性）是海底地下水与海水相互作用的重要影响因素。莱州湾海底地下水分布模式对于深入研究海咸水界面变化机制及探索海底地下水排泄具有积极推动作用。本研究下一步开展区域地下水分层监测和取样测试，对模式进行进一步验证。

表1　Z K08孔沉积地层特征与海底地下水分层对比［23，28—29］Tab.1 Comparison between submarine groundwater stratification and sedimentary strata of Z K08 Core

图6　Z K03与Z K08孔垂直剖面地下水电导率变化Fig.6 Groundwater electronic conductivity in vertical profile of Z K03 and Z K08 cores

图7　莱州湾海底地下水分布模式图Fig.7 Distribution pattern of submarine groundwater in the Laizhou Bay

5　结论

莱州湾海底地下水动态受降水和潮汐影响，具有周期性变化规律。Z K03孔地下水水位及电导率变化规律表明全新世含水层与海水联系密切，且存在海水入侵现象，入侵界面垂向上厚度10 m左右。Z K08孔地下水受潮汐能量传递影响，水位波动与潮汐同步性更好。

莱州湾海底地下水具有分层现象，可分为5层，与沉积地层划分大致相同，主要受晚更新世以来3次海侵时期形成卤水含水层分布影响。分层特征是监测井不同层深地下水混合过程中电导率呈现周期性变化的主要原因。

莱州湾海底地下水动态特征是地层结构及沉积演化环境影响下，降水入渗、径流补给及潮汐效应共同作用引起地下水间或地下水与海水间的密度差和水位差，进而驱动彼此间物质能量交换的结果。一定海域范围内，全新世地层海底地下水与海水联系更加密切，物质能量交换频繁；晚更新世地层地下水受潮汐能量传递影响明显。

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H ou Guohua，Gao M aosheng，Guo Fei，et al.Research on submarine groundwater dynamics and driving mechanism in the Laizhou Bay ［J］.Haiyang Xuebao，2016，38（5）：124-132，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.05.011

Research on submarine groundwater dynamics and driving mechanism in the Laizhou Bay

H ou Guohua1，2，Gao M aosheng1，2，Guo Fei1，3，Kong Xianghuai1，2，Zhao Jin ming4，Qiu Jiandong1，2，Liu Sen1，Zheng Yimin1
（1.Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resourcesand Environmental Geology，Ministryof Land and Resources，China Geological Survey，QingdaoInstituteof Marine Geology，Qingdao 266071，China；2.Laboratory for Marine Geology，Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology，Qingdao 266061，China；3.Schoolof Geosciences，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China；4.ExplorationInstitute of Geology and Mineral Resources，Weifang 261021，China）

Abstract：Groundwater monitoring combined with mathematical analysisis the main method of groundwater dynamics studies.But there is less monitoring data for sub marine groundwater than inland groundwater in the most coastal areas.In this study，sea drillings Z K03，Z K08 were designed to real-time monitor dynamics characteristic of sub marine groundwater in multi-layers aquifers and ocean tides.Combined with stratu m structure and sedimentary evolution setting，the paper analyzed the dynamic characteristics of sub marine groundwaterin the Laizhou Bay and revealed the driving mechanism.The results showed that sub marine groundwater dynamic appeared to be periodic and stratified in the Laizhou Bay，H olocene aquifer were closely associated with the sea，where the vertical thickness of seawater intrusion interface was about 10 m.Sub marine groundwater stratification were roughly consistent with sedimentary strata.Controlled by strata structure and sedimentary environ ment，the mixing processin different aquifer groundwater or between groundwater and seawater drived by precipitation，groundwater runoff and tide was the main driving mechanism of sub marine groundwater dynamic.Then the paper constructed a preliminary sub marine groundwater distribution pattern to explore the interaction between groundwater and seawater.The study on the dynamics characteristic of sub marine groundwaterin the Laizhou Bay play a positive rolein analyzing saltwater interface change mechanism and exploring the sub marine groundwater discharge.

Key words：Laizhou Bay；sub marine groundwater；dynamic characteristic；driving mechanism

*通信作者：高茂生（1966—），男，研究员，博士，博导，主要从事海岸带环境水文地质和海洋沉积研究。E-mail：gms532＠163.com

作者简介：侯国华（1987—），男，河南省新乡市人，助研，从事海岸带环境水文地质研究。E-mail：houguohua1987＠163.com

基金项目：国家自然科学基金（41476051，41306063）；国家海洋地质保障工程专项（GZ H201200505）；科技基础性工作专项（2014F Y210600）。

收稿日期：2015-06-08；

修订日期：2015-09-17。

中图分类号：P641.2

文献标志码：A

文章编号：0253-4193（2016）05-0124-09