论地下水中的海水入侵

论地下水中的海水入侵

一、我国海咸水入侵概况沿海地区人口稠密，工农业生产相对发达，但淡水资源相对有限。因此，水资源的合理使用和管理具有特殊的重要性。六十年代,我国只在极个别的地区如大连有海水直接入侵淡水含水层的情况。七十年代以来随着地下水开采量的增加,各地陆续出现零星的海水入侵。八十年代入侵范围逐渐扩大,情况日益严重。其中较严重的地区有大连、秦皇岛、莱州、龙口、福山。与此相似的另一种情况是陆地上在地质历史上形成的海相沉积物中的咸水越过原来的咸淡水界面位置入侵淡水含水层。为了与前者区别,人们习惯地称谓‘咸水入侵’。海水、咸水入侵给当地工农业生产和人民生活带来严重危害,研究海(咸)水入侵在我国已是一项刻不容缓的事情。本文拟以‘七五’期间我们在莱州湾沿岸的工作为基础”,参考其他地区资料就有关海水入侵问题谈一些不成熟看法。二、hl---地下水中cl-的含量分布理想条件下在淡水和咸水间存在着一个明显的分界面,它们之间维持着一种平衡。如果淡水抽水量超过了它的补给量,使海岸带附近地下水水头下降到出现淡水体的水头低于附近海水楔形体的水头时,界面就要向陆地推进,直至形成新的平衡。这就是海水入侵。海水入侵导致水质恶化,最明显的变化是水中Cl-含量的增高。所以一般以水中Cl-含量作为衡量海水入侵的标志。各地天然地下水中Cl-的背景值差异甚大。如龙口市黄水河口左岸、黄山馆等地为60—80mg/l,所以黄水河左岸地下水中C1-含量>80mg/l的地段已可明白无误地判明当地地下水已为海水污染。但在人口稠密区,特别是居民点附近,由于长期受到生活废水和动植物排泄物的污染,地下水中Cl-的含量达120—200mg/1。由此不难看出背景值的影响,不同地区背景值不同,判别的标准也不同。作为区域调查,不仅需要制定统一的标准便于工作,又要考虑到广大地区内情况的多样性和确定海水入侵范围的可靠性。这次在莱州湾沿岸工作时,以地下水中Cl-含量200mg/l作为判别海水入侵的统一标志。据现有资料,我国海水入侵有下列特点:1.沿海岸带面状入侵海水入侵最初只在个别点上发生,范围很小。这些点是孤立的,不连续的,如即墨、牟平、海阳、蓬莱等县的海水入侵就属于这种情况,1990年入侵面积分别为1.8、2.0、2.0和5.4km2。若地下水开系量继续增长,远超过它可能得到的补给量,则海水入侵持续增长。点与点连起来,逐渐由点到面,最终发展为沿海岸带连续的面状入侵。如莱州市1976年出现零星的海水入侵,至1979年发展至15.8km2,1982年增至39.2km2,1984年为71.1km2。至八十年代中期连续成片,波及整个沿海地区,1987年已达196.2km2。2.地下水开采量和补给量建设以莱州市为例,除个别年份外,七十、八十年代的入侵速度不仅快,而且逐年加快。七十年代后期年平均增长4km2,八十年代早期年平均增长11.1km2,中期后达每年31km2。进入九十年代随着降水量的增加,才明显减缓。入侵速度主要取决于地下水开采量和补给量。大连市1977年至1981年年均增加海水入侵面积18.9km2,1982年后随着抽水量的减少,增长趋势才得到控制,呈波状变化,以降为主。3.各地海水入侵情况对比由于受多种因素控制(地质地貌条件、地下水开采量、开采状况、降水量等),各地海水入侵情况差别很大,同一地区不同历史阶段也有明显差别。目前这方面的资料还不多,有关规律还有待进一步深入探讨。4.过渡带宽度对于cl-浓度的影响未发现如教科书描述的突变界面或明显分界面的情况,淡水区和咸水区间有一个宽广的过渡带(混合带)。龙口市过渡带宽1.5-2.5km,最大宽度3.5km,Cl-浓度由3-4g/1(个别达8.7g/l)逐渐减少至200mg/l左右。莱州市过渡带宽2-4km,在有泻湖相沉积物分布区情况比较复杂,宽度超过5km。大连市一些地区过渡带的宽度超过7km。过渡带的宽度取决于其中的成水流、含水层渗透系数,弥散系数以及淡水流。含水层补给量,抽水量的变化、潮汐以及抽水井的位置等外部因素也对过渡带的宽度有重要影响。三、海水入侵区湿地、地下水据现有资料有下列特点:1.海水入侵区和地下水水位大幅度下降区在分布上相互关联。八十年代龙口、莱州两市用水量快速增长,降水量又较常年偏少,大量抽取地下水造成地下水位大幅度下降,出现大面积地下水位低于海平面的‘负值区’。海水入侵即顺此发展,但它的扩展迟后于负值区的发展。1989年6月莱州市负值区面积262km2,最低水位-16.7m,同一时期海水入侵面积238.2km2。龙口市1989年6月负值区面积177.5km2,海水入侵面积83.7km2。2.海水入侵的具体分布与强抽水中心有关,哪儿有海水入侵,那儿必有强抽水中心和它所形成的降落漏斗存在,海水入侵带的宽度与强抽水中心距海岸带的距离有关。一般情况下在距强抽水中心不远的向大陆一侧形成咸、淡水锋面,海水入侵即到此为止基本稳定下来。如强抽水中心向陆地方向移动,则海水入侵又将断续向前推进,直至形成新的平衡。龙口造纸厂水源地海水入侵最为典型。建厂前后这儿水质良好,第一个水源地抽水数年后为海水污染,被迫放弃。1985年在其东南方850m处另打二井作为水源地。强抽水影响下,咸水迅速向新水源地推进,不久水质被污染,井水Cl-含量分别高达1669.6mg/l和524.7mg/l,而在2号井南30m处水中Cl-含量却只有62.7-84.0nig/l。咸淡水界面清晰,而且在这个位置上暂时稳定下来(图4)。当1988年秋又在2号井南220m处打了口3号井、原先稳定的界面受到破坏,咸水南移,3号井附近的地下水逐渐被污染。3.海岸带泻湖相和海相泥质沉积物的存在对地下水中Cl-的富集起了促进作用。莱州刁龙嘴、三山岛一带和龙口镇东北部有泻湖相沉积物发育,这些沉积物内残留的全新世海浸形成的矿化度高的水将对海水入侵区地下水中Cl-的富集起催进作用,并影响高浓度Cl-分布区的分布。龙口镇Cl-高浓度分布区与降落漏斗轴线不一致,莱州刁龙嘴一带地下水中Cl-含量>200mg/l的带分布很宽,均与此有关。4.海水入侵区的一些海岸砂质沉积物中有局部的上层滞水型淡水体存在。淡水体或大或小,悬浮于咸水体之上。有的只在雨季存在,早季消失。有的始终存在,可以作为小型供水水源,如三山岛东南方的沙丘地。四、典型类型及含量分析咸淡水间虽有宽广的过渡带,据现有三维监测网资料,至少有下列二种类型的界面:1.界面清晰、陡峻,界面附近Cl-浓度、矿化度变化相对较快,可以龙口市黄河营剖面为代表,在30mCl-浓度由524.7mg/l降至62.84mg/l(图1)。2.界面平缓不够清晰,界面附近Cl-浓度,矿化度变化缓慢,甚至有起伏,可以莱州朱旺剖面为代表(图2)。这两种类型的出现和抽水量、抽水井的分布有关。前者出现于抽水量大,流量相对稳定,抽水井集中的地段。陆地淡水径流较强可能也是一个不容忽视的因素。后者出现在抽水井分散,单井流量相对较小而不稳定的地段。工业用水集中区可能出现第一种情况或接近于第一种情况。农业用水区水井分散,抽水是季节性和不定期的,可能出现第二种复杂的渐变关系。截至1990年夏龙口、莱州两监测网二年半的动态观测资料表明:只要抽水量、降水量变化不大,在抽水中心向大陆一侧不增加抽水井,则界面位置基本保持不变,过渡带内地下水中Cl-含量也大体稳定,变化不明显。如抽水量较大幅度的增大,则会导致咸水体向陆地推进,Cl-浓度迅速增大(图3)。如强抽水中心向陆地方向移动,则海水入侵将继续向前推进,界面也随之向陆地一侧移动,直至形成新的平衡。即使强抽水中心位置不动,在其向大陆一侧增加少量抽水井,少量的抽水量虽然并没有改变强抽水中心本身的地位,但仍会引起咸淡水界面的继续向陆地推进,只是移动速度缓慢,远低于强抽水中心移动后的情况而已(图4)。五、地质因素对海水入侵的控制作用从现有资料分析,造成研究区海水入侵的主要原因是过量开采地下水。如果淡水的开采量超过了它的补给量,不仅截断了原先向海洋排泄的淡水流而且使海岸带附近的地下水位下降到出现淡水体水头低于附近成水楔形体的水头时,成水楔形体就要向陆地推进,直至形成新的平衡。这样海水入侵就出现了。龙口市一些未发生海水入侵的地点,就是因为那儿地下水没有过量开系,淡水体水头还高出附近成水体水头的缘故。前述海水入侵区和地下水位大幅度下降区在分布上的相互关联支持了上术论点。七十年代早期以前,莱州市降水量相对偏丰,地下水开采较少,海岸带附近淡水水头高于附近的咸水楔形体水头,不出现海水入侵。七十年代早期以来,随着农业的发展(全县小麦总产1949年4097×104kg,1965年7709×104kg,1975年14762×104kg,1978年17942×10kg),抽取地下水量迅速增加,特别是干旱年份,导致平衡破坏,出现海水入侵,1977年以后降水持续偏少(1977—1989年年平均降水量仅425mm,较正常年份减少33%),地下水开采量增大,海水入侵范围、入侵速度逐年加快,平均每年增加4km2。1981—1984年年均降水量344mm,比正常年份减少47.8%,河道断流。为保农业增产以及工业的发展,在地下水补给量减少的条件下,反而加速大量开采地下水、严重超采,必然导致全市(县)地下水位大幅度下降,出现大面积的地下水位低于海平面的负值区,引起海水入侵面积的迅速增加,达年均增加11.1km2。1986—1989年降水量持续偏少,地下水得不到充分补给而工农业抽取地下水量继续无节制的增长,导致负值区进一步扩大,海水入侵以每年31km2的速率增长。大连市在控制地下水开采量后,地下水水位得到适当恢复,海水入侵得到控制甚至减少的事实,从另一侧面证实过量开采地下水是造成海水入侵的主要原因,降水量减少使地下水补给减少则为海水入侵提供了合适的外部环境。地质因素对海水入侵的方式、途径、地点起着一定的控制作用。如前述,第四纪沉积物组成的泥质、砂质海岸,坚硬岩石组成的海岸具有不同的入侵方式。此外,含水层的非均质性往往起着重要的作用。低渗透性的海底沉积物,相变会严重妨害海水和含水层特别是承压含水层间的联系。龙口、莱州地区海岸线附近超覆于冲洪积物和泻湖相沉积物上的海相沉积物是透水性良好的细砂、粗砂和细砾,海洋表层沉积物是粗砂、细砂和粉砂,海底全新世海相沉积也以粉砂、细砂、中粗砂为主,所以海水和海岸带含水层间水力联系良好,给这个地区发生大面积的海水入侵提供了有利条件。河口附近海底表层沉积物比较粗,呈舌状向外延伸,在陆上还有古河道,组成物质粗,在相同条件下往往是海水入侵最可能的途径,中村河左岸的海水入侵就与此相关。高潮位引起的海潮浸溢,滨海低地被海水淹没,会造成剖面上地下水中含盐量倒转的情况,在一定范围内咸水覆盖在淡水体上面。龙口市河李家一带地下水中Cl-偏高,估计即与此有关。在一些风暴潮频繁发生的地区,解放后修建的防潮堤有效地保护了农田免遭海水淹没。未修防潮堤的地段就龙口、莱州、抬远来说,七十年代中期以来也未发生大规模海潮漫溢。所以对研究区七十年代后期迅速发展的海水入侵来说,海潮漫溢的影响是不大的。海潮沿河道上溯的影响也是有限的。六、海水入侵、咸淡水界面运移的数学模型鉴平过渡带很宽的事实,计算中无法采用国际上普遍采用、有近百年研究历史、研究又比较成熟的突变界面假设,必须采用尚在探索中,实例应用极罕见的考虑过渡带的方案。根据我国过渡带很宽的情况,一个合理的海水人侵模型必须考虑下列因素:1.过渡带的存在,密度不断变化对液体流动的影响。海水和淡水是可混溶液体,由于水动力弥散作用它们间有一个密度逐渐从淡水密度变为海水密度的过渡带。溶液浓度的不断变化,导致液体密度不断改变,由此必然会影响水头的变化。因此,必须对传统的水流方程加以改变,以适应上述情况反映密度不断改变的液体的流动。2.潜水面(浸润面)变动对海水入侵过程的影响。3.降水入渗对溶质运移的影响。4.咸淡水界面附近大流量抽水井的存在,从而破坏了Dupuit假设成立的条件。5.其他因素如介质的非均质性和各向异性,复杂的边界形状等。我们建立了考虑上述各项因素的我国第一个三维海水入侵、咸淡水界面运移数学模型。在该模型中对传统的常规水流方程加以改造,在方程中加进下列两个与浓度有关的项,以考虑浓度(密度)对液体流动的影响:1.表达垂向上由于各处密度不同,在重力作用下所引起的自由对流;2.表示浓度随时间变化,即密度随时间变化所引起的液体质量变化。当密度为常数,处处相等为均质液体时这两项均为零,方程退化为一般的水流方程。把上述模型应用于我们在山东龙口市建立的国内第一个、国际上也不多见的三维监测网的长期观测资料时,模型再现了1989年7月至1990年6月海水入侵的全过程。拟合阶段各时段各观测孔模拟结果绝对误差总平均为46.13mg/l,相对误差均值8.65%。检验阶段绝对误差均值为55.67mg/l,相对误差8.31%。咸、淡水界面清晰可见,与实际资料吻合。计算结果充分显示了浓度变化项在液体运动中的重要意义。从另一个侧面说明在这儿如仍采用常规水流方程,不考虑浓度变化对水流的影响,把海水入侵问题当作示踪剂在含水层中运移,即地下水污染问题来研究显然是很不充分的。三维观测网的观测资料证实