天津市海水入侵调查研究

张琪，王彬，李希彬，王鲁宁，姜旭娟

（1.国家海洋局天津海洋环境监测中心站，天津 300457；2.天津市海洋环境监测预报中心，天津 300457）

海水入侵是由于自然或人为原因，海滨地区地下水水动力条件发生变化，使含水层中的淡水与海水之间的平衡状态遭到破坏，导致海水或与海水有水力联系的高矿化地下咸水沿含水层向陆地方向扩侵的现象。在全球气候变化背景下，海平面持续上升使得滨海地区咸淡水过渡区域的海水压力增强，加剧了海水入侵程度，造成地下淡水资源减少，影响工农业生产和生活用水。

海水入侵是沿海地区的一种重大地质灾害，可以使陆地含水层咸化、机井报废、淡水供应量减少，也可引发沿海地区土地盐渍化、农业减产甚至绝收等问题。我国海水入侵的主要致灾原因可分为自然因素和人为因素两个方面。自然因素主要包括海平面上升和降水，降水较多时可以减缓海水入侵，相反在干旱年份，会加速海水入侵。人为因素主要指过量抽取地下水，使沿海地区地下水水位下降、水量减少，以及拦蓄截取地表水等行为使入海量减少，同时地表水补给地下水量减少，地下水位下降[1-4]。2020 年，渤海和黄海沿海地区海水入侵依然较为严重，重度海水入侵主要分布在辽宁、河北和江苏沿海局部地区。

不同地区海水入侵的程度不同，环渤海地区是我国海水入侵危害最严重的区域，给沿海地区带来了严重危害，造成了巨大经济损失，严重阻碍经济社会的持续发展。近年来我国地下水监测网络逐步完善，利用沿海地下水监测数据进行海水入侵试点评估并取得了阶段性成果。评估结果显示，天津市浅层地下水氯离子含量总体呈“北低南高”分布，东部沿海和南部局部地区氯离子含量超过1 000 mg/L；海水入侵高风险区主要分布在东部沿海的滨海新区等区域[5]。本文以天津市为研究对象，以2018－2022 年天津市海水入侵监测数据为基础，对相关监测结果进行梳理和分析，了解天津市海水入侵现状，结合海水入侵的危害及其成因，给出了应对海水入侵的相关防治措施。

1 水文地质条件

1.1 地质状况

天津市地貌类型由北向南依次为北部山区、山前冲洪积平原、南部冲积平原、冲海积平原和滨海海积平原。根据第四系分布和发育的差异以及控制因素等特征，通常以宝坻断裂为界，将天津地区的第四系地层分为南北两区，分别称为北部平原区和南部平原区。天津市水文地质条件较复杂,从北向南依次分布全淡区、微咸水-淡水区、淡水-咸水-淡水区和咸水-淡水区。咸水底界埋深从北向南逐渐增加，咸水层逐渐增厚。地下水分为第四系松散岩类孔隙水、第三系裂隙孔隙水和碳酸盐岩岩溶裂隙水三种类型[6]。第四系孔隙水分布广、厚度大，在水平和垂向上岩相变化较大。除了原始水文地质条件外，当前在天津沿海地区，随着围填海、沙滩浴场开发及港口建造等工程的逐渐推进，海岸带地下水开始面临新的问题与挑战，特别是围填海叠加了新的地下水系统，可能导致区域水文地质条件发生改变，为该地区的地下水质量增加了不确定性。

1.2 水文气象特征

天津地区处于华北北部，北依燕山，东临渤海，属于亚热带季风气候。天津市域南北相距100 多公里，降水量地域差异很大。受季风的影响，天津降水主要集中在夏季，占全年降水量的70%以上。天津市降水量呈阶段性波动，年代际变化明显，20 世纪60 年代多雨年和少雨年交替出现，70 年代降水增多，80 年代后期处于多雨阶段，进入20 世纪90 年代以来，特别是1997 年以后天津进入了少雨阶段[7]。李锐等[8]基于1961－2018 年降水与气温数据指出天津市海岸带地区全年降水量呈显著下降趋势，气候总体向“暖干化”发展。王敏等[9]利用降水数据对1901－2016 年天津地区年降水量进行分析发现，天津市年平均降水量表现出“南强北弱，东强西弱”的特征，其北部的时间变化趋势为负，南部的变化趋势为正。

本文结合天津市降水特征，根据《天津统计年鉴》分析了2008－2021年的天津市降水量变化（图1），2008－2021年天津市降水量平均值约为581 mm。

图1 2008－2021年天津市逐年降水量

2 监测方法

2.1 断面选取

2018 年进行了海水入侵监测点位建设工作，在天津市北部设置了一个监测断面，分析和评估天津市海水入侵强度、范围和危害，逐年监测可以保证数据连续性和完整性，促进区域的可持续性发展。

2.2 水样采集和分析方法

在监测井采取水质样品时，每次在水面下2 m处取样，样品采集量为1 L；水质样品瓶事先清洗3 遍，取样后立即把样品瓶密封，并贴上标签，将取样点位置、取样时间和水样编号现场登记在取样本上，同时还记录取样时的环境条件，如抽水或降雨等。地下水分析项目包括氯离子浓度、矿化度等；氯离子浓度、矿化度测定按照国家标准《水质氯化物的测定硝酸银滴定法》（GB 11896-89）和《矿化度的测定 重量法》（SL 79-1994）相关要求执行。

2.3 评价标准

海水入侵现状评价是根据《海水入侵监测与评价技术规程（试行）》的要求，按照区域地下水氯离子浓度确定海水入侵的距离、范围和程度，海水入侵程度等级划分标准见表1。

表1 海水入侵的入侵程度等级划分

3 结果分析

3.1 结果

2018－2022 年在天津北部进行了一个断面的监测，共5 个监测站位。监测断面垂直于海岸线方向布设，涵盖了海水入侵区、过渡带、无海水入侵区，并且保证在监测期间至少有1 个监测站位在无海水入侵区内，站位分布情况见图2。其中，在2018－2022 年的枯水期都进行了采样，而丰水期仅在2020－2022年进行了采样。

图2 海水入侵监测站位分布

监测结果表明，各站位之间氯离子浓度范围约为220~13 000 mg/L，矿化度范围约为1 600~35 000 mg/L，由于枯水期和丰水期的变化相似，这里仅给出了枯水期的变化情况（图3、图4）。可以看到无论丰水期还是枯水期，2018－2022 年各站位的氯离子浓度和矿化度逐年变化幅度均不大，由于Z04 站靠近渤海，氯离子和矿化度浓度最大，海水入侵程度总体呈现由沿海向内陆逐渐降低的趋势。

图3 2018－2022年枯水期各监测井氯离子浓度

图4 2018－2022年枯水期各监测井矿化度

通过氯离子浓度和矿化度的分析，除2021 年枯水期Q7 站位出现入侵外，其他年份Q7 站位均无入侵，水质为淡水。Z04、Z01 站位为严重入侵，地下水水质为咸水；Z02、Z03 站位为入侵，水质为微咸水。

采用距离插值法计算得到各年海水入侵距离，各年海水入侵距离在75～77 km（图5）范围内，同时枯水期海水入侵距离略大于丰水期。2021 年海水入侵距离最大。结合降水量特征分布可知，2021 年降水量较大，降水较多时可以减缓海水入侵，因此2021 年较大的海水入侵距离可能是受其他因素影响。

图5 2018－2022年枯水期海水入侵距离

3.2 讨论

由于天津地区自晚更新世以来经历了4 次规模不等的海水入侵过程，造成天津地区地下含水层中赋存着大量的古海水[10]。虽然古海水与现代海水时代不同，但是水化学特征存在一致性，一般具有矿化度高、氯离子含量高等特征[11]。下一步在海水入侵业务化工作中，可以尝试地下水示踪方法对二者加以区分。

4 海水入侵防治措施

根据前人关于海水入侵的研究，结合天津市沿海地区的特点以及海水入侵区的影响因素，提出以下几条海水入侵防治措施。

（1）合理开采地下水。严格控制天津沿海地区地下水开采量，合理开发利用地下水。首先要调整开采时间和间隔，丰水季节可稍增加开采地下水，枯水季节减少开采，使地下水资源有机会得到恢复；同时严格限制开采井数量，开采时合理布置井位位置，制定保护规划。

（2）严格水量水位双控。合理确定海水入侵威胁区的地下水开采量并控制水位阈值，在沿海地区加快推行地下水开采量与水位“双控”管理。在海水入侵严重和发展较快地区实行地下水开采分区分级管控，防止地下水水位负值区持续扩展。调整地下水开采时间，优化开采井分散布局，避免集中高强度开采，增强地下水系统自然修复能力[12]。

（3）实行分质供水。合理安排使用地下水，地下水要优先用于生活饮用水，尽量将地表水和经过处理的污水废水用于农业用水和生态用水，这在一定程度上可以缓解地下水的供需矛盾。

（4）加强地下水的动态监测。完善现有的海水入侵监测方法，建立地下水监测系统，对地下水水位、水质、开采量、人工回灌进行监测，根据海水入侵的机制和规律，预测入侵速度和范围，为有效防治海水入侵提供科学依据。

（5）地表防潮堤闸维护。沿海风暴潮往往导致潮水沿河上溯倒灌，加剧近海陆地海水入侵。海平面的上升使咸淡水之间原有的水动力平衡遭到一定程度的破坏，咸淡水界面向内陆方向移动，加重了沿海地区的海水入侵问题。

滨海新区地下分布着巨厚松散沉积层，同时受地下水、地热开采和工程建设等因素的影响，属于天津市地面沉降易发区。天津市滨海新区海拔高度低，地面沉降导致海平面相对上升，使得受风暴潮侵袭的频次和受灾程度增加，使沿海地区部分陆地被淹没，海水长时间在陆地滞留，为海水入侵创造了有利条件。目前多年沉降导致防潮堤部分区段已经低于设防标准，防潮能力降低。在滨海河口、海岸等地带修建河口闸、维护原船闸设施可在一定程度上防治海水入侵。