萊州灣南岸海(咸)水入侵監測技術方法體系構建

杜東，劉宏偉，劉志濤，馬云青，朱雪芹

(1.天津地質礦產研究所,天津　300170；2.山東省魯北地質工程勘察院,山東 德州　253072;3.河北省地勘局測繪院,河北 廊坊　065000;4.中國地質環境監測院，北京　100081)

萊州灣南岸海(咸)水入侵監測技術方法體系構建

杜東1，劉宏偉1，劉志濤2，馬云青3，朱雪芹4

(1.天津地質礦產研究所,天津300170；2.山東省魯北地質工程勘察院,山東 德州253072;3.河北省地勘局測繪院,河北 廊坊065000;4.中國地質環境監測院，北京100081)

海咸水入侵已是一個全球性的普遍問題，大量文獻表明，人類活動已經涉及的沿海地段都已不同程度的發生海咸水入侵。在萊州灣南岸以發生咸水入侵為主，通過研究表明，該地區咸水入侵界面已逐漸向南遷移，嚴重影響該地區地下水資源的正常使用。監測咸水入侵對合理使用該地區的地下水資源意義重大，該文將構建萊州灣南岸咸水入侵監測技術方法體系。

咸水入侵；監測技術方法；萊州灣南岸

引文格式：杜東，劉宏偉，劉志濤,等.萊州灣南岸海(咸)水入侵監測技術方法體系構建[J].山東國土資源，2015，31(5)：49-53.DU Dong, LIU Hongwei, LIU Zhitao,etc. Construction of Sea(Salt)Water Intrusion Monitoring Techniques and Methods System in South Bank of Laizhou Bay[J].Shandong Land and Resources,2015，31(5)：49-53.

山東省萊州灣南岸位于渤海萊州灣南岸濱海平原的北部,是我國地下咸水入侵災害最嚴重的地區之一。東起北膠萊河, 西到小清河, 南至濱海平原的全淡水邊界,北部是萊州灣南岸全咸水區, 涉及壽光央子、寒亭、昌邑等3市(區) ,為沿萊州灣南岸呈半環狀分布的區域(圖1)。該地區咸淡水界面不斷向內陸推移, 導致土壤鹽漬化加劇,植被發生逆向演替。該地區是典型的海陸交互作用和人類活動共同影響下的生態脆弱區[1]。

1—下營鎮村；2—東付村；3—李家埠； 4—西陶埠村；5—后埠村； D—北禇村圖1　萊州灣南岸地下水海咸水入侵動態監測點位置分布

1　海(咸)水入侵動態監測

1.1遙感與地表植被調查監測

利用多時期遙感影像跟蹤地表監測，通過不同時相的衛星遙感圖像解譯跟蹤地表土壤的鹽漬化和地表植被及地貌的變化(圖2，圖3)來間接對咸淡水界面變化進行監測。由于受海潮、微地貌條件和沉積物成土過程的制約,鹽生植物—沼生鹽土植物和咸水—半咸水—淡水植物生態群落自南而北分帶形成。在咸水入侵過渡帶,土壤含鹽量隨時間推移在不斷積累增高,農田逐漸荒廢,而鹽生植物群落應運而生,如檉柳等日漸蔓延[2]，因此地表植被及微地貌的變化能間接反映咸水入侵的影響。

土壤鹽漬化遙感監測方法可分為人工目視解譯和計算機數字圖像處理、野外調查與實地驗證等。本次土壤鹽堿化遙感解譯方法主要采用目視解譯和野外實地驗證來進行。野外調查與實地驗證的目的是發現不同類型和不同鹽漬程度的鹽漬土與其影像特征之間的對應關系,建立判讀標志以及驗證和修正室內目視判讀結果。主要采用選線踏勘和隨機選點調查相結合的方法。采集地下水樣,觀測地下水位。對所選樣區以外的區域作隨機選點調查,以驗證室內判譯結果的正確性。土壤樣本試驗室分析的項目主要有:pH值、電導率、八大鹽離子和土壤養分項,目的是搞清鹽漬土的物理化學成分和剖面性狀等微觀屬性[3]。

從1981年、2000年及2010年3期遙感鹽漬土影像圖中可看出萊州灣南岸鹽田分布逐漸增加，鹽堿化程度及范圍越來越大。區內鹽堿地分布具有以下特點：①鹽堿地分布區地下水位埋藏淺，水位埋深小于2m，包氣帶巖性主要為粘質砂土與粉細砂互層，潛水蒸發系數較大；②鹽堿地分布區淺層地下水礦化度大于2g/L，大部分大于3g/L；③鹽堿地分布區第四紀曾發生數次海侵，海相地層發育，地層內的含鹽量較高；④沿海灘涂開發、水產養殖和制鹽業發達，加重了鹽漬化發育程度。

由于過量抽取地下水使地下水位下降、河流斷流、地表水缺乏和海平面上升等原因[4,5],萊州灣南岸20世紀80 年代初開始發生咸水入侵,南部的濕地土壤鹽堿化加重, 使濕地植被演化迅速,淡水蘆葦沼澤濕地、香蒲沼澤濕地面積日益減小, 向草甸濕地演化。昌邑市灶戶鹽場以北以鹽地堿蓬、檉柳為建群種的濕地植被,由于鹽場抽取地下鹵水導致地下水位下降, 土壤脫鹽、干化,現在南部已演化以虎尾草、狗尾草、荻為建群種的草甸濕地植被,這種演化過程隨著當地原鹽生產抽取地下鹵水量的增大還將向北部鹽沼濕地推進。因水源缺乏、蓄水減少[6],古巨淀湖等以蘆葦為建群種的淡水沼澤濕地植被正向以蘆葦、獐毛為建群種的草甸濕地植被方向演化。萊州灣南岸灘涂濕地受河流徑流影響較弱,沒有濕地植被發育，萊州灣南岸潮上帶以鹽地堿蓬、堿蓬、柳等鹽生植物為建群種的濕地植被占優勢，萊州灣南岸自然濕地植被在最近30多年來都因為圍墾、鹽田、蝦池建設等原因而大面積消失，自然濕地植被主要演化為鹽田和蝦池[7]。從地表植被及農作物變化看，從北到南植被及農作物變化間接地反映了地表鹽堿化程度逐漸減輕。離海岸線20km左右，地表開始大量種植小麥與生姜，地表鹽堿化程度開始減弱。

圖2　萊州灣南岸不同時期地表遙感解譯圖

圖3　萊州灣南岸地貌與植被變化

1.2地球物理探測

根據區域地層電阻率具有明顯的差異。咸水(礦化度>5g/L)電阻率一般為1～5Ω·m，鹵水(礦化度>50g/L)電阻率則更低，一般為1～2Ω·m，高濃度鹵水(礦化度>100g/L)電阻率最低可達0.4～0.6Ω·m；淡水電阻率一般為10～30Ω·m，其中淺層淡水的電阻率相對高些，一般為20～30Ω·m，深層淡水的電阻率相對低些，一般為10～20Ω·m；不含水的地層或基巖電阻率一般大于30Ω·m，甚至大于100Ω·m(表1)。通過物探(EH4)探測地下咸淡水界面的變化。以萊州灣Ⅱ號勘查剖面為例，Ⅱ號剖面近南北走向，南起財源村附近，北至海岸線，剖面全場39.5km。其視電阻率反演斷面圖(圖4)可以看出整體電阻率值呈北低南高的趨勢。北段極小值為2Ω·m左右，南段相對較高，電阻率值在16～100Ω·m之間，電性層橫向連續性較好。其中在30和70號點位置，電阻率值相對較低，阻值在16Ω·m左右，等值線呈低阻條帶狀，推斷斷層破碎帶發育。在東傅村(180號點位)附近電阻率斷面圖上反映出明顯等值線梯度變化帶，變化帶產狀較緩，呈倒“U”型，推斷為咸水入侵分界面，180～330號測點之間為淡水—微淡水—咸水—淡水分布區，且咸水侵入層位較厚在150m左右；330～395號測點之間為微咸水—咸水—淡水分布區，咸水侵入層較厚在200m左右。東傅村南段電阻率值相對較高，等值線平緩，推測為淡水分布區。

表1　地下水礦化度與電阻率值的對應關系

圖4?、蛱柧€視電阻率綜合斷面圖

1.3地下水水質動態監測

通過鉆孔施工成井或現有水井進行地下水水質的取樣監測，并在海咸水入侵嚴重地段建立長期監測斷面，放置自動記錄監測儀進行每個小時1次的水位、水溫、電導率監測。自2000年以來，由于大量增加地下水的開采量，使得區域內由廣饒到東部昌邑一線區域地下水水位呈下降趨勢，其北部的淺層含水巖組(5～20m)氯離子含量大于300mg/L，礦化度大于3000mg/L,到2011年監測斷面上海咸水入侵線均已向南遷移。據管清花等[3]調查成果：南北最大入侵距離為自北向南經過昌邑市龍池鎮，入侵長度為 35.5km，東西最大入侵長度為88km。實地調查中，監測斷面上的地下水井的水質向南也是逐漸變咸，導致許多地下水不能作為生活用水，只能用于牲畜或工業用水，甚至有些水井已經報廢(圖5)。

圖5　剖面Ⅱ礦化度分布及咸水入侵剖面圖

1.4井(孔)三維監測

在中、深層地下水因強烈開采而導致上層海(咸)水下滲的地區，選擇代表性地段，設置一孔多層海(咸)水與淡水(開采層)分層(段)監測孔，監測海(咸)水下移速度。一孔多層監測孔即在一個監測井內安裝不同層位的監測探頭進行水質監測(圖6)。一井多層監測井需要同時監測多個含水層組， 施工難度大， 特別是填礫止水工作關系監測井的成敗，不僅要合理控制填料速度防止堵塞，而且要準備測量礫料面防止錯層， 致使其施工難度和工程量均比常規監測井較大。因此，該次監測井為提高其使用壽命，預防和避免傳統監測井的腐蝕、結垢和堵塞等問題，管材選擇PVC-U塑料管，該材料平均內徑160mm，壁厚約5mm，密度1.45kg/m3，井管連接采用絲扣方式，其拉力破壞極限為12000N，濾水管孔隙率為10%～15%。該次監測井位于萊州灣南岸昌邑市西北，該井監測層位分為3層，分別為27～36m，63～72m，139～149m。水位埋深分別約為18m，28m和41m。監測時間從2012年12月開始。在監測期內，3個層位的水位持續下降，電導率第1層與第2層變化不大，為1.6～2.4mS/cm之間，第3層電導率值較小，均值在0.8mS/cm左右，3層電導率在監測期內持續降低，其原因初步分析可能為該監測井的地下水垂向上得到深層地下淡水的頂托與補給，受上游咸水影響較小。但其具體原因還需要長期的監測和進一步的分析，以找出更有說服力的證據。

圖6　萊州灣南岸一孔多層監測井水位、電導率動態監測曲線圖

2　海(咸)水入侵監測方法體系構建

海咸水入侵識別體系主要有5類：

(1)地質地貌識別體系——地理載體：海拔高不利于海水入侵，地勢低洼地區易于咸水入侵[8]；第四紀地層透水巖性發育有利于咸水入侵，淤泥質含量高的第四紀地層不利于咸水入侵；基巖地區風化裂隙發育滲透性強的巖體有利于咸水入侵；河流發育，河岸地勢低，海咸水易于沿著河道上朔，造成沿河兩岸海咸水入侵；大的構造斷層帶利于海咸水入侵。

(2)氣象因素識別體系——氣象位置：海水位于內陸的上風口，易于造成海水霧滴被風帶到內陸地區，造成海咸水入侵；風暴潮發育地區、干旱炎熱地區易于發生海咸水入侵。

(3)技術方法識別體系——技術方法：現場對標志性的化學成分測試；室內對各種標志性的化學成分分析；遙感圖像解釋；物探電法等技術手段[9]；同位素測試，直接找出海水中的固定成分；海水與淡水混合后，可根據部分化學成分含量固定比值來確定其來源。

(4)非技術方法識別：民訪調查；味覺嘗試；植物生長類型判別；水產品等動物養殖判別。

(5)其他：人為因素識別；開采量大的地區，易于造成海水入侵；鹽灘、海產品養殖廣布地區，易于形成海咸水入侵；灌溉較大的地區易于形成咸水入侵。

另外在海咸水入侵地區建立一個三維立體監測網[10]，空中通過不同時相的衛星遙感圖像解譯跟蹤地表土壤的鹽漬化和地表植被及地貌的變化(圖2)，間接反映咸淡水過渡帶的變化。地表土壤的鹽漬化主要是受地下水變咸的影響，因此通過遙感影像對地表土壤鹽漬化的跟蹤監測，可以從面上圈定出地下水咸淡界面的大致范圍。這是海咸水入侵監測比較重要的手段之一。

地表通過物探(EH4)探測地下咸淡水界面的變化，結合地表植被類型、地貌、地表水、土壤及土地利用的調查和當地居民的訪問(圖3)，EH-4 電導率成像系統采用了最新的數字信號處理器的硬、軟件裝置。該系統屬于部分可控源與天然場源相結合的一種大地電磁測深系統，是目前國際上最為先進的電磁法勘探手段之一。由于地下水的礦化度隨含水層中氯離子的增加而變大，其地層電阻率亦相應降低。地下水礦化度是影響地層電阻率的決定因素。依據咸水入侵區與電阻率之間的關系，有效測定水中的電導率，便可確定咸水入侵的變化規律[11]。再結合地表植被及地貌、土壤及土地利用和當地訪問，更加有效的圈定出地下咸淡水界面的范圍。

通過鉆孔施工成井或現有水井進行地下水水質的監測，在海咸水入侵嚴重地段建立長期監測斷面，放置自動記錄監測儀進行每個小時1次的水位、水溫、水質監測。在咸淡水界面附近兩側進行每年3～4次的地下水樣品采集，現場通過多參數水質監測儀獲取地下水的鹽度及礦化度參數[12-14]。樣品采集后在實驗室全面分析其地下水的物理化學成分特征變化。在通過遙感及地表物探等手段圈定出咸淡水界面范圍后，對該范圍內地下水水質進行監測，更準確直接地判斷出海咸水入侵的范圍。海咸水入侵監測三維立體監測網建設如圖7所示。

圖7　海(咸)水入侵監測技術方法體系框圖

3　結論

根據2011年地球物理探測、野外調查、民訪及地下水樣品分析結果表明，研究區海咸水入侵的界限及變化帶的分布范圍自2000年以來，由于大量增加地下水的開采量，使得該區域由廣饒到東部昌邑一線區域地下水水位呈下降趨勢，其北部的淺層含水巖組(5～20m)氯離子含量大于300mg/L，礦化度大于3000mg/L，監測斷面上咸水向內陸均已向南遷移。嚴重影響該地區地下水資源的正常使用。因此建立該地區咸水入侵識別體系及監測網對合理使用該地區的地下水資源意義重大。

[1]張祖陸，王琳.萊州灣南岸咸水入侵區土地利用/覆被變化驅動機理研究[J].地理科學，2007，(2)：40-44.

[2]張祖陸，王琳.萊州灣南岸咸水入侵區土地利用/覆被變化驅動機理研究[J].地理科學，2007，(1)：40-44.

[3]張祖陸,齊永華,聶曉紅.萊州灣南岸咸水入侵區生態環境分區與生態恢復研究[J].中國人口·資源與環境,2001,11(4)：102-105.

[4]關元秀，劉高煥.區域土壤鹽澤化遙感監測研究綜述[J].遙感技術與應用.2001，(3)：40-44.

[5]Reed D J.The Response of Coastal Marshes to seal Rise: Survival or Submergence[J].Earth Surface Process and Landform,1995, 20(1):56-64.

[6]鄧慧平, 劉厚鳳,李愛貞.萊州灣地區水資源問題與策分析[J].土壤與環境, 2000,9(1):81-83.

[7]韓美, 張維英,李艷紅，等.萊州灣南平原古湖泊的形與演變[J].地理科學, 2002,22(4):430-435.

[8]張緒良,谷東起,豐愛平，等. 黃河三角洲和萊州灣南岸濕地植被特征及演化的對比研究[J].水土保持通報，2006，26(3)：127-140.

[9]Coastal Marsh Monitoring for Persistent Saltwater Intrusion Callie Hall， NASA Stennis Space Center，2008.

[10]Assessing well field impacts on water quality in the Upper Floridian Aquifer in Southwest Florida , 20th salt water intrusion meeting presentation June 23-27, 2008 Terry Bengtsson.

[11]Assessment of Groundwater Resources in Rmel Coastal Aquifer (Morocco) by SEAWAT A.Larabi, M.Faouzi and A.Cheng LIMEN,Ecole Mohammad d'Ingénieurs, Rabat Department of Civil Engineering, University of Mississippi, USA 2008.

[12]楊學明，蘇永軍，杜東,等.音頻大地電磁法在海水入侵動態監測中的應用[J].物探與化探,2013，37(2):301-305.

[13]Response of the groundwater system to a Base Level Drop: The Dead Sea Case Yael Kiro, Yoseph Yechieli,Vladimir Lyakhovsky, Eyal Shalev, Abraham Stravinsky 2008.

[14]管清花，陳學群，張婧. 萊州灣南岸濰坊北部平原區咸水入侵動態變化分析[J].山東國土資源,2014，39(9):39-42.

Construction of Sea(Salt)Water Intrusion Monitoring Techniques and Methods System in South Bank of Laizhou Bay

DU Dong1, LIU Hongwei1, LIU Zhitao2，MA Yunqing3, ZHU Xueqin4

(1.Tianjin Institute of Geology and Mineral Resources, Tianjin 300170, China；2. Lubei Geo-engineering Exploration Institute, Shandong Dezhou 253072, China; 3.Geological Surveying and Mapping Institution of Hebei Geological Exploration Bureau of Mineral Resources, Hebei Langfang 065000, China; 4. China Geological Environment Monitoring Institute，Beijing 100081，China)

Sea(salt)water intrusion is a global problem. As showed by a lot of datas, different levels sea salt water intrusion have happened in human living areas. Salt water intrusionhas happened in south bank of Laizhou bay. It is showed that the saltwater intrusion interface has been gradually migrated southward. It will seriously influence normal use of the groundwater resource. Monitoring of saltwater intrusion has great significance in reasonable use of groundwater resources in this area. In this paper, monitoring method system of salt water intrusion in south bank of Laizhou Bay has been set up.

Salt water intrusion；monitoring technologies and methods; south bank of Laizhou Bay

2014-07-22；

2014-09-03；編輯：陶衛衛

國家公益性行業科研專項資助項目 (201011019)

杜東(1981—)，男，高級工程師，主要從事水文地質環境地質海洋地質工作；E-mail： yndd24@163.com

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