世界上超过60%的人口居住在海岸带地区, 受海平面上升、降雨量减少等自然因素及不合理人类活动工程、超采地下水等人为因素影响, 海水入侵是个全球性普遍问题^[1-2]。特别是在干旱、半干旱气候条件下, 地下水为主要或唯一供水来源地区, 海水入侵尤为严重。海水入侵一旦发生就会使得地下水中矿化度不断升高, 最终引起地下水水质恶化, 淡水资源短缺, 导致海岸带生态系统衰退^[3-4]。

莱州湾南岸海水入侵程度和范围为我国环渤海地区最严重的区域, 海水入侵面积由20世纪90年代的435 km²快速扩张至2007年的2 500 km^2[5-6]。该区域海水入侵研究主要集中于通过地下水中水化学要素、离子比及饱和度等特征, 揭示研究区的海水与地下水相互作用规律, 识别海水入侵过程, 对海水入侵机制、水体盐化机理等方面进行了较为深入的分析与探讨^[7-11], 对于研究区海水入侵范围的连续监测及演化机制研究不多。苗青等^[12]对自1976年莱州湾出现海水入侵以来至2010年间入侵灾害演化过程进行了分析, 认为莱州湾沿岸地区海水入侵经历了初始、发展、恶化、缓解4个发展阶段。但随着近几年莱州湾南岸滨海经济快速发展, 海岸带开发利用方式发生明显变化, 人类活动干预导致该区域海水入侵形势存在不确定性。由于莱州湾区域地质条件特殊, 其南岸同时存在海水入侵和咸水入侵^[11], 本文主要对海(咸)水入侵范围变化进行探讨, 对入侵来源区分并非重点, 因此本文对两者不再区分, 统称为“海水入侵”。

基于此, 本文通过对近5年来莱州湾南岸地下水监测, 分析滨海经济快速发展形势下莱州湾南岸海水入侵的程度及范围, 研究其变化趋势, 探讨其主要影响因素, 为莱州湾地区海水入侵趋势预测及灾害控制等提供科学依据。

1 区域概况与研究方法 1.1 研究区概况

研究区位于莱州湾南岸、山东省潍坊市辖区内, 属于潍北平原的一部分。地势南高北低, 高程从南部的30 m降到北部滨海地区的1~2 m。潍河、虞河和胶莱河从研究区流入莱州湾。该区年均气温12.6℃, 多年平均降雨量(1971—2010年)660 mm, 多年平均蒸发量(1971—2010年)1 802 mm, 降雨量远低于蒸发量。

莱州湾南岸晚更新世以来第四纪沉积地层发育, 其南部主要为冲洪积平原, 发育形成了众多埋藏古河道; 北部主要为三期海相沉积^[13-15]。晚更新世发生的3次海侵和古气候冷暖交替导致了研究区地层中滞留海水蒸发、浓缩, 并沿古河道砂层下渗、聚集, 形成高浓度的地下卤水^[16-17]。这些高矿化度的地下卤水呈条带状东西向分布, 与海岸线基本平行^[18]。

1.2 材料与方法 1.2.1 站位布设

研究范围包括了潍坊寿光、寒亭、昌邑等莱州湾南部沿岸区域, 东西两侧以潍坊市行政界线为界, 沿岸线由海向陆延伸约50 km(图 1)。自西向东布设寿光、滨海、寒亭、昌邑柳疃、昌邑下营5个监测断面, 15个观测井, 断面方向为地下水流动方向, 尽量保证有观测井位于非海水入侵区, 以实现海水入侵界线的预测。

1.2.2 样品分析

2011—2015年, 每年4月份(枯水期)分别在所设站位的观测井采集潜水层地下水样品。通过实验室分析获取地下水样中Cl^–和TDS(可溶性固体总量)质量浓度, Cl^–和TDS质量浓度测定分别按照GB 11896-1989^[19]和SL 79-1994^[20]相关要求执行。

1.2.3 研究方法

地下水中Cl^–具有溶解度大、不易沉淀析出等特点, 是水体中最稳定的离子, 可以直接反映海水的侵染作用, 是判断海(咸)水入侵最直接、最敏感的指标, 也是最常用的指标^{[18, 20-21]}, 本文采用Cl^–质量浓度分布来表征海水入侵程度的空间分布。

对近5年研究区地下水Cl^–质量浓度变化进行分析, 结合GIS地统计分析模块中数据普通QQ图、半方差统计方法, 对比趋势面法、反距离加权法及克里金法等空间插值方法。比较发现:监测数据经对数转化后符合近似的正态分布, 采用普通克里金法插值效果较好。

因此, 结合surfer与ArcGIS 10.2的地统计模块, 对研究区Cl^–质量浓度进行对数转换, 采用普通克里金法插值计算, 确定研究区海水入侵界线(轻度入侵: m(Cl^–)≥0.25 g/L, 严重入侵: m(Cl^–) > 1 g/L。m(Cl^–)表示Cl^–的质量浓度), 分析其空间分布特征。采用ArcGIS 10.2软件量算功能计算海水入侵距离与面积, 结合历史资料分析莱州湾南岸海水入侵范围变化趋势及其成因。

2 结果与分析 2.1 Cl^–和TDS数据结果

对5个监测断面地下水样连续5年的测试结果进行统计性特征值分析(表 2)。统计结果显示, 2011—2015年Cl^–质量浓度介于0.013~73.3 g/L, TDS质量浓度介于0.51~145.6 g/L, 约有88%的站位和67%的站位地下水Cl^–质量浓度分别达海水入侵Ⅰ级和Ⅱ级标准(表 1), 反映了近5年来莱州湾南岸持续严重的海水入侵现象。一般把溶解性总固体(TDS)≥50 g/L的水称为卤水^[18], 研究区寿光、寒亭、昌邑柳疃监测断面离岸最近观测井中TDS质量浓度远大于50 g/L, 反映了研究区地下水中有卤水赋存。

根据历年各监测断面Cl^–、TDS质量浓度及离岸线距离对比图(图 3), Cl^–、TDS质量浓度普遍由海向陆快速减小, 反映了海水入侵方向为由海向陆。但是, 各监测断面Cl^–、TDS质量浓度与离岸线距离并非简单线性关系, 表明除了咸、淡水简单混合作用外, 地下水中化学要素对水文地质条件、地形地貌、水文气象及人类活动等外界环境的影响敏感。

2.2 海水入侵空间分布特征

根据观测井地下水样品中Cl^–质量浓度, 结合普通克里金法进行插值分析, 确定研究区未海水入侵区、轻度海水入侵区、严重海水入侵区(Cl^–质量浓度 < 0.25、0.25~1、> 1 g/L)(图 4)。研究区海水入侵呈现显著的空间结构特征, 表现为地下水中Cl^–质量浓度由陆向海方向增加明显, 向海依次出现未入侵区、轻度入侵和严重入侵区, 地下水类型呈现由淡水、微咸水、咸水直至卤水的变化规律, 呈明显带状分布。

莱州湾南岸海水入侵呈连续片状分布。结合苗青等^[12]对莱州湾地区1980—2010年海水入侵灾害演化数据, 发现除2012年研究区海水入侵范围异常增大外, 莱州湾南岸海水入侵灾害自1980年以来持续恶化, 入侵线基本呈向陆逐渐推进趋势, 至2015年入侵线距离岸线超过45 km, 较1980年向内陆推进11~30 km。

总体而言, 海水入侵线基本平行于岸线, 入侵面积呈增大趋势(图 5)。2012年、2014年、2015年入侵线在寒亭地区楔形推进, 局部区域海水入侵区超出研究范围, 反映了这3年该区域海水入侵程度尤其严重, 入侵线向陆推进明显, 应增加该区域监测站位, 以更准确监控其入侵程度及范围。

3 讨论

近5年来, 莱州湾南岸海水入侵范围广、面积大, 为渤海区、甚至全国范围内海水入侵中最为严重区域^[24]。为了分析莱州湾南岸海水入侵范围演变及成因, 本文结合入侵来源, 重点对海水入侵影响因素, 如降雨量、地下水开采、沿海经济开发活动等方面进行讨论。

3.1 海水入侵来源

依据入侵物源将广义海水入侵划分为两类:来源于现代海水的狭义海水入侵和源于浅层第四纪沉积层中古海水的咸水入侵^[11]。除了TDS、Cl^–质量浓度以外, 地下水中化学离子质量浓度比值(m(Na)/m(Cl)、m(Cl)/m(Br)、m(Mg)/m(Ca)、m(Mg)/m(SO₄+HCO₃))、δ¹⁸O、δ²H同位素特征与海水、淡水中差异均作为海水入侵特征重要指示依据^[25-26]。郭笃发^[27]与张传奇等^[10]利用离子比值与主成分分析方法对莱州湾地下水盐化特征进行了分析, 充分证实了莱州湾地下水中除了海-淡水机械混合作用外, 还存在蒸发沉积、矿物溶解、阳离子交换作用以及人类活动影响。胡云壮等^[11]、卜庆伟等^[28]利用地下水中稳定同位素δ¹⁸O、δ²H识别地下水来源, 结果显示研究区地下水中δ¹⁸O、δ²H介于地下淡水和卤水、海水之间, 并且蒸发混合线的相关性要差于卤水的相关性, 指示该区域卤水的混合作用更占优势。

本文利用近5年来研究区地下水样品中Cl^–与TDS相关性分析, 发现研究区地下水样品中Cl^–与TDS呈明显正相关(图 6), 说明了海水入侵带入的大量Cl^–是地下水矿化度升高的主要原因, 反映了研究区地下水受海水入侵的影响。尽管大部分地下水样落在1︰1线上或附近, 但仍存在部分水样(站位SG-1、CYLT-1)位于1︰1线下方, 即TDS富集站位Cl^–相对亏损。上述站位均位于卤水区, 为晚更新世海侵滞留海水蒸发、浓缩形成高浓度的地下卤水^[9], 这也为莱州湾南岸咸水具有现代海水、古海水及包含于第四系含水层及基岩裂隙或缝隙中的卤水等混合源特征^{[27, 29]}提供佐证。

3.2 海水入侵影响因素 3.2.1 降雨量减少

从长期趋势上看, 近年来莱州湾沿岸干旱少雨, 降雨量远低于蒸发量。自20世纪70年代以来, 潍坊市年降雨量呈波动减少趋势, 年均降雨量倾向率为–22.67 mm/a^[22]。这与1980年以来莱州湾南岸海(咸)水入侵范围逐年增加趋势恰恰相反(图 5), 反映了持续干旱的气候可能是导致研究区海水入侵加剧的诱因之一。

对近5年来研究区海水入侵面积与降雨量分析, 发现近5年来, 潍坊市年均降雨量呈下降趋势, 与之相对应, 2011—2015年海水入侵面积总体上逐年增加(图 7)。根据潍坊市夏汛前降雨量变化, 2012年汛前降雨量最低, 降雨量为60 mm^[30], 可能是导致2012年海水入侵面积异常高的原因之一。

3.2.2 地下水过度开采

莱州湾地区淡水资源匮乏, 且该区工农业密集, 特别是枯水期, 地下水为工农业用水主要来源, 导致地下水位迅速降低。莱州湾南岸出现寿光-昌邑、昌邑城区、昌乐朱刘店多个地下水漏斗区, 地下水水位长期低于海平面, 为莱州湾南岸海水向陆入侵提供了动力条件^[23]。利用山东省水利厅2013年4月水情月报中地下水漏斗范围^[23]并将其与海水入侵线叠加, 发现2013年海水入侵线已达地下水位漏斗区域(图 5)。

由于缺少实时地下水位数据, 本文收集了2013—2015年潍坊市汛前(1—5月)平均地下水位埋深与地下水超采面积数据^[30], 发现随着地下水超采面积的增大, 地下水位降低, 研究区海水入侵面积也相应增大(图 8)。以2015年为例, 2015年潍坊市地下水位埋深为13 m, 地下水超采面积达2 553 km², 水位下降幅度及地下水超采面积为近3年之最; 并且2015年潍坊市北部寿光、寒亭、昌邑地区汛前地下水位降幅分别为7.64、7.36、3.04 m, 远超2013年同期降幅(1.24、2.99、0.01 m), 反映了地下水超采是造成莱州湾南岸海水入侵的主要影响因素之一。

3.2.3 人类活动工程

河流拦蓄工程也是导致研究区海水入侵的原因之一。莱州湾沿岸河流上游修建了大量的水库、塘坝, 在雨量偏少的年份大大减少了沿岸平原的地表径流, 使下游地下水补给来源减少, 造成沿海区域地下水位下降, 加重了海水入侵。随着沿海地区人类经济活动强度的不断增大, 越来越多的滩涂滨海湿地景观受到围垦、养殖和滨海卤水资源开采等人类活动影响, 人类活动已成为滨海区域景观格局变化的主要驱动力^[31-32]。近年来, 莱州湾南岸地下卤水开发和海水养殖不断发展, 盐田、虾池面积不断增加, 且逐渐向内陆扩张, 内陆腹地约20 km处仍有盐田、虾池存在, 使大量海水进入内陆, 并渗入到地下淡水中, 也是加重海水入侵的可能原因。

4 结论

对2011—2015年莱州湾南岸地下水样品进行取样, 监测结果显示, 研究区Cl^–质量浓度介于0.013~ 73.3 g/L, TDS质量浓度介于0.51~145.6 g/L, 且其浓度由海岸线向内陆快速减小。研究区海水入侵呈连续带状分布, 海水入侵形势持续恶化, 入侵线逐渐向内陆推进, 2015年入侵线向陆伸入超过45 km, 入侵范围较1980年向内陆扩张约11~30 km。

结合2011—2015年研究区降雨量、地下水超采面积、地下水位埋深资料, 探讨近年来莱州湾南岸海水入侵范围变化趋势及其成因, 认为降雨量减少、地下淡水超采、河流拦蓄工程等为莱州湾南岸海水入侵加剧的主要因素。