辽西渤海岸海水入侵预测分析及防御措施研究

孟祥军

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

海水入侵，又叫海水倒灌、咸水入侵等。源于“人为超量开采地下水造成水动力平衡的破坏”，中国海水入侵最严重的是辽宁、山东两个省份[1]。天然状态下，没有人为因素的干扰，沿海地区只要地质条件符合标准，海水入侵现象是普遍存在的，尤其在近海岸及小海岛区域[2]。近现代以来，随着人类改造自然能力的提高，需水量的增大，加剧了海水入侵的严重程度。滨海地区地下水水位由于超量开采持续下降，破坏了咸淡水动态平衡，使得海水对淡水含水层直接入侵。对于海水入侵的研究历史已有百年，海水入侵的基本理论、模型、水文地球化学和环境同位素、调查监测技术方法、防治和减缓对策、生态影响、全球气候和海面变化影响以及区域个例研究等各个层面均得到不同程度的研究[3- 12]，但在海水入侵的监测体系评价中还存在不足，虽然监测内容还是监测技术都有了质的提高，但是新技术的应用方法各异，规范不成熟，标准不统一[13- 14]。该情况往往形成不同的评价体系，需要制定统一的标准和不同方法的换算公式。鉴于辽西地区海水入侵防治工程的实施，目前负面效应逐渐体现，海水入侵的防治方法的适宜性、优缺点没有系统的分类、归纳，而且防治方法的种类过于偏重工程[15]。为此本文主要根据海水入侵现状评价和数值预报的情况，制定辽西渤海岸海水入侵合理的防御措施。

1 海水入侵监测体系构建

1.1 监测点布设

在海水入侵监测体系中，监测井点多采用工民用机电井，井点布局与密度都有一定的局限，根据海水入侵监测结果，在充分掌握海水入侵规律与动态的基础上，优化监测网点，为以后更准确、经济、方便、快捷地评价海水入侵服务。区域海水入侵监测站点布设情况如图1所示。

1.2 监测项目

1.3 监测时间与频率

根据地下水质量标准GB/T 14848—93对海水入侵区的标准进行划分，Cl-浓度小于100mg/L为未入侵区，海水入侵区Cl-浓度在100～250mg/L之间，受侵区Cl-浓度在250～350mg/L之间，严重受侵区的Cl-浓度高于350mg/L。未入侵去监测频率一年两次，即丰水期7月或8月份和枯水期(灌溉结束期)11月—次年3月中任一时间段，但年度间要保持连续性。入侵区每年5次，在灌溉期间监测3次，分别为5、7、9月，枯水期监测

图1 监测点布设情况

两次，为11月和3月。受侵区每年4次，每季度1次。严重受侵区每年2次，分别在主汛期和汛期之后。

2 海水入侵预测分析方法

2.1 海水入侵离子比特征值分析方法

海水入侵由于水岩交换，不同参数从入侵开始过程浓度发生不同程度的变化，其他化学离子也存在变化，加之水文地质条件的复杂性，有的表现明显，有的不明显。

土壤中盐浓度高还是碱浓度高是海水入侵对土壤影响程度的重要反映特征，对于盐浓度高于碱浓度，需要进行有效的灌溉排水措施即可达到盐渍化治理的目标；而如果土壤中碱浓度高于盐浓度，则需采用化学方法进行盐碱化的综合治理，这种治理方式相对较为困难。离子比特征值可以对这种变化进行有效反映，多种相关关联的各离子之间的当量数毫克的比重可作为离子比特征值。该指标即对海水入侵程度进行反映，也对海水入侵后的影响度进行综合表征，主要反映的指标有咸化系数、镁离子以及钠吸附比等。

2.1.1钠吸附比分析

碱化的重要指标是钠吸附比，土壤碱化一般指从土壤溶液中土壤复合体吸附钠离子的过程，通常为阳离子交换的过程，土壤胶体表面与土壤溶液中的钠离子进行离子交换的一个过程。灌溉水体在农业灌溉过程中使得钠离子进行到土壤中，如果钠离子的浓度过大，则土壤次生碱化现象产生，土壤胶体上吸附的阳离子与土壤溶液中的阳离子进行相互交换时钠离子的活性相对比称为钠吸附比，其计算方程为：

(1)

式中，SAR—钠吸附比；Na+—钠离子浓度，mg/L；Ca2+—钙离子的浓度，mg/L；Mg2+—镁离子浓度，mg/L。

2.1.2咸化系数分析

咸化的重要指标是咸化系数，是氯盐与重碳酸盐以及碳酸盐的比值，其分析方程为：

A=rCl/rHCO3+rCO3

(2)

式中，A—咸化系数；rCl—氯离子浓度，mg/L；rHCO3—碳酸盐离子浓度，mg/L；rCO3—重碳酸盐离子浓度，mg/L。

2.2 海水入侵预测分析

利用数学分析方法，建立预测模型，并根据该模型进行海水入侵预测。预测的总体思路如图2所示。

图2 海水入侵预测思路

3 辽东渤海岸海水入侵评价

3.1 氯元素与其他离子相关关系

结合各监测井水化学分析中的矿化度、钙离子、镁离子、硫酸盐、咸化系数、钠吸附比、氯离子浓度的测定分析数据，建立氯元素与其他离子之间的相关关系，如图3所示。

从氯元素与其他离子之间的相关关系分析可看出，氯元素与矿化度的相关性最高，相关系数值可达到0.8971，其次为钠吸附比，表明氯元素与这

图3 氯离子与其他化学因素之间的相关性分析

两个离子特征值变化具有一致性。在各单项离子元素中，阳离子的相关度总体高于因子阴离子的相关度，钙离子的相关系数最大，达到0.3555，因此在钙离子在水-岩离子交换的反映程度较大。硫酸盐等阴离子的相关系数较低，表明阴离子在氯元素的相关分析中还需要进行置换，并综合考虑毫克百分比当量、钠吸附比以及咸化系数等指标。

3.2 钠吸附比及咸化系数分析

对重碳酸盐和咸化系数、以及钠离子与钠吸附比之间的相关性进行分析，如图4。

从分析结果可看出，重氮酸盐与咸化系数的相关度较低，相关系数为0.0644，主要是因为有一个监测井的出现较为奇异点，如图中重碳酸盐～咸化系数高位点值，通过调查分析该监测井靠近海岸，咸化系数较大，属于海水入侵较为严重的区域，因此影响了总体重碳酸盐～咸化系数的相关度，而钠离子和钠吸附比的相关系数达到0.8395，属于高度相关，因此钠离子的浓度和钠吸附比具有较明显的变化一致性。

图4 海水入侵特征值分析结果

4 辽东渤海岸海水入侵预测模型

4.1 分级原则

研究区氯元素偏小的有的低于50mg/L，一般低于100mg/L。本文创新利用水-岩离子反应机理，根据海水入侵后离子毫克当量发生变化，依据毫克当量百分比规律判定海水入侵。

4.2 模型建立

4.2.1数据分析

在所有154个井点中氯值小于100mg/L的共有67个，氯值多为未入侵区。氯值大于100mg/L，小于350mg/L的共有32个，为海水入侵后氯值紊乱区间。大于350mg/L的共有55个，为严重入侵区。为更准确分析，把井点分为3组分别研究，见表1。

表1 监测井地下水位和氯值测定值

4.2.2未入侵区分析

根据水位与氯离子线性关系如图5所示，得到地下水位和氯离子的相关回归方程，回归方程为：y=-0.1564x+8.5689(方程中y为氯值浓度，x为地下水位)

图5 水位与氯离子的相关度分析

通过对监测点的地下水位和氯离子的相关性分析，其相关度为0.7762，由于未侵入区数据较少，代表性不高，无法对回归方程进行检验和分析，存在一定的局限性。通过建立的回归方程，可以结合地下水位观测数据，进行氯离子浓度的预测分析。

4.2.3受侵区分析

结合受侵区域的地下水位和氯离子浓度分析数据，建立回归方程，方程为CCl=2445.91-812.46d-135.80z(式中，d—海岸纬度差；z—地下水水位，并对回归方程进行误差检验，误差统计结果见表2—3，并建立不同海岸纬度差以及地下水位下的预测值和测定值的对比，如图6所示。

表2 海水受侵区建立的回归方程误差分析

注：Intercept表示为回归方程的截距值；Coefficients表示为回归系数；T-Stat表示为T检验值；P-value表示为P检验值；Lower 95%：表示为95%降雨保证率的下限值；Upper 95%表示为95%降雨保证率的上限值。

表3 海水受侵区氯值预测与残差分析结果

从地下水位、海岸纬度差与氯关系线性拟合结果可看出：地下水位、海岸纬度差与氯关系线性拟合相关性尚好，主要因为不同井点的地质参数不同，海水入侵通道不同，如井点含水层岩性有沙卵石、基岩裂隙、破碎带裂隙等。从误差检验结果可看出建立的回归方程基本可满足95%降水保障率条件下的T检验和P检验值，随着监测点数据的不断增加，可以逐步对受侵区氯值回归预测方程进行参数的调整分析，提高预测的精度。

4.2.4严重受侵区分析

严重受侵区共有55个，海水入侵的氯离子大小受到离河口经度距离、高程和入海水量的影响，建立回归方程为CCl=2235.5+1439.99D+2492.15H- 54.58Q(式中，D—河口经度差；H—高程；Q—入海水量)。对其回归方程进行分析，见表4—5，如图7所示。

从拟合分析结果可看出，高程、河口经度差与氯关系线性拟合较高，严重海侵区由于影响因素更

表4 海水严重受侵区建立的回归方程误差分析

注：Intercept表示为回归方程的截距值；Coefficients表示为回归系数；T-Stat表示为T检验值；P-value表示为P检验值；Lower 95%：表示为95%降雨保证率的下限值；Upper 95%表示为95%降雨保证率的上限值。

图6 地下水位、海岸纬度差与氯关系线性拟合结果

图7 高程、河口经度差与氯关系线性拟合结果

为复杂，因此其回归方程的误差较侵入区、未侵区有所增加，考虑到严重入侵站点数较多为55个，监测频率应兼顾丰枯水季，并建立降雨、地下水位、氯元素值的相关关系；同时积累系列年际资料，把握海水入侵的时间滞后性。

表5 海水严重受侵区氯值预测与残差分析结果

4.3 各分区预测结果

4.3.1未入侵区氯值预测

结合建立的预测方程对未入侵区2030年和2040年远景年的地下水位和氯值进行预测，结果见表6—7。

表6 2030年用水量情况下水位、氯值预测表

表7 2040年用水量情况下水位、氯值预测表

从预测结果看，2030年用水量情况下的预测总值为2018年总值的1.01倍，2040年用水量情况下的预测总值是2016年亦的1.02倍。2030年与2040年具有相似性。

4.3.2受侵区氯值预测

结合建立的预测方程对受侵区2030年和2040年远景年的地下水位和氯值进行预测，结果见表8—9。

从预测结果看，2030用水量情况下的预测总值是2018年总值的1.08倍，2040年用水量情况下的预测总值亦是2016年的1.10倍。两个年份差异性较小。

4.3.3严重受侵区氯值预测

结合建立的预测方程对受侵区2030年和2040年远景年的地下水位和氯值进行预测，结果见表10—11。

表8 2030年用水量情况下水位、氯值预测表

表9 2040年用水量情况下水位、氯值预测表

表10 2030年用水量情况下氯值预测表

表11 2040年用水量情况下氯值预测表

从总值上看，2030年用水量情况下的预测总值是2018年总值的1.166倍，2040年用水量情况下的预测总值亦是2018年的1.165倍。2030年与2040年也具有较高的一致性。

4.4 海水入侵空间预测结果

对降水保证率为95%的条件下2030年和2040年氯值空间分布进行预测，结果如图8所示。

图8 降水保证率为95%条件下2030年、2040年辽西渤海岸氯值空间分布结果

从空间分布可看出，两个年份海水入侵氯值空间分布较为一致，高值区域主要分布于东部和南部部分区域，北部海水入侵的氯值浓度相对较低，两个年份氯值空间分布总体从东向西，从南向北逐步减少。在海水氯值浓度为250mg/L入侵线之外，应加强海水入侵的水动力，确定合理的打井距离，确保水力梯度最小，在井群区研究井点空间布局。

5 海水入侵预防措施

5.1 建设引、取水工程与节水设备改造

从预测分析看到2030年，随着辽西沿渤海岸城市化进展的不断加快，区域将逐步发展成为中等城市，随着生活和工业用水的不断递增，区域水库可用来进行农业灌溉的水量将逐步减少，为提高工业和居民生活用水的利用率，需要进行农业供水替代措施的建设，将海岸居民主要用水水源进行相应转变。

以节水为中心，提高水资源的利用率，在现有水利工程基础上进行配套调水工程的改造，主要工程内容：灌区方面，灌溉渠道防渗衬砌128.5km，续建、扩建渠道31km，支渠以上建筑物续建、改建812座，骨干排水沟疏通整治710km，排支以上建筑物823座。居民饮水方面，对管道逐一排查，对老化的管道进行修复、更替。对新入户管道，要采取高标准严要求，保障水资源的利用率，减少输水工程中的浪费。

5.2 建立完善的地下水监测体系

对海水入侵区的水量、水质以及地下水位进行及时采集，通过完善的地下水监测体系，实现对研究区域内海水入侵状态的实时、动态监测，为辽西渤海岸的地下水资源管理、城乡规划管理建设、生态环境保护和海岸带资源开发提供全面、及时、准确的基础数据和技术支撑。

5.3 生态平衡保持

地下水与植被之间有着复杂的关系，涉及地下水、土壤、植被之间的动态平衡。地下水位下降造成土壤沙化、盐碱化，导致植被死亡，降低植被覆盖面积，致使植被净化空气的能力日益消弱。植被面积减少，继而降低水汽蒸腾量，减少降雨和植被劣化，地下水资源量进一步降低，造成一个植被与地下水之间的恶性循环。解决这一难题需：①加强植被保护，降低植被开采量。根据国家规定，进一步加强森林保护，贯彻封山育林的原则，提高森林植被面积。同时开发节能新技术，寻求其他材料代替对木制品的使用。②增加植被面积，防止土壤沙化。为防止水土流失，地下水位下降。在植被保护的同时应进一步栽植优良树苗，提高植被面积，使土壤储水能力提高，保持充足的水分，提高地下水水位。

5.4 控制拦海养殖规模，寻找科学养殖新技术

一方面，研究区内拦海养殖普遍存在，超过50%以上海岸处于长期纳潮状态，且退潮之后高于海平面5～8m。人为提高了海平面高度，促进咸淡水过渡带向内陆地区移动。另一方面，拦海养殖业占研究区GDP50%以上，直接影响到当地人民的生产生活。对海岸地区经济发展产生深远的影响。因此，寻求环保的、可行的养殖新技术迫在眉睫。从而替代以牺牲环境为代价的养殖技术。

5.5 建立近岸海底含水层抽取咸水工程

参考莱州市近岸海底含水层抽取咸水工程，结合辽西渤海岸实际情况做出符合研究区的地下咸水开采工程。随着开采井的抽水，很快在井周围形成了漏斗，并袭夺了原来地下水向海排泄的水量，造成区域流场的急剧变化。水位的差异，可以造成咸水的快速回退，从而起到了治理海水入侵的作用。另一方面，可以为需要抽取地下咸水的海产品加工企业提供咸水资源，并改变现有的远海岸抽取地下咸水的现象，防止海水进一步向内陆入侵。

6 结论与建议

(1)利用回归模型预测降雨量95%保证率下2020年的用水水平的情况下的海水入侵情况和2030年的用水水平的情况下的海水入侵情况，按氯离子平均值统计，2020年用水量水平条件下是2018年1.13倍，2030年用水量水平条件下是2018年加重1.136倍，两个预测年差别不大。且整体格局不变，入侵严重区仍然是河口。

(2)监测频率要兼顾丰枯水季，并建立降雨、地下水位、氯元素值的相关关系；同时积累系列年际资料，把握海水入侵的时间滞后性。

(3)在以后研究中，还需重点研究海水入侵的水动力，在海水250mg/L入侵线之外，确定合理的打井距离，确保水力梯度最小，在井群区研究井点空间布局。