遼西渤海岸海水入侵預測分析及防御措施研究

孟祥軍

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

海水入侵，又叫海水倒灌、咸水入侵等。源于“人為超量開采地下水造成水動力平衡的破壞”，中國海水入侵最嚴重的是遼寧、山東兩個省份[1]。天然狀態下，沒有人為因素的干擾，沿海地區只要地質條件符合標準，海水入侵現象是普遍存在的，尤其在近海岸及小海島區域[2]。近現代以來，隨著人類改造自然能力的提高，需水量的增大，加劇了海水入侵的嚴重程度。濱海地區地下水水位由于超量開采持續下降，破壞了咸淡水動態平衡，使得海水對淡水含水層直接入侵。對于海水入侵的研究歷史已有百年，海水入侵的基本理論、模型、水文地球化學和環境同位素、調查監測技術方法、防治和減緩對策、生態影響、全球氣候和海面變化影響以及區域個例研究等各個層面均得到不同程度的研究[3- 12]，但在海水入侵的監測體系評價中還存在不足，雖然監測內容還是監測技術都有了質的提高，但是新技術的應用方法各異，規范不成熟，標準不統一[13- 14]。該情況往往形成不同的評價體系，需要制定統一的標準和不同方法的換算公式。鑒于遼西地區海水入侵防治工程的實施，目前負面效應逐漸體現，海水入侵的防治方法的適宜性、優缺點沒有系統的分類、歸納，而且防治方法的種類過于偏重工程[15]。為此本文主要根據海水入侵現狀評價和數值預報的情況，制定遼西渤海岸海水入侵合理的防御措施。

1 海水入侵監測體系構建

1.1 監測點布設

在海水入侵監測體系中，監測井點多采用工民用機電井，井點布局與密度都有一定的局限，根據海水入侵監測結果，在充分掌握海水入侵規律與動態的基礎上，優化監測網點，為以后更準確、經濟、方便、快捷地評價海水入侵服務。區域海水入侵監測站點布設情況如圖1所示。

1.2 監測項目

1.3 監測時間與頻率

根據地下水質量標準GB/T 14848—93對海水入侵區的標準進行劃分，Cl-濃度小于100mg/L為未入侵區，海水入侵區Cl-濃度在100～250mg/L之間，受侵區Cl-濃度在250～350mg/L之間，嚴重受侵區的Cl-濃度高于350mg/L。未入侵去監測頻率一年兩次，即豐水期7月或8月份和枯水期(灌溉結束期)11月—次年3月中任一時間段，但年度間要保持連續性。入侵區每年5次，在灌溉期間監測3次，分別為5、7、9月，枯水期監測

圖1 監測點布設情況

兩次，為11月和3月。受侵區每年4次，每季度1次。嚴重受侵區每年2次，分別在主汛期和汛期之后。

2 海水入侵預測分析方法

2.1 海水入侵離子比特征值分析方法

海水入侵由于水巖交換，不同參數從入侵開始過程濃度發生不同程度的變化，其他化學離子也存在變化，加之水文地質條件的復雜性，有的表現明顯，有的不明顯。

土壤中鹽濃度高還是堿濃度高是海水入侵對土壤影響程度的重要反映特征，對于鹽濃度高于堿濃度，需要進行有效的灌溉排水措施即可達到鹽漬化治理的目標；而如果土壤中堿濃度高于鹽濃度，則需采用化學方法進行鹽堿化的綜合治理，這種治理方式相對較為困難。離子比特征值可以對這種變化進行有效反映，多種相關關聯的各離子之間的當量數毫克的比重可作為離子比特征值。該指標即對海水入侵程度進行反映，也對海水入侵后的影響度進行綜合表征，主要反映的指標有咸化系數、鎂離子以及鈉吸附比等。

2.1.1鈉吸附比分析

堿化的重要指標是鈉吸附比，土壤堿化一般指從土壤溶液中土壤復合體吸附鈉離子的過程，通常為陽離子交換的過程，土壤膠體表面與土壤溶液中的鈉離子進行離子交換的一個過程。灌溉水體在農業灌溉過程中使得鈉離子進行到土壤中，如果鈉離子的濃度過大，則土壤次生堿化現象產生，土壤膠體上吸附的陽離子與土壤溶液中的陽離子進行相互交換時鈉離子的活性相對比稱為鈉吸附比，其計算方程為：

(1)

式中，SAR—鈉吸附比；Na+—鈉離子濃度，mg/L；Ca2+—鈣離子的濃度，mg/L；Mg2+—鎂離子濃度，mg/L。

2.1.2咸化系數分析

咸化的重要指標是咸化系數，是氯鹽與重碳酸鹽以及碳酸鹽的比值，其分析方程為：

A=rCl/rHCO3+rCO3

(2)

式中，A—咸化系數；rCl—氯離子濃度，mg/L；rHCO3—碳酸鹽離子濃度，mg/L；rCO3—重碳酸鹽離子濃度，mg/L。

2.2 海水入侵預測分析

利用數學分析方法，建立預測模型，并根據該模型進行海水入侵預測。預測的總體思路如圖2所示。

圖2 海水入侵預測思路

3 遼東渤海岸海水入侵評價

3.1 氯元素與其他離子相關關系

結合各監測井水化學分析中的礦化度、鈣離子、鎂離子、硫酸鹽、咸化系數、鈉吸附比、氯離子濃度的測定分析數據，建立氯元素與其他離子之間的相關關系，如圖3所示。

從氯元素與其他離子之間的相關關系分析可看出，氯元素與礦化度的相關性最高，相關系數值可達到0.8971，其次為鈉吸附比，表明氯元素與這

圖3 氯離子與其他化學因素之間的相關性分析

兩個離子特征值變化具有一致性。在各單項離子元素中，陽離子的相關度總體高于因子陰離子的相關度，鈣離子的相關系數最大，達到0.3555，因此在鈣離子在水-巖離子交換的反映程度較大。硫酸鹽等陰離子的相關系數較低，表明陰離子在氯元素的相關分析中還需要進行置換，并綜合考慮毫克百分比當量、鈉吸附比以及咸化系數等指標。

3.2 鈉吸附比及咸化系數分析

對重碳酸鹽和咸化系數、以及鈉離子與鈉吸附比之間的相關性進行分析，如圖4。

從分析結果可看出，重氮酸鹽與咸化系數的相關度較低，相關系數為0.0644，主要是因為有一個監測井的出現較為奇異點，如圖中重碳酸鹽～咸化系數高位點值，通過調查分析該監測井靠近海岸，咸化系數較大，屬于海水入侵較為嚴重的區域，因此影響了總體重碳酸鹽～咸化系數的相關度，而鈉離子和鈉吸附比的相關系數達到0.8395，屬于高度相關，因此鈉離子的濃度和鈉吸附比具有較明顯的變化一致性。

圖4 海水入侵特征值分析結果

4 遼東渤海岸海水入侵預測模型

4.1 分級原則

研究區氯元素偏小的有的低于50mg/L，一般低于100mg/L。本文創新利用水-巖離子反應機理，根據海水入侵后離子毫克當量發生變化，依據毫克當量百分比規律判定海水入侵。

4.2 模型建立

4.2.1數據分析

在所有154個井點中氯值小于100mg/L的共有67個，氯值多為未入侵區。氯值大于100mg/L，小于350mg/L的共有32個，為海水入侵后氯值紊亂區間。大于350mg/L的共有55個，為嚴重入侵區。為更準確分析，把井點分為3組分別研究，見表1。

表1 監測井地下水位和氯值測定值

4.2.2未入侵區分析

根據水位與氯離子線性關系如圖5所示，得到地下水位和氯離子的相關回歸方程，回歸方程為：y=-0.1564x+8.5689(方程中y為氯值濃度，x為地下水位)

圖5 水位與氯離子的相關度分析

通過對監測點的地下水位和氯離子的相關性分析，其相關度為0.7762，由于未侵入區數據較少，代表性不高，無法對回歸方程進行檢驗和分析，存在一定的局限性。通過建立的回歸方程，可以結合地下水位觀測數據，進行氯離子濃度的預測分析。

4.2.3受侵區分析

結合受侵區域的地下水位和氯離子濃度分析數據，建立回歸方程，方程為CCl=2445.91-812.46d-135.80z(式中，d—海岸緯度差；z—地下水水位，并對回歸方程進行誤差檢驗，誤差統計結果見表2—3，并建立不同海岸緯度差以及地下水位下的預測值和測定值的對比，如圖6所示。

表2 海水受侵區建立的回歸方程誤差分析

注：Intercept表示為回歸方程的截距值；Coefficients表示為回歸系數；T-Stat表示為T檢驗值；P-value表示為P檢驗值；Lower 95%：表示為95%降雨保證率的下限值；Upper 95%表示為95%降雨保證率的上限值。

表3 海水受侵區氯值預測與殘差分析結果

從地下水位、海岸緯度差與氯關系線性擬合結果可看出：地下水位、海岸緯度差與氯關系線性擬合相關性尚好，主要因為不同井點的地質參數不同，海水入侵通道不同，如井點含水層巖性有沙卵石、基巖裂隙、破碎帶裂隙等。從誤差檢驗結果可看出建立的回歸方程基本可滿足95%降水保障率條件下的T檢驗和P檢驗值，隨著監測點數據的不斷增加，可以逐步對受侵區氯值回歸預測方程進行參數的調整分析，提高預測的精度。

4.2.4嚴重受侵區分析

嚴重受侵區共有55個，海水入侵的氯離子大小受到離河口經度距離、高程和入海水量的影響，建立回歸方程為CCl=2235.5+1439.99D+2492.15H- 54.58Q(式中，D—河口經度差；H—高程；Q—入海水量)。對其回歸方程進行分析，見表4—5，如圖7所示。

從擬合分析結果可看出，高程、河口經度差與氯關系線性擬合較高，嚴重海侵區由于影響因素更

表4 海水嚴重受侵區建立的回歸方程誤差分析

注：Intercept表示為回歸方程的截距值；Coefficients表示為回歸系數；T-Stat表示為T檢驗值；P-value表示為P檢驗值；Lower 95%：表示為95%降雨保證率的下限值；Upper 95%表示為95%降雨保證率的上限值。

圖6 地下水位、海岸緯度差與氯關系線性擬合結果

圖7 高程、河口經度差與氯關系線性擬合結果

為復雜，因此其回歸方程的誤差較侵入區、未侵區有所增加，考慮到嚴重入侵站點數較多為55個，監測頻率應兼顧豐枯水季，并建立降雨、地下水位、氯元素值的相關關系；同時積累系列年際資料，把握海水入侵的時間滯后性。

表5 海水嚴重受侵區氯值預測與殘差分析結果

4.3 各分區預測結果

4.3.1未入侵區氯值預測

結合建立的預測方程對未入侵區2030年和2040年遠景年的地下水位和氯值進行預測，結果見表6—7。

表6 2030年用水量情況下水位、氯值預測表

表7 2040年用水量情況下水位、氯值預測表

從預測結果看，2030年用水量情況下的預測總值為2018年總值的1.01倍，2040年用水量情況下的預測總值是2016年亦的1.02倍。2030年與2040年具有相似性。

4.3.2受侵區氯值預測

結合建立的預測方程對受侵區2030年和2040年遠景年的地下水位和氯值進行預測，結果見表8—9。

從預測結果看，2030用水量情況下的預測總值是2018年總值的1.08倍，2040年用水量情況下的預測總值亦是2016年的1.10倍。兩個年份差異性較小。

4.3.3嚴重受侵區氯值預測

結合建立的預測方程對受侵區2030年和2040年遠景年的地下水位和氯值進行預測，結果見表10—11。

表8 2030年用水量情況下水位、氯值預測表

表9 2040年用水量情況下水位、氯值預測表

表10 2030年用水量情況下氯值預測表

表11 2040年用水量情況下氯值預測表

從總值上看，2030年用水量情況下的預測總值是2018年總值的1.166倍，2040年用水量情況下的預測總值亦是2018年的1.165倍。2030年與2040年也具有較高的一致性。

4.4 海水入侵空間預測結果

對降水保證率為95%的條件下2030年和2040年氯值空間分布進行預測，結果如圖8所示。

圖8 降水保證率為95%條件下2030年、2040年遼西渤海岸氯值空間分布結果

從空間分布可看出，兩個年份海水入侵氯值空間分布較為一致，高值區域主要分布于東部和南部部分區域，北部海水入侵的氯值濃度相對較低，兩個年份氯值空間分布總體從東向西，從南向北逐步減少。在海水氯值濃度為250mg/L入侵線之外，應加強海水入侵的水動力，確定合理的打井距離，確保水力梯度最小，在井群區研究井點空間布局。

5 海水入侵預防措施

5.1 建設引、取水工程與節水設備改造

從預測分析看到2030年，隨著遼西沿渤海岸城市化進展的不斷加快，區域將逐步發展成為中等城市，隨著生活和工業用水的不斷遞增，區域水庫可用來進行農業灌溉的水量將逐步減少，為提高工業和居民生活用水的利用率，需要進行農業供水替代措施的建設，將海岸居民主要用水水源進行相應轉變。

以節水為中心，提高水資源的利用率，在現有水利工程基礎上進行配套調水工程的改造，主要工程內容：灌區方面，灌溉渠道防滲襯砌128.5km，續建、擴建渠道31km，支渠以上建筑物續建、改建812座，骨干排水溝疏通整治710km，排支以上建筑物823座。居民飲水方面，對管道逐一排查，對老化的管道進行修復、更替。對新入戶管道，要采取高標準嚴要求，保障水資源的利用率，減少輸水工程中的浪費。

5.2 建立完善的地下水監測體系

對海水入侵區的水量、水質以及地下水位進行及時采集，通過完善的地下水監測體系，實現對研究區域內海水入侵狀態的實時、動態監測，為遼西渤海岸的地下水資源管理、城鄉規劃管理建設、生態環境保護和海岸帶資源開發提供全面、及時、準確的基礎數據和技術支撐。

5.3 生態平衡保持

地下水與植被之間有著復雜的關系，涉及地下水、土壤、植被之間的動態平衡。地下水位下降造成土壤沙化、鹽堿化，導致植被死亡，降低植被覆蓋面積，致使植被凈化空氣的能力日益消弱。植被面積減少，繼而降低水汽蒸騰量，減少降雨和植被劣化，地下水資源量進一步降低，造成一個植被與地下水之間的惡性循環。解決這一難題需：①加強植被保護，降低植被開采量。根據國家規定，進一步加強森林保護，貫徹封山育林的原則，提高森林植被面積。同時開發節能新技術，尋求其他材料代替對木制品的使用。②增加植被面積，防止土壤沙化。為防止水土流失，地下水位下降。在植被保護的同時應進一步栽植優良樹苗，提高植被面積，使土壤儲水能力提高，保持充足的水分，提高地下水水位。

5.4 控制攔海養殖規模，尋找科學養殖新技術

一方面，研究區內攔海養殖普遍存在，超過50%以上海岸處于長期納潮狀態，且退潮之后高于海平面5～8m。人為提高了海平面高度，促進咸淡水過渡帶向內陸地區移動。另一方面，攔海養殖業占研究區GDP50%以上，直接影響到當地人民的生產生活。對海岸地區經濟發展產生深遠的影響。因此，尋求環保的、可行的養殖新技術迫在眉睫。從而替代以犧牲環境為代價的養殖技術。

5.5 建立近岸海底含水層抽取咸水工程

參考萊州市近岸海底含水層抽取咸水工程，結合遼西渤海岸實際情況做出符合研究區的地下咸水開采工程。隨著開采井的抽水，很快在井周圍形成了漏斗，并襲奪了原來地下水向海排泄的水量，造成區域流場的急劇變化。水位的差異，可以造成咸水的快速回退，從而起到了治理海水入侵的作用。另一方面，可以為需要抽取地下咸水的海產品加工企業提供咸水資源，并改變現有的遠海岸抽取地下咸水的現象，防止海水進一步向內陸入侵。

6 結論與建議

(1)利用回歸模型預測降雨量95%保證率下2020年的用水水平的情況下的海水入侵情況和2030年的用水水平的情況下的海水入侵情況，按氯離子平均值統計，2020年用水量水平條件下是2018年1.13倍，2030年用水量水平條件下是2018年加重1.136倍，兩個預測年差別不大。且整體格局不變，入侵嚴重區仍然是河口。

(2)監測頻率要兼顧豐枯水季，并建立降雨、地下水位、氯元素值的相關關系；同時積累系列年際資料，把握海水入侵的時間滯后性。

(3)在以后研究中，還需重點研究海水入侵的水動力，在海水250mg/L入侵線之外，確定合理的打井距離，確保水力梯度最小，在井群區研究井點空間布局。