山東省博興縣淺層咸水入侵研究

馮穎，吳清華

(山東省魯北地質工程勘察院，山東 德州 253015)

1 研究區概況

博興縣隸屬于山東省濱州市，總面積900.7km2，地處魯中山地與魯北平原的交接部位，地勢低平，無大的起伏，海拔標高5～10m,為煙臺、威海、青島聯結京津地區的樞紐位置，地理位置優越，境內公路、鐵路四通八達，交通十分便。

1.1 地質概況

博興縣位于濟陽拗陷區內，沉積了巨厚的新生代地層，其中，第四系沉積物厚度100～150m，主要為河湖相沉積物，古近系厚度大于1500m，為陸相碎屑含油、石膏、巖鹽地層。現將新生代地層由老到新分述如下：

(1)新近系：新近紀上新世明化鎮組為沖積、湖泊相沉積和山前沖洪積物交錯沉積，厚度700～800m。巖性以砂質粘土為主，間夾粘土和砂層，顏色主要為灰褐、棕紅、灰綠色，結構致密，多為固結及半固結狀，普遍含鈣質結核和螺殼碎片，局部含鈣質沉積物和石膏。

(2)第四紀下更新統：沖積和湖積層，巖性以土黃、灰綠、灰褐色粘質砂土為主，局部夾棕紅色粘土，砂層以粉砂、中細砂為主。該層底界埋深110m左右。

(3)第四紀中更新統：為沖積和湖積相沉積，巖性以土黃、灰黃、灰綠色粘質砂土為主，砂質粘土次之，中間夾1～3層砂層，局部含石膏板狀晶體。

(4)第四紀上更新統：以沖積相沉積為主，湖相沉積次之，自上而下可分為三層，底界面70～85m不等。上層為灰黃、淺棕色粘質砂土、砂質粘土及砂層，中層為土黃、灰黃粘質砂土及灰黑色淤泥質粘質砂土，下層為黃灰、土黃色粘質砂土及砂層。

(5)第四紀全新統：以沖積相沉積為主，埋深一般14～20m，主要巖性為土黃色粘質砂土，粉砂夾砂質粘土。

Relationship of spiral rain bands and horizontal vorticity in typhoon Morakot

1.2 水文地質條件

區內地下水類型為孔隙水，根據含水層的水力性質和埋藏特點，在垂直方向上可劃分為淺層潛水—微承壓水、中深層承壓水。

(1)潛水—淺層微承壓水。含水層巖性以粉細砂、細砂為主，厚度15～25m。單井出水量30～50m3/h，水化學類型HCO3-Ca·Mg，小清河以南礦化度一般小于1g/L，水位埋深3～30m；小清河以北礦化度漸變為2～3g/L的微咸水，水位埋深1～3m。地下水以垂向運動為主，主要接受大氣降水和灌溉回歸水補給，以人工開采和蒸發為主要排泄途徑。

(2)中深層承壓水。埋深60～500m。由于受基底構造基礎上的古地形及河湖相發育程度控制，小清河以北為黃河沖積平原，小清河以南為山前沖積洪積平原。小清河以南含水層巖性主要為粉細砂、細砂、中細砂和粗礫砂，厚度一般在30～50m，單井涌水量30～50m3/h，礦化度0.5～0.7g/L，水化學類型以HCO3-Na型水為主，其次為HCO3-Na·Mg和HCO3-Na·Ca·Mg型，水溫一般19～25℃。小清河以北含水層巖性主要為粉細砂、細砂、中細砂，厚度一般在20～30m，單井涌水量20～30m3/h，礦化度0.8～0.9g/L，水化學類型為HCO3-Na型，水溫一般23～25℃。由于地下水常年超采，博興鎮董高村一帶的地下水位，從1979年的8～10m，下降到2002年的-91.34m，水位下降近100m，年下降速率4.34m，形成了以博興縣城為中心的降落漏斗，并與區域性降落漏斗連為一體。該部分地下水是區內生活及工業用水的主要水源。

2 咸水入侵現狀分布

博興縣地形平坦，地下水徑流滯緩，以垂直蒸發排泄為主。博興縣大面積滯留了在海侵中濃縮于地層中的古海水(咸-鹵水)，并淡水含水層相連，易產生咸水入侵。區內淺層地下水位埋深淺但絕對標高低，地下水流向易于改變，當淡水水位因人為開采低于咸水水位時，咸水很快入侵到淡水含水層而成為咸水入侵區。

為研究查明咸水入侵的現狀分布，收集了濱州市博興縣近幾年的水質分析資料，并在20世紀80年代咸淡水分界線(礦化度2g/L)附近進行了加密取樣和水質分析工作，確定了現狀年的咸水入侵鋒面(以礦化度2g/L為界)，各取樣點水化學類型及礦化度與氯離子含量見表1。

表1 取樣點礦化度、氯離子含量

博興縣淺層咸水入侵現象主要呈帶狀分布在博興縣小清河以南地區(圖1)，形成原因主要是博興南部淺層地下水大量開采，從而導致了南部淺層地下水降落漏斗的形成，使得北部的咸水向南補給，打破了南北咸淡水的平衡界線。博興咸水入侵的方向為由北向南，現狀年咸水入侵界線在利王—辛張—寨高—魯崔一線，20世紀80年代至2017年咸水入侵面積大約為18.45km2。

1—80年代咸淡水分界線；2—2017年咸水入侵鋒面；3—編號及礦化度(mg/L)圖1 博興縣咸水入侵現狀圖

3 咸水入侵的原因

咸水入侵是在天然和人類活動復合作用下地下咸、淡水共同運動的流體動力學過程。地質和水文地質條件是咸水入侵形成的物質基礎，人類不合理的工程、經濟活動則是引發咸水入侵的主要因素[1-2]。

(1)氣候。氣候對咸水入侵起著重要的作用，自20世紀80年代以來，濱州市持續干旱，造成地下水補給量、地表河流徑流量減少和地下水開采量增加，形成了一系列地下水降落漏斗，含水層中咸、淡水之間的動態平衡被破壞[3-11]。

(2)地質與水文地質條件。博興縣含水層連續性、透水性好，且呈現同一含水層咸淡水并存的局面，為咸水入侵的發生提供了物質條件。

(3)地形地貌。博興縣地勢平坦，小清河以南為山前沖洪積平原，小清河以北為黃河沖積平原。微地貌形態以高地和坡平地為主，沿小清河地段地面標高相對較低，一般在5～6m左右。地形自南向北微微傾斜，地面坡降在1/8000～1/10000之間,地下水流向易發生變化，為咸水入侵提供了條件。

(4)地下水過量開采。20世紀70年代末、80年代初，當地工農業迅速發展，用水需求量急劇增加，地下水開采量急劇增長，造成博興南部淺層地下水位大幅度下降，并逐步形成了降落漏斗(圖2)。

1—1～2m埋深分區；2—2～4m埋深分區；3—4～6m埋深分區；4—6～8m埋深分區；5—大于8m埋深分區；6—等水位線；7—埋深分區界線；8—地下水流向；9—河流排泄地下水；10—水位標高及埋深(m)圖2 博興縣等水位線圖

4 咸水入侵的現狀及演化趨勢

4.1 現狀

20世紀70年代以來，博興縣地下水動力場發生了很大的變化。地下水水位埋深為2～10m，降至5～30m，最大水位降幅達20m以上，且在淡水區出現了面積接近162km2左右的地下水降落漏斗，為由南向北排向小清河，變為由北向南咸水逐漸入侵，入侵體在平面上呈面狀入侵，在剖面上呈楔狀形態，博興縣現狀年咸水入侵最大入侵距離為2.15km(圖1)，最大入侵速率為0.06m/a,咸水入侵示意簡圖見圖3所示。

1—含水砂層；2—粘質砂土；3—地下水水位線圖3 咸水入侵示意簡圖

4.2 演化趨勢

對咸水入侵的發展趨勢進行預測，必須明確2個問題：一個是地下水的開采，另一個就是地下水的補給[12-15]。博興南部淺層地下淡水主要用作農田灌溉，因井灌區灌溉水利用率提高難度大，耕地面積保持穩定，故井灌區農灌開采量也不容許再減少，基本維持目前開采水平或稍有減少。博興縣淺層地下水歷年開采量見表2所示。

表2 博興縣淺層地下水歷年開采量

該區地下水的主要補給來源為降水入滲補給，占總補給量的70%以上，根據氣象資料，濱州市多年平均降水量為571.40mm(1983—2016年)，降水量比較均衡，同時該區地下水還接受南部山區地下水的補給，可以說該區地下水的補給量比較穩定。

由表2可知：博興縣淺層地下水的開采近幾年呈逐漸并減少趨于穩定的趨勢，補給量也較穩定，因此推斷井灌區淺層地下水的補給與開發利用處于相對平衡狀態，北部的咸水與南部的淡水處于相對平衡，咸水入侵趨勢減弱。而通過分析多年的監測資料，也間接證明了這一趨勢：博興南部漏斗區地下水水位近年處于較為穩定的狀態，并沒有出現急劇下降的趨勢(表3)。如曹王村監測點水位在補給和開采的共同作用下，近幾年變化趨于平緩，甚至在最近幾個年份出現水位回升的現象(圖4)。而博興南部的漏斗區范圍也趨于平緩，沒有明顯加重的趨勢(表3)。

根據以上數據，推斷目前博興縣淺層咸水入侵處于相對平衡狀態。

表3 博興漏斗4m等水位線圈定面積

圖4 博興曹王孔隙潛水多年水位變化曲線

5 結論

(1)博興咸水入侵的方向由北向南，現狀年咸水入侵界線在利王—辛張—寨高—魯崔一線，20世紀80年代至2017年咸水入侵面積約為18.45km2。

(2)博興咸水入侵方式為面狀入侵，現狀年最大入侵距離為2.15km，最大入侵速率為0.06m/a。

(3)目前博興縣淺層地下水咸水入侵處于相對平衡狀態。

(4)地下水過量開采是博興縣南部地區產生咸水入侵的主要原因之一。因此建議調引客水進行灌溉，補充地下水，使其水位抬升，阻止咸水入侵；加強用水管理，嚴禁超量開采南部淡水；并且建立長期的監測網絡及時掌握咸水入侵的動態變化和發展趨勢，為制定預防、治理措施提供科學依據。