海水入侵是指滨海地区由于地下水动力条件发生变化, 使淡水和海水之间的动态平衡被破坏, 导致咸淡水界面向陆地方向移动的现象, 又称盐水入侵、海水侵染、海水内浸、海水地下入侵等^[1-2]。目前海水入侵影响着全球超过50个国家和地区, 如荷兰、德国、意大利、比利时、法国、英国、澳大利亚、美国、日本和中国等^[3], 特别是北非、中东、地中海、中国、墨西哥以及美国的大西洋和海湾地区^[4]。快速城市化与地下水超采加剧入侵, 对生态环境、农业、工业和居民生活产生严重不利影响, 如土壤盐碱化、农作物减产、工业设备腐蚀、供水系统损坏等。因此, 对滨海含水层海水入侵的研究对地下水资源的管理和可持续利用具有重要意义^[5]。

山东省东营市位于黄河三角洲地区, 地处黄河入海口, 是我国重要的沿海经济区域和生态功能区。近年来, 已有多项工作对东营市的海水入侵问题进行了研究。韩术鑫等^[6]对东营市海水入侵进行了评价, 发现70个调查站位中83%的浅层地下水受到海水入侵影响。王万冠等^[7]对东营市河口区、垦利区、广饶县的海水入侵状况进行了调查。王威等^[8]通过对位于黄河三角洲地区的东营市孤岛镇的地下水水质进行了研究, 揭示了该地区地下水的主要水化学类型, 指出咸水和卤水的盐分来源与海水入侵密切相关。以上研究表明, 东营市的海水入侵不仅影响了当地的水资源可持续利用, 还对生态环境和经济社会发展构成了严重威胁。因此, 深入研究该地区海水入侵的成因、动态变化及其影响, 对于制定科学合理的防治对策具有重要意义。

准确评价海水入侵程度是制定有效防治措施的前提。近年来, 学者们提出了多种评价方法, 各有其特点和适用范围。其中, 最简单和常用的方法是单一指标评价法, 该方法主要基于某一关键指标(如氯离子浓度或电导率)来判断海水入侵程度^[3]。目前, 我国在海水入侵调查评价方面主要依据的团体标准《海(咸)水入侵调查与评价技术规范》(T/QHSL 403—2024)^[9]和行业标准《海水入侵监测与评价技术规程》(HY/T 0314—2021)^[10], 推荐使用Cl^–浓度作为单一评价指标。除此之外, 其他离子也常被用来评价海水的入侵程度, 如SO₄^{2– [11]}、矿化度^[12-14]、电导率^[15]等。综合指标法在科研工作中被经常采用, 包括熵权属性识别法和层次分析法(AHP)等, 这些方法综合考虑了多种指标, 但获取多种因子增加了工作量, 且个别因子的异常值会造成海水入侵程度的误判。另外, 多项特征因子法, 包括环境化学上经常采用的内梅罗指数法^[6]和复杂环境条件下的模糊综合评判法^[16], 也被引用作为判断海水入侵的方法。尽管可以选择不同的水化学成分或这些成分的组合作为指标, 但Cl^–浓度必然是主要判别指标之一, 因此, 本文依据我国团体标准和行业标准, 以Cl^–浓度为单因子指标判断海水入侵程度, 对2017—2024年东营市地下水的水化学成分进行分析, 评价东营地区的咸水入侵程度及动态变化, 并提出针对性的防治对策, 以期为东营地区咸水入侵的有效治理提供依据, 并为其他沿海地区应对海水入侵问题提供参考。

1 研究方法 1.1 区域概况

东营市地势较为平坦, 平均海拔在10 m以下, 属于典型的黄河三角洲平原地貌, 主要由冲积平原、滨海平原和潮间带滩涂组成。整个地区地下水类型除广饶和沿黄地带及黄河故道两侧为淡水区外, 其余均为咸水区, 其水文地质图如图 1a所示^[17]。东营市降水较少且蒸发量大, 导致该地区水资源短缺问题较为突出, 人均水资源占有量仅为全国平均水平的1/6左右。地下水是该地区重要的水资源之一, 随着经济的快速发展和人口的增加, 地下水开采量逐年增加, 导致地下水位下降, 形成了多个地下水漏斗区, 进一步加剧了海水入侵问题^[18]。此外, 黄河水资源的利用受到季节性限制, 难以满足区域用水需求。另外, 东营市地质构造复杂, 以松散沉积层为主, 地下含水层主要由砂层、粉砂层和黏土层等第四纪沉积物组成。这些沉积层的渗透性差异较大, 砂层和粉砂层具有较高的渗透性, 容易成为海水入侵的通道。

1.2 数据获取和分析方法

本文监测数据由东营市水文中心提供, 采样站位见图 1b。站位分别设置在东营地区北部(胜利和虎滩)、中部(佐王、王营和西薛)、黄河客水影响区域(建林和西宋)以及广饶地下水超采漏斗区(4个站位)。监测时间为2017—2024年, 监测频率为每年1次, 在6—9月进行。测试指标包括Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^‒、HCO₃^‒、CO₃^2‒、SO₄^2‒、F^‒等常规离子和pH、总硬度(以CaCO₃当量表示)和总溶解固体量(TDS)等参数, 共获得88组近1 000个数据。其中, 除了K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^‒和CO₃^2‒的测定分别采用《水质钙的测定EDTA滴定法》(GB 7476—1987)、《水质钾和钠的测定火焰原子吸收分光光度法》(GB 11904—1989)和《碱度(总碱度、重碳酸盐和碳酸盐)的测定(酸滴定法)》(SL 83—1994)等标准规定的方法之外, 其余均依据《生活饮用水标准检验方法》(GB/T 5750)测定。

1.3 海水入侵地下水的分类和入侵程度判断方法

依据我国团体标准《海(咸)水入侵调查与评价技术规范》(T/QHSL 403—2024), 采用Cl^‒单因子指标法, 将海水入侵程度分为无入侵(Cl^‒ < 250 mg/L)、轻度入侵(250 ≤ Cl^‒ < 1 000 mg/L)和严重入侵3个等级(≥1 000 mg/L)^[19]。根据Cl^‒浓度不同, 将地下水分为4类: 淡水(Cl^‒ < 250 mg/L), 微咸水(250 ≤ Cl^‒ < 1 000 mg/L), 咸水(1 000 ≤ Cl^‒ < 19 400 mg/L)和卤水(≥19 400 mg/L)^[20]。

1.4 数据分析方法

采用GIS软件绘制站位图, 使用Origin软件绘制Piper图、Gibbs图和其他分布图。利用R进行参数间的相关性分析。

2 结果与讨论 2.1 地下水化学组分统计特征

研究区地下水化学组成如图 2所示, 总体特征与黄河三角洲滨海含水层已报道数据一致^[6-7], 但极值区间更宽, 指示局部受海水入侵影响更为剧烈。由图 2a可见, 研究区域内TDS浓度较高, 介于332~ 58 300 mg/L, 平均值为9 802 mg/L, 整体矿化度较高。Cl^–浓度范围介于19.6~30 700 mg/L, 平均值为4 415 mg/L, 只有29%的数据落入淡水的范围, 有7%的水样为卤水。最大值高于韩术鑫等^[6]报道的东营浅层地下水Cl^–上限(21 400 mg/L)。Na⁺浓度介于15.2~ 16 700 mg/L, 平均值为2 170 mg/L。高浓度的钠离子主要存在于卤水中, 与Cl^–协同变化。由图 2b可见, 调查区域地下水的pH在6.9~8.9, 平均值为7.8, 处于中性偏碱范围, 较多的站位(76%)处于海水的pH范围(7.5~8.5^[21])。其他离子如Ca²⁺(浓度介于0~721 mg/L, 平均值为7.21 mg/L)、Mg²⁺ (0.2~2 040 mg/L, 均值为346.5 mg/L)、K⁺(1.24~211 mg/L, 平均值为24.1 mg/L)等离子的平均值均大于1 mg/L, 跟海水的性质更为接近。

2.2 调查区域地下水的水化学特征

根据舒卡列夫分类法^[22], 调查时间内研究区域不同咸度的水体共出现8种地下水类型(表 1), 其中, 卤水和咸水98%以上的类型为Cl—Na型。淡水主要类型为HCO₃—Na(63%)和HCO₃—Ca型(21%), 微咸水以HCO₃—Na为主(50%), 水化学类型相对复杂。

2.3 调查区域地下水的主要离子组成

Piper三线图可直观反映地下水的主要离子组成, 对于揭示地下水化学组分的演变规律具有重要作用^[23]。调查区域不同种类的水体在Piper三线图中的分布存在较为显著的差异(图 3)。从淡水到卤水, 表现出一定的分布规律, 淡水的阳离子比较分散, 阴离子以HCO₃^–为主, 表现出陆源输入的特征。由微咸水向卤水逐渐变为明显的以Cl^‒、SO₄^2‒、Na⁺和K⁺为主。咸水和卤水以Cl^–、Na⁺占较大优势, 具有显著的海水特性, 表明主要受地质历史时期海侵作用影响^[24]。

2.4 调查区域地下水海水入侵总体情况

调查区域时空范围内地下水的海水入侵情况见图 4。由图 4可见, 50%的站位为咸水, 有14%的站位为微咸水, 9%的站位为卤水, 27%的站位为淡水。按照海水入侵标准, 仅有27%站位为无入侵水体, 14%为轻度入侵, 59%的调查站位为严重入侵状态。该结果表明, 东营市有73%的地下水水质超过饮用水质量标准限制, 不能直接用于工农业生产和生活用水。

2.5 调查区域海水入侵的时空分布

不同站位自2017年以来海水入侵程度及其时空分布见图 5和图 6, 图 5是各站位8年来入侵程度的占比情况, 图 6是各站位Cl^–的时间变化。由图 5可见, 海水入侵最严重的站位是胜利、建林和西宋3个站位, 100%的时段处于严重入侵状态。西薛、王营、北辛和佐王4个站位严重入侵比例分别为87.5%、87.5%、75.0%和62.5%。其他站位入侵程度相对较弱, 尤其是疾控中心和李璩2个站位没有出现海水入侵。

东营市水文中心数据资料显示, 该市地下水根据矿化度划分为3个区域, 分别为淄河、弥河冲洪积扇孔隙水系统、埕口-羊口“上咸下淡”孔隙水水文地质小区和黄河三角洲“全咸”孔隙水水文地质小区(图 1a)。调查站位的空间响应与分区高度耦合: 西南部淡水区(疾控中心、李璩)Cl^–始终低于入侵阈值; 北辛、草南位于咸淡水分界区, 入侵锋面进退直接决定水质——北辛2018年突变后持续重度入侵, 草南2020年短暂淡化后复咸; 中部西薛、王营、佐王波动入侵; 北部虎滩虽处“全咸”区, 却因砂层强渗透、雨水及黄河水稀释, 75%时段未见入侵(图 5、图 6)。胜利同样位处“全咸”区域, 终年重度入侵; 东侧建林、西宋虽受黄河客水侧向补给, 仍未能突破原生咸水体, 入侵等级未降。

3 讨论 3.1 入侵海水的离子特性

任何水体都是多种离子共同存在。对离子浓度进行相关性分析, 可以更好地揭示水体的水化学特征, 识别其中各离子来源的一致性和差异性^{[13, 25]}。对研究区域的非淡水水样进行Pearson相关分析, 得到各组分相关性矩阵, 如图 7所示。

由相关性关系可以看出, 入侵海水的Cl^–跟Na⁺、Mg²⁺、总硬度(以碳酸钙计)、TDS和SO₄^2–成正比, 但跟K⁺、Ca²⁺、HCO₃^‒和F^‒相关性不大, 这种相关关系跟海水的性质有一定的差异。海水的主要成分遵循组成恒定比关系, 即尽管不同地区海水的含盐量不同, 但主要成分浓度之间的比值却近乎恒定^[21]。根据海水组成恒定性, 海水中的常量元素如Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Sr²⁺ 5种阳离子和SO₄^2‒、Br^–、F^–、HCO₃^– 4种阴离子以及H₃BO₃等10种组分跟Cl^–的比值具有相对恒定的关系, 其中, Na⁺、Mg²⁺和SO₄^2‒的氯度比值分别为0.561 0、0.066 3和0.140 3^[24]。本地区入侵海水与Cl^–成正相关的3种离子与氯离子的比值见图 8。由图 8可见, 3种离子在不同水体的离子比值有较大差异, 其中, 入侵海水的氯度比值(分别为0.523 5、0.069 0和0.169 0)均介于海水和地表淡水(分别为0.693 8、0.215 3和0.660 3)之间, 可能是原始海水在向入侵海水转化的过程中, 接纳了土壤中硅酸盐岩的风化溶解作用溶出的离子所致^[26]。

3.2 地下水化学特性成因分析

Gibbs图是TDS与阳离子Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)和阴离子Cl^‒/(Cl^‒+HCO₃^‒)之间的内在关系图, 可用来揭示大气降雨、岩石风化、地表水蒸发等自然因素对天然水中主要离子的控制作用^[27]。调查区域地下水不同水体的Gibbs图(图 9)显示, 淡水中, Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)比值分布较为分散(图 9a), 说明淡水中的阳离子来源复杂, 可能受其他水化学作用如阳离子交换作用的影响^[21]。微咸水Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)比值大部分大于0.5, 表明微咸水主要受到蒸发-浓缩控制。淡水的Cl^‒/(Cl^‒+HCO₃^‒)比值均小于0.5(图 9b), 位于岩石风化区, 微咸水处于岩石风化和蒸发-浓缩控制区, 受到2种因素的共同影响。咸水和卤水的Na⁺/(Na⁺+ Ca²⁺)和Cl^‒/(Cl^‒+HCO₃^‒)比值均大于0.5, 位于蒸发-浓缩控制区, 且大部分数据点靠近图的右上端, TDS浓度较高, 呈现海水特征, 表明咸水和卤水受蒸发-浓缩和海水入侵等因素的影响。

3.3 海水入侵的成因机制

已有结果表明, 我国沿海地区地下咸水中, 有87%的咸水体是由赋存在含水层中的古海水(咸水)入侵导致, 海平面上升引起的海水入侵只占13%^[10]。东营市作为黄河冲积平原, 古海水入侵的特征特别明显。东营市在地质构造上, 位于华北地台新生坳陷的东南部, 济阳坳陷东端。自新生代以来, 地表以沉降运动为主, 区内广为第三系和第四系沉积物覆盖^[17]。整个地区地下水类型除广饶和沿黄地带及黄河故道两侧为淡水区外, 其余均为咸水区(图 1a)。小清河以北为海积冲积平原, 是由黄河冲积作用和海相沉积作用而形成, 其地势平坦, 岩性松散, 含水层颗粒细。自中更新世以来, 该区经历了5次海侵, 因此, 不仅广泛分布咸水含水层, 而且第四系沉积物含盐量亦较高^[28]。

除此之外, 东营市受地理纬度、地形地貌和天气形势等因素的影响, 年降雨量和年蒸发量不平衡。资料显示, 东营市全年平均年降雨量为556 mm, 而年蒸发量却高达1 885 mm^[16], 二者比值为3.39(蒸发量: 降雨量)。在调查站位中, 有9%的站位为卤水(高盐水, Cl^‒≥19 400 mg/L)(图 4), 超过了海水的氯离子浓度(Cl^‒ ≈19 400 mg/L), 因此, 过高的蒸发量造成东营市水资源的进一步咸化, 图 9中离子比值的分布也说明地表蒸发对地下水化学特征的影响比较显著。而且, 由于南北区域在蒸发和降雨量方面存在差异, 造成不同区域水资源咸化程度不同(图 6)。同时需要注意到, 自1956年以来, 东营市已在全市范围内建立了引黄灌溉工程, 其中, 列入国家和省级管理的大中型灌区就有6处^[17]。黄河水的引入, 对缓解地下水的咸化起到一定的作用, 尤其是渗透性强的砂质土壤, 可能会根本改变其咸化程度。如虎滩站(图 5), 虽然处于全咸水区域, 但只有25%的时段为微咸水, 其他均为淡水。另外, 东营市广饶县自1976年以来, 曾经历40年的地下水大量超采, 在南部形成了浅层、深层地下水降落漏斗区, 引发了地面沉降、咸水入侵等地质环境问题^[29]。虽然东营市采取了减少开采量和引黄补水措施, 但漏斗区的咸淡水分界线^[30]很难向北推进, 因此, 处于咸淡水分界处的北辛站位(图 6)在由2017年的淡水转化成2018年的咸水以来, 一直处于严重入侵状态。因此, 东营市地下水的咸化程度是地质构造、地表蒸发、客水引入和地下水超采等多种因素综合作用的结果。

4 结论

单因子指标评价结果表明, 东营市73%的地下水处于海水入侵状态, 其中59%的站位达到严重入侵程度。入侵海水代表性离子的氯度比值介于海水和地表淡水之间。东营市海水入侵的成因机制包括地质构造、地表蒸发、客水引入和地下水超采等多种因素。虽然东营市采取了多项防治策略, 包括引进黄河水补充淡水资源、严格控制地下水开采量、在农业和工业领域推广节水技术和水资源循环利用技术、向地下含水层注入淡水等方式, 但海水入侵程度未见明显改善。后续可以根据最新的技术发展, 如扩大海水淡化水和中水的使用量以增加淡水供给、增加海水植物如海水蔬菜的种植以减少淡水使用量等方式, 开源节流, 以减少对客水和地下水的依赖, 实现淡水自足供给。后续监测将增加站位数量, 尤其增设东西向的监测点, 以观测咸淡水界面的变化, 了解咸淡水进退的年际变化, 从而为政府部门制定地下水的保护措施服务。