秦皇岛昌黎县海水入侵时空变化特征

连晨艳， 张耀文， 程国胜， 迟宝明， 赵 倩

(1. 防灾科技学院， 河北 三河 065201； 2. 北京中矿博能生态环境技术研究院有限公司， 北京 101300；3. 河海大学， 江苏 南京 211100)

0 引言

滨海地区海水入侵程度的空间分布研究有助于人们认识海水入侵的形成机理，是生产生活用水的重要参考依据[1-2]。在沿海地带，由于缺乏对地下水形成演化规律的正确认识，过量抽取地下水，破坏了滨海地带地下水的循环过程，从而造成区域地下水位下降，引发海水入侵灾害[3]。海水入侵作为一种地质灾害[4]，不仅会引起当地地下淡水资源被污染，还容易导致土壤盐渍化、海岸带生态环境退化、农业减产等一系列环境地质问题[5-7]。20世纪60年代初，秦皇岛沿海地区由于修建供水水源地，再加上特殊的地质环境，以及20世纪80年代以来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平面，咸淡水体平衡被打破，最终引发海水入侵[8]。

本文通过收集到的数据，对昌黎沿海地区海水入侵的演变趋势以及影响因素进行分析，以期为地下水资源的合理开发利用、预防和减缓沿海地区海水入侵提供依据[9-10]。

1 研究区概况

昌黎县位于河北省东北部，隶属于秦皇岛市，地处京津唐经济区、东北经济区、环渤海经济区三大经济区交汇处，北枕碣石，东临渤海，西南挟滦河，全县总面积1212km2[11]。境内水资源充足，水系丰富，主要有滦河、饮马河、七里海等3条主要水系组成； 地势平坦，海拔大约为0～50m，地貌以山丘和平原为主； 属于东部季风区，以暖温带半湿润大陆性季风气候为主[12]，多年平均降雨量496.5mm，年平均气温11℃。

昌黎县第四系沉积厚度相差悬殊，岩性以砂卵石、砂、黏质砂土及黏土为主，为山前冲洪积水文地质区。按地形、地貌及含水层特征可分为2个主要Ⅰ级水文地质区：山区、平原区(表 1)。研究区的范围主要是沿海平原区(图 1)，分布于滦河和饮马河沿岸，属于滦河东翼平原，总面积为1133.0km2，为第四系松散岩类孔隙水。第四系含水层由新到老可划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个含水组，分全淡水区和咸水区。全淡水区分布在滦河冲积扇东部和南部，浅层地下水主要赋存在第Ⅰ、Ⅱ含水组中，含水层以中粗砂、中细砂为主，间夹卵砾石层，厚度大约15～80m，富水性强，为低矿化度的重碳酸钙镁型水。第Ⅲ含水组为低矿化度的重碳酸钠型水，由西北向东南从滦河冲积扇到饮马河冲积带，其水量逐渐减少，为淡水层。在团林、大蒲河以东的滨海地带，为海陆交互沉积，受海水影响，形成了上淡-中咸-下淡的多层结构，其底板埋深由西向东、从北到南递增，位于30m到170m之间，局部受降水影响，有浅层淡水分布。第Ⅰ含水组为重碳酸钠型水，矿化度在1g/L左右； 第Ⅱ含水组为高矿化度的氯化钠型水，矿化度大于1￣￣g/L； 第Ⅲ含水组主要为中、细砂，厚60～80m，埋深大于80m，与上部微咸水之间有大于5m的黏土隔水层，为低矿化度的重碳酸钠型水，矿化度约0.3g/L，该承压淡水已成为沿海一带的主要开采层。详见昌黎县沿海平原区水文地质图(图 2)及水文地质剖面图(图 3)[13]。

表 1 昌黎县水资源分区及面积Tab.1 The zoning of water resources in Changli County and their areas

图 1 研究区位置及取样点分布图Fig.1 Location of the study area and distribution of sampling points

图 2 昌黎县沿海平原区水文地质图Fig.2 Hydrogeological map of the coastal plain area in Changli County

图 3 马坨店-大滩村水文地质剖面图Fig.3 Hydrogeological section of Matodian-Datan Village

2 样品的采集与分析

2.1 样品采集

2019年6月对研究区进行野外考察和水样采集，共采集水样18组，其中15组浅层地下水(井深<50m)，取自研究区居民的民用井以及机井； 2组地表水，取自东沙河和饮马河； 1组海水(图 1)。样品采集以及现场测试基本信息见表 2。

取样之前，抽取井水3～5min并排出，保证所取地下水样具有代表性，采样瓶选择使用后的500mL的聚乙烯矿泉水瓶，取样前先用去离子水清洗3次，再用待采水样润洗2～3次，取满水样并排出空气，使用封口膜进行密封，水样送达实验室后， 4℃冷藏保存至测试分析。

表 2 样品采集及现场测试基本信息表Tab.2 Basic information of sample collection and field test

2.2 样品分析

3 分析与讨论

3.1 海水入侵演化特征

依据国家海洋局发布的《海水入侵监测与评价技术规程》(HY/T0314-2021)[16]，海水入侵现状主要以地下水中氯度为指标进行划分，确定海水入侵等级(表 3)[17]，根据分级标准，将氯化物Cl-浓度>250mg/L作为划定海水入侵锋线的依据。利用ArcGIS软件绘制昌黎县沿海平原区演化特征规律图(图 4)。

表 3 海水入侵水化学观测指标与入侵程度等级划分表Tab.3 Hydrochemical observation index of groundwater and the degree grading classification of seawater intrusion

表 4 研究区地下水水化学组分统计表Tab.4 Statistic of hydrochemical components of groundwater in the study area

图 4 海水入侵演化特征规律图Fig.4 Evolution characteristics of seawater intrusion

20世纪80年代初期，受降水量减少、人工超采地下水等因素的影响，地下水资源库容量骤减，减弱了陆地淡水向海渗流，破坏了滨海平原区海淡水之间的天然平衡状态。随着地下水负值区的出现和扩大，海水入侵界面不断向内陆推进[18]。

近20年来，人们逐渐认识到海水入侵的严重性，并对其进行了有效的治理。可将其概化为两个阶段： ①急剧入侵： 2001—2010年海水入侵锋线向内陆延伸，团林乡-侯里村一带从无入侵区演化为入侵区，推断入侵方式也由点状和局部入侵逐步演化为面状入侵的严峻趋势； ②稳定减缓入侵： 2010后入侵锋线呈现减退趋势，推断入侵方式演变为点状、局部入侵。

3.2 地下水化学特征

对采集的水样进行数理统计(表 4)，选用Aqua Chem软件对其进行舒卡列夫分类，绘制出Piper三线图(图 5)。Piper三线图可以直观地展现同一含水层或含水体中的水质分布情况，揭示水体的水质规律及水力联系，为深入了解研究区的水文地质情况提供依据[19-20]。

图 5 研究区地下水Piper三线图Fig.5 Piper trigram of of groundwater in the study area

11月16日，志愿者在瑞士阿尔卑斯山的“少女峰”上，拼出由世界各地人们寄来的10万余张明信片，呼吁关注气候变暖。这次拼出的明信片，打破了世界上最大明信片的吉尼斯世界纪录。

3.3 地下水化学成分来源

Gibbs图通常用于评估水中溶解离子的来源，可以直观地定性分析水体形成时的控制因素，其控制因素分为大气降水、岩石风化溶滤、蒸发浓缩三类[21]。

图 6 研究区地下水Gibbs图Fig.6 Gibbs diagram of groundwater in the study area

3.4 海水入侵影响因素

3.4.1 自然因素

(1)气候因素

(2)地质与水文地质因素

地质与水文地质条件决定了海水入侵方式、类型和强度，是海(咸)水入侵发生的基础条件。而形成海水入侵，必须具备联系海水与地下淡水的通道：一是直接沿着与海水相接的第四纪含水层岩石孔隙通道进入； 二是感潮河段的侧渗； 三是沿地质构造带进入。而引起海水入侵的内因是含水层地下水水位的变化[22]。

昌黎县沿海平原区多为第四系松散孔隙水分布区，含水砂层厚度较大，渗透系数大，导水能力强，使咸淡水连通性较好，且地形平坦[23-24]。当人为超采地下水改变其天然流场时，形成低于海平面的地下水位负值区，海水就会沿孔隙含水层、河道向地下水径流或上溯浸染。

(3)地形地貌因素

地形地貌对海水入侵也有较大影响。昌黎县海岸线属于典型的砂质、泥砂质海岸，地形低平，地层透水性较强，地下水位标高较低且水力坡度小，地下水流场容易发生变化，也易受风暴潮袭击，是海水入侵的易发区。

3.4.2 人为因素

(1)地下水过量开采

地下水过量开采是引起海水入侵的主要人为因素。昌黎县降雨量、地表水资源较少，旅游产业吸引人口增多，造成地下水持续超采，使地下水位大幅度下降，出现大面积低于海平面的负值区。当地下水位负值区长期存在时，含水层中咸-淡水之间的水力平衡关系被破坏，海水向陆地淡水区入侵[23， 25]。

(2)发展海水养殖、扩建盐田、河道采砂和海岸带工程建设等

近十余年来秦皇岛等滨海平原区在村头地边修建大量养虾池，将海水引入内陆十几千米。扩建盐田，抽引海水或高浓度地下卤水晒盐等。这些生产活动加剧了局部地区的海水入侵； 在近海河道中大量采砂，致使河床标高低于潮水位，也助长海水上溯侵染； 沿岸和城市的工程建设，造成地下水补给条件改变、形成局部强抽水中心、破坏含水层结构等情况，加速了海水向内陆的渗透[26]。

4 结论

昌黎县沿海平原区是秦皇岛市研究海水入侵问题重点关注区域之一，该地区地下水开采严重，海水入侵问题严峻。通过检测采集的水样，选取一系列的理化参数，运用理化统计、Piper三线图以及Gibbs图等多方向分析研究区地下水水化学成分演化过程，追踪其离子来源，并探讨影响因素，对研究区海水入侵时空变化过程进行研究，得出以下结论：

(1)目前，昌黎县沿海平原区海水入侵的演化已呈现减缓趋势。

(3)造成昌黎县沿海地区海水入侵的原因主要是由于地下水的超量开采，为海水与淡水之间的联系提供了条件。加上滨海平原区岩性多为冲洪积砂砾石、砂砾卵石、砾卵石混土等，具有良好的海水入侵通道条件，且砂质海岸更易发生海水入侵。