大连典型海水入侵区地下水供水适宜性及合理利用对策

李 闯，倪 金，宋庆春，马宏伟，吴铭杰，王福刚

（1.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，长春130021；2.中国地质调查局沈阳地质调查中心，沈阳110034；3.辽宁水文地质工程地质勘察院有限公司，辽宁大连116037）

0 引 言

大魏家水源地作为大型近海地下水水源地，在大连市供水历史上曾发挥过重要作用。20 世纪60年代以来，该地区大规模地下水开采引发了严重的海水入侵问题，因此大魏家水源地于2001年停止开采[1]。自水源地开采引发海水入侵至今，已经有50多年之久。

该区海水入侵问题引起了相关单位的高度重视，1991-1994年大连市水务局[2]通过普查资料和野外监测等明确了大魏家地区海水入侵的范围并初步分析了海水入侵的机理，后期辽宁水文地质工程地质勘察院[3]对该区30余年海水入侵的变化和趋势进行了全面分析和介绍。2006年辽宁省地质矿产调查院[4]结合地下水位动态、地下水Cl-含量特征，分析了该区海水入侵水平和垂直方向的状况。此外许多学者也对大魏家地区海水入侵问题展开了深入研究。武强等[5,6]对大魏家地区的海水入侵特征、机理和对策展开研究，通过对大魏家20年的地下水位、氯离子动态资料分析，认为导致该地区海水入侵的主因是地下水位的持续下降，同时发现该区地下水系统含水介质渗透能力的差异和与海水水力连通程度，控制着海水入侵的发生模式。宋庆春等[1]对大魏家地区地质构造特征、岩溶发育规律和地下水动力条件等方面进行分析，得出该区域海水入侵受地质构造、岩溶发育和地下水过度开采等多种作用影响的结论。韩冬梅和杨吉龙等[7,8]通过分析大魏家地区地下水动力条件、水化学和同位素特征，提出了该区的水文地质概念模型，对海水入侵过程中的水岩作用进行了定量分析，并判别了海水入侵的程度。赵长荣等[9]通过大量的水文地质调查和水样测试，分析了该区的水动力条件，并利用反向水文地球化学模拟揭示了研究区微咸水和咸水不是地下淡水与海水简单混合而成，其中伴随着方解石、蒙脱石和石膏的溶解作用、伊利石的沉淀作用以及Ca-Na离子交换作用。

综上所述，关于大连典型海水入侵影响区大魏家地区海水入侵进行了较多研究，对海水入侵的范围、程度和机理进行了不同角度的探究。但由于地下水水质受多种因素影响，具有时变性特征，并且近年实地调查发现，在大魏家水源地停采后，研究区内仍有部分村屯将当地地下水作为生活饮用水水源。另外，地下水是研究区目前主要经济作物—大樱桃的唯一灌溉水来源。因此，查清当前地下水在开采-自然双重因素影响下的海水入侵变化情势，明确当前地下水质量空间分布特征和水质变化主要控制因素，提出针对性的对策建议，对于研究区地下水合理开发利用具有重要意义。

1 研究区概述

研究区大魏家地区位于大连市金州区西北部，距金州10 km，濒临渤海，总面积约为150 km2，多年的平均降水量约为662 mm。目前，全区将地下水作为农业灌溉用水水源，距离5 km以外的内陆区域同时将地下水作为生活供水水源。

研究区内出露的地层主要有太古界变质杂岩、元古界震旦系沉积岩地层、古生界寒武系、奥陶系和石炭系沉积岩地层和第四系松散沉积物组成的地层（图1）。太古界地层分布于研究区东部，岩性主要为片麻岩，裂隙发育差，富水性差；震旦系地层分布于研究区中东部，主要为页岩、石英砂岩、灰岩，因岩性差异导致其富水性差异较大；寒武系、奥陶系、石炭系地层广泛分布于研究区中部及沿海一带，主要为灰岩、白云岩、砂岩等，是地下水主要富水层位；第四系地层呈条带状、舌状分布于大魏家一带和和北部近海区域，厚度30～60 m，岩性为砂质粘土、粘质砂土、砂砾石等[10]。

由于研究区碳酸盐岩广泛分布、断裂和裂隙交错纵横，使得区内岩溶十分发育。根据地层的空间展布（图2 和图3）可知，当内地地下水降落漏斗扩展到海岸带时，海水会通过第四系发生面状入侵，或者沿断裂、裂隙、岩溶管道通过碳酸盐岩地层向内陆入侵[6]。

2 研究区海水入侵历史演化过程分析

前期研究已经证实了当地海水入侵现象是由于地下水的大规模开采引起的，因此对海水入侵动态过程的分析需结合地下水的开采情况进行。1968-2001年，由于大魏家水源地的存在，研究区地下水开采主要为大连市供水，2001年至今其地下水开采主要为满足当地生产生活需要。在这50 余年中，研究区地下水开采特征可分为无限制开采期、季节性开采期、因干旱加大开采期和控制开采期共4 种类型[1]。为查清当地地下水不同开采量对海水入侵的影响，现将大魏家镇附近区域1991-2012年海水入侵面积、距离和1966-2010年地下水Cl-含量历史数据[1,7-9]进行整理，同时结合2018年和2019年两期研究区海水入侵调查数据（监测点位置见图4）绘制海水入侵范围和地下水Cl-含量历史趋势图（图5）。

如图5 所示，1968-1983年，由于地下水无限制开采，研究区地下水Cl-含量明显增大，最大可达1 158 mg/L；1983-1991年，地下水开采方式改为季节性开采，研究区地下水中Cl-含量迅速减小。从Cl-含量的变化可以推断1968-1991年研究区海水入侵面积和距离整体处于先增大后减小的趋势。1991-1994年因干旱加大地下水开采量，研究区海水入侵面积、距离和地下水中Cl-含量均增大；1994-1998年因研究区开始控制地下水开采，所以缓解了其海水入侵程度；1998-2004年再一次因干旱加大地下水量，之前已得到控制并出现下降的海水入侵面积和地下水Cl-含量都出现了大幅增长，最大入侵面积可达54 km2，最大入侵距离约4 km；2004年之后，随着地下水开采量的下降，海水入侵趋势再一次得到控制。所以研究区海水入侵面积、距离和地下水Cl-含量变化与地下水不同时期的开采行为相关性显著，在地下水开采量增大的阶段，研究区海水入侵程度加重。

为明确研究区海水入侵当前状态，2018年和2019年连续对研究区地下水进行了样品采集与测试（2018年采集地下水样品17 组，2019年采集样品35 组）。根据水样测试数据中Cl-含量，以Cl-含量大于300 mg/L 划分海水入侵区，绘制当前研究区海水入侵状态图（图6）。由图6可知，研究区目前海水入侵趋势被有效控制，仅近海区域存在入侵现象，最大入侵距离约3 km。

3 研究区地下水供水适宜性及水质演化主控要素分析

3.1 研究区地下水质量现状及供水适宜性分析

研究区大魏家集中供水水源地自2001年停止开采，不再作为大连市供水水源地[1]。据野外实际调查，目前区内地下水开采主要用于农田果园灌溉和部分村屯生活饮用等。为查明当前地下水质量的空间分布特征，基于最近一次（2019年）研究区地下水样品（采样点分布见图6）测试结果，针对性地进行研究区地下水用于生活饮用与农业灌溉的适宜性分析。

将研究区地下水样品测试结果与地下水质量标准（GB/T 14848-2017）中Ⅲ类水各离子限值比较，发现研究区近海区域地下水中Cl-含量、Na+含量和TDS均较高；内陆绝大部分区域地下水中NO3-含量超标。所以目前研究区地下水整体化学组分含量偏高，水质状况较差。

由于将测试结果直接与标准限值比较可能存在水质类别划定边界模糊和单种离子对整体水质影响程度不同的问题，为此本文将在内梅罗指数法、综合指数法、模糊综合评价法、集对分析法和人工神经网络方法等[11-15]众多地下水质量评价方法中选择模糊综合评价法对研究区地下水质进行评价来消除上述问题带来的影响。基于水质测试结果分析，同时考虑研究区受海水入侵、人类活动影响，选定Cl-、TDS、SO42-、NO3-、总硬度5个代表性指标作为评价因子。由于地下水质量标准（GB/T 14848-2017）中将Ⅲ类水限值（Cl-＜250 mg/L、TDS＜1 000 mg/L、SO42-＜250 mg/L、NO3-＜88 mg/L、总硬度＜450 mg/L）视为直接生活饮用的最低标准，所以以此为基准并按下列公式对5个评价因子赋予权重值[16,17]：

式中：Sj为Ⅲ类水中第j个评价因子的限定值；Cij为第i个水样的第j个评价因子的实测值；Wij为第i个水样的第j个评价因子的权重值。

该权重赋值方法可以将相同评价因子在不同成分水样中赋予不同的权重值，具有较强的客观性。如将点S01 水样中Cl-（396 mg/L）、TDS（953 mg/L）、SO42-（113 mg/L）、NO3-（14.2 mg/L）和总硬度（190 mg/L）与其对应限值作比得到Qj为1.584、0.953、0.452、0.161、0.422，根据式(2)计算权重值W11=0.443、W12=0.267、W13=0.127、W14=0.045、W15=0.118，即在点S01 水样中Cl-、TDS、SO42-、NO3-、总硬度的权重值分别为0.443、0.267、0.127、0.045、0.118。同理可计算其他34 组水样中不同评价因子的权重值。

根据模糊综合评价的结果，绘制研究区地下水生活饮用供水适宜性分区图（图7）。如图7所示，研究区绝大部分区域为地下水较不适宜饮用和不适宜饮用区。

研究区地下水是当地主要经济作物大樱桃的主要灌溉用水。考虑到用受海水入侵影响的地下水进行农业灌溉，会导致土壤盐分累计而使果树减产甚至死亡。基于2019年采集水样测试结果，进行研究区地下水用于农业灌溉的适宜性评价。在评价过程中，考虑作物对土壤累积盐分的耐受程度和水质对土壤渗透性的影响[18]，分别采用灌溉系数法和钠吸附比值法进行评价。评价结果（图8）显示，研究区近海区域（最远可达内陆4 km 处）地下水水质较差，多不太适用于农业灌溉；其他区域地下水均可用于农业灌溉。

3.2 研究区地下水质量演化主控要素分析

地下水质量演化主要受自然因素（气象、水文、含水层特征、水动力特征）和人为因素（污染、农业施肥、农药、开采地下水）的影响。根据研究区地下水用于生活饮用和农业灌溉的适宜性评价结果可知，研究区近海区域，地下水不适于生活饮用，用于农业灌溉存在引发土壤盐渍化的风险。该区域与研究区海水入侵区基本重合，说明该区域地下水质量较差的主要原因是受海水入侵影响。此外，通过生活饮用水供水适宜性评价结果可知，研究区远离海岸的内陆区域地下水虽然不受海水入侵影响，但仍不适于生活饮用。下面将对这种现象的原因及主控要素进行分析。

3.2.1 水质演化的自然要素分析

研究区整体地形东高西低，呈向西北倾斜的趋势。在图9中，AB 线和CD 线区域整体背斜成山，地势较高。结合图1和图2 可知，AB 线一带是一套倾角较陡的寒武系背斜构造的灰岩地层和震旦系阻水、弱透水的页岩、泥岩、砂岩地层；CD线一带是一套寒武系阻水页岩和透水灰岩地层，地层主体岩性虽然为灰岩，但从地质构造上看，该带状分布区域为一套东南-西北走向的背斜形成的正地形，山体面积较大，在降水补给为主要补给源的成因条件下，地形控水和地质构造控水共同控制地下水的流动。所以AB 线和CD 线均可视为地下水流动系统的边界。研究区东部为地形较高的太古界变质岩弱含水地层，可构成地下水流动系统的东部边界。基于上述分析，研究区地下水流动系统可划分为北部、中部、南部3个流动子系统（见图9）。

根据2019年野外地下水位测量数据，绘制研究区地下水位等值线（图9）。由3个流动子系统的地下水位分布，结合研究区碳酸盐的地层分布和构造裂隙发育特征，可得出研究区地下水的整体情势呈现由内陆向海的淡水排驱咸水的趋势。入侵影响区的地下水处于逐渐淡化的状态。杨吉龙等[8]发现在某些部位，含水层中形成的混合咸水并没有被明显排出含水层，这是由于裂隙岩溶空隙介质的非均质性影响，入侵的咸水被滞留于半封闭的非均质空隙空间中形成的结果。

在处于断裂带附近的东田村（图9 中S11）、小朱家（图9中S28）和老母架村（图9 中S29）实地地下水调查中获悉，当这些部位大量开采地下水时，相应部位地下水迅速变咸，结合这些部位的断裂分布和与海岸的距离分析，这些部位的深部地下岩溶层中存在着与海水沟通良好的优势通道，当内陆局部区域大量开采地下水时，地下水位的快速下降导致海水通过断裂、裂隙及岩溶管道等优势通道向内陆快速入侵。

另外，利用Piper 三线图分析地下水化学组成特点，采用舒卡列夫分类法对地下水化学类型进行划分。由Piper 图（图10）可以看出，海水水化学类型与地下水明显不同，表现为Cl-Na 型。地下水水化学类型表现出多样性，大部分为Cl-Ca或Ca/Mg 型，Cl-为主要阴离子，指示着其可能受到海水混合的影响。

将研究区地下水中Na+、Ca2+与Cl-进行当量比值计算结果如图11 所示，部分淡水的Na+/Cl-当量比值接近于1 或理论海水混合线，微咸水中Na+/Cl-当量比值小于1，其中S01、S13、S14、S16、S18、S19、S32、S34 点位明显偏离理论海水混合线[图11(a)]，表明地下水中可能发生阳离子交换作用[9]。海水入侵陆相沉积物时，Na+和Ca2+之间常发生交换作用，地下水中Na+被岩土中矿物所吸附，置换Ca2+进入含水层，导致含盐量增加的样品中Ca2+含量也增加[图11(b)]。以上分析说明海水入侵是造成研究区大部分地下水质较差的要素之一。

3.2.2 人为要素分析

图7 中内陆较不适宜和不适宜饮用区的地下水样品中，NO3-作为生活饮用水适宜性评价的重要参评因子，其对水质的适宜性结果影响程度显著。结合研究区地质条件和人类活动分析，地下水中的NO3-是由于农业活动（施肥）造成的。研究区遍布农田、果园，农业氮肥的大量施用，使得土壤中的氮素在灌溉和降水淋滤作用下，向下迁移进入下部含水层，造成地下水硝酸盐含量偏高。

另外，开采盐度较大的地下水灌溉内陆农田、果园，也会对内陆区域地下水水质造成一定影响。如位于老母架村（图7中S29）山坡上樱桃园，长期从近海区域采用罐车运输盐度较大(普遍大于1.7 g/l）的地下水进行灌溉，导致大樱桃树枯萎。因此，在内陆水质较差的区域，地下水水质演化的主控要素包括农业施肥活动和灌溉水盐度较大两个方面。

综上所述，目前研究区地下水质量总体处于淡水排驱咸水的过程，但在局部地段，地下水的大量开采用于农田灌溉，使得地下水位降幅较大，在存在优势通道的情况下，仍可能造成局部的海水入侵影响。远离海岸的内陆区域地下水水质主要受农业施肥和盐度较大的地下水灌溉影响。研究区地下水整体已不适宜用于生活饮用，但大部分地区用于农业灌溉还是有安全保障的。

4 地下水利用对策

根据现场调查，研究区近海区域村屯因地下水受海水入侵影响，已不再用于生活饮用，而在内陆的非海水入侵影响区，大部分村屯仍使用地下水作为生活饮用水。鉴于内陆地下水较不适宜和不适宜饮用区的地下水中NO3-含量超标，人体长期饮用具有较高的致癌风险，建议这些区域停止使用地下水作为生活饮用水源，同时要从源头控制污染，控制农药化肥用量，并且避免用盐度较大的地下水进行果园和农田灌溉。目前研究区地下含水层整体处于淡水驱替咸水的状态，有利于近海不适宜饮用区地下咸水转化为淡水，所以建议研究区保持或减小目前地下水开采量，防止海水再次入侵。

在农田灌溉方面，研究区目前基本将地下水作为农业灌溉唯一水源，考虑到研究区以农业生产为主，其中大樱桃更是主要经济作物，建议停止开采农业灌溉用水不太适宜的近海区域的地下水，以免造成灌溉区土壤盐渍化，影响作物产量。此外，在水质较差区域和存在地下优势流的局部地带，应监测地下水质的动态变化，根据水质变化，合理调整地下水开采量。

5 结 论

（1）分析了大魏家地区20世纪60年代以来50余年海水入侵历史动态变化过程，明确了当前地下水整体处于淡水驱排咸水的情势。结合近年地下水样品测试结果，分析并确定了当前海水入侵影响范围为海岸线3～4 km的近海区域。

（2）基于最近的水质分析数据，从供水适宜性角度评价了地下水作为生活饮用水和农业灌溉水的适宜性。结果显示，研究区近海区域地下水既不适用于生活饮用也不适用于农业灌溉；研究区内陆地下水适用于农业灌溉，但大部分不适用于生活饮用。

（3）结合地质条件、地下水流动系统特征、农业活动和地下水开采行为，分析了研究区不同区域地下水质量的控制因素。近海区域地下水主要受海水入侵咸化的影响；内陆区域，水质较差的地带主要受农业施肥和灌溉活动影响。

（4）结合当前研究区地下水利用现状，提出了不同区域地下水利用对策。对于近海的海水入侵影响区，要严格控制地下水开采活动；远离海岸的内陆非海水入侵区，要严格控制农业施肥和劣质地下水的灌溉对地下水的影响。建议停止将内陆饮用水不适宜区的地下水作为生活饮用水源，并监测地下水质的动态变化，为当地居民的人体健康提供保障。

致谢：本文基础地质资料主要由中国地质调查局沈阳地质调查中心和辽宁水文地质工程地质勘察院有限公司提供，在此表示感谢！