海水入侵机理与防治措施

——以莱州湾地区为例

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学号： 11111111111111

专业：地下水科学与工程

第一章 前言

1.1研究意义

由于受全新世海侵、气候干旱、海平面上升以及不合理的人类活动的影响，莱州湾地区已成为我国海水入侵灾害最为严重和典型的区域。近年来，在上述因素综合影响下，莱州湾地区海水入侵面积己超过4000km2，严重污染地下淡水资源，土壤次生盐渍化面积不断扩大，对海岸带区域的工农业生产和生态环境造成严重影响，海水入侵已成为该地区严重的环境问题之一和制约经济社会发展的重要因素。可以预见，随着海岸带区域人口的增加、海平面的不断上升，莱州湾地区海岸带海水入侵灾害和淡水资源安全将面临更严峻的形势。为有效降低海水入侵的危害程度，国家海洋局已把海水入侵监测纳入业务化系统，并以莱州湾地区为示范区，作为国家海洋环境质量公报的重要组成部分。因此，选择海水入侵最为严重和典型的莱州湾地区，开展气候变化和人类活动对海水入侵影响机制的研究，建立莱州湾地区海水入侵预警技术体系，提出切实可行的防治措施，可为莱州湾地区及全国海岸带区域海水入侵灾害业务化运行提供关键技术支撑，并对海岸带地质灾害业务化预报及防灾减灾具有重要的科学理论意义。

1.2研究现状

我国从20世纪80年代开始对海水入侵问题进行研究，中国科学院、南京大学、山东省水利科学研究所以及中国地质大学等单位的相关部门先后针对莱州湾地区的海水入侵问题展开研究，并取得了一定的成果。如今，我国对海水入侵问题的研究己从简单的对海水入侵问题进行定性调查发展到对海水入侵灾害的模型化及定量化研究的程度。国内学者对海水入侵的主要研究成果包括:韩再生对秦皇岛市北戴河地区的海水入侵问题以及对其问题的防治方案实现了数值模拟；薛禹群等在我国首先建立了适用于当地实际情况的三维海水入侵数学模型，该模型考虑了过渡带混合溶液密度变化、潜水面波动、过渡带过度抽水及降水入深等因素对海水入侵各个过程的影响，并通过该模型对莱州湾及龙口地区的海水入侵情况进行了系统的研究，结果准确、可靠，为地下水合理利用及预测咸水与淡水界面移动提供了科学依据。成建梅等通过对海水入侵模型进行改进，运用改进的三维有限元海水入侵模型成功的对烟台市夹河地区的海水入侵过程进行了模拟。尹泽生等对于莱州市滨海地区的海水入侵问题开展了综合防治研究，并对海水入侵通道的类型进行了划分。周训等通过对广西北海市出现海水入侵地区的海水入侵分布情况、海水入侵变化范围以及氯离子含量等因素的分析，对该地区的海水入侵情况提出了防治对策。

第二章 研究区概况

2.1研究区范围

莱州湾地区包括龙口、招远、莱州、平度、昌邑、潍坊、寿光和广饶等8个地市。本文选择的研究区位于一渤海南侧莱州湾东、南沿岸地区，主要包括昌邑、潍坊和寿光地区以及莱州和平度的部分地区，总面积约8470km2。如图2-1。

图2-1 研究区位置图

2.2气象条件

研究区属北温带大陆性季风气候区，气候干燥，兼具海洋性气候特征。据1961-1990年8个气象站资料统计，莱州湾地区多年平均降水量为607mm，降水多集中在6-9月。近SO年来，莱州市平均降雨量为593mm (1952-2003 ),潍坊市平均降雨量为628mm (1951-2008 )，寿光市平均降雨量为574mm (1956-2010 )。最多降雨量发生在潍坊(1964)，达1300mm，最少降雨量发生在寿光(1981)，仅为304mm。据I 959-2010年寿光气象站资料，研究区多年平均气温12.6 0C。其中，最低气温出现在1月，月平均气温为3.1 0C , 7月温度最高，平均为26.4 0C;而历年平均极端最低气温在-15.60C，历年平均极端最高气温在37.7 0C。由于气温较高，本区蒸发量较大，多年平均蒸发量为1859 mm (1959-2010 )，年最大蒸发量达到2169mm (1961年)。一年中，1月和12月蒸发量最小，多年平均分别为43mm和47mm, 5月和6月蒸发量最大，多年平均为280mm。

2.3水文地质条件

研究区内地下水的形成、赋存、水质、运动和分布变化等水文地质特征，主要受构造、地层、地貌、古地理、气候、水文等因素影响。受上述因素影响，研究区内地下水水文地质特征在水平方向和垂直方向上均具有复杂而明显的变化。李道高(1995)根据含水层的成因和分布、地下水类型和赋存条件、地下水水质、地貌条件等，将莱州湾东、南沿岸地区水文地质体划分为三个水文地质区和七个水文地质亚区，见图2-2。即

I全淡水区

I1基岩裂隙水全淡水亚区

I2松散孔隙水全淡水亚区

II咸、淡水多层结构区

II1松散类型孔隙水淡一咸二层结构亚区

II2松散类型孔隙水淡一咸一淡三层结构亚区

II3松散类型孔隙水咸一淡二层结构亚区

III全咸水区

III1莱州湾东岸松散岩类孔隙水咸水、半咸水亚区

III2莱州湾南岸松散岩类孔隙水咸、卤水亚区

全咸水区第一亚区位于莱州湾东岸，含水层厚3-6m,岩性为冲洪积相砂及海相砂沉积，该亚区含水层与海水之间具有水力联系，地下水矿化度>2.0 g/I.,第二亚区位于莱州湾南岸北部，地下水矿化度基本在2-50g/L，为潜水、微承压水和承压水。莱州湾东岸全淡水区包括基岩裂隙水全淡水亚区(I1)和松散孔隙水全淡水亚区(I2)，第一亚区地下水水力性质均为潜水、单井涌水量在100m3/d左右。第二亚区主要分布于山前坡麓。含水层岩性为砾石和含砾砂土等。单井涌水量在500 m3/d左右。莱州湾南岸全淡水区主要为松散孔隙水全淡水亚区(I1)，含水层主要为砂砾石层及砂层。含水层主要为冲洪积相砾石层、砂层、含砾砂层等。地下水多为潜水、局部具有微承压性质。区内含水层厚度、岩性组合、垂直结构和富水性差别比较大。多数地区单井涌水量在1000m3/d-5000m3/d，少数地区单井涌水量在200m3/d-1000m3/d.

全咸水区与全淡水区之间为咸、淡水多层结构区。该地区地下水水质在垂向上具有多层特点，根据水文地质条件差异可划分为三个水文地质亚区:松散类型孔隙水淡一咸二层结构亚区(II1)，松散类型孔隙水淡一咸一淡三层结构亚区(II2)和松散类型孔隙水咸一淡二层结构亚区(II3)。第一亚区分布于胶莱河两岸、夏店以东的弯月形区域。地下水水质在垂相上为上层淡水一下层咸水的结构。含水层为砂及砂砾石，厚度在1-5m之间，为潜水，单井涌水量在1000 m3/d-3000 m3/d左右。含水层为冲洪积相砂砾石、中粗砂、中细砂等，水力性质为潜水和微承压水。第二亚区分布在广饶颜徐以东，夏店以西的带状区域。地下水质在垂相上为上层淡水一中层咸水一下层淡水的结构。含水层岩性在潍河两岸较粗，多为粗砂、含砾粗砂、中细砂等，在弥河流域较细，多为粉砂、粉细砂等，水力性质为孔隙潜水和微承压水，单井涌水量在10003000 m3/d左右。下层淡水矿化度小于2 g/L，含水层岩性多为粉细砂、砂等，水力性质为孔隙承压水。第三亚区分布于莱州湾南岸滨海平原地区，地下水水质在垂向上为“上咸一下淡”二层结构。上层咸水矿化度存在南北差异，在南部靠近第一和第二亚区地带矿化度为2.-5g/L。卤水区地下水除接受大气降水少量补给外，海潮和海水倒灌为其主要来源，地下水基本处于封闭、蒸发、浓缩和停滞状态，因而导致矿化度含量不断升高，

含水层以粉砂为主。

图2-2 研究区水文地质图

2.4地质条件

莱州湾地区第四系地层分布广泛，成因类型繁多，其分布受构造、地貌制约明显。东部区为稳定缓慢的抬升，沉积物主要分布在平原、河谷和海湾洽岸带，厚度一般小于30m，黄县盆地第四系最大厚度106.1 m。西部区为沉降区，皆为第四系所覆盖，最厚处可以达到400m。对海水入授形成灾害的地层主要是第四纪地层，特别是晚更新世以来所形成的海相地层。莱州湾地区第四纪沉积物根据成因类型可分为:残积物、坡积物和坡积一残积物、冲积一洪积物、冲积物、湖相沉积物。如图2-3。其中莱州湾南岸地区以海相沉积、冲积沉积、湖沉积与风尘堆积物为主，莱州湾东岸以残积物、坡积物和冲积物为主，沿海地分布少量海相沉积物，各自类型在海水入俊中起到不同作用。

图2-3 研究区第四系沉积物分布

第三章 海水入侵形成机理

3.1海水入侵形成机理

海水入侵的形成必须具备两个条件:其一是水动力条件，即咸淡水之间存在一定的水头差;其二是水文地质条件，即咸淡水之间有相同含水层相连。当二者同时出现，才会发生海水入侵。海水入侵的形成机理，可以从海水入侵两个必备条件的变化来进行评述。其中水文地质条件是环境地质条件下客观存在的一个特殊地质体，它的变化一般是缓慢的，甚至短时期内可认为它是不变的，因此只有水动力条件可人为的或受自然某些因素而改变。这也是海水入侵发生的一个重要条件。人类各种经济活动，如大量开采地下水，河流上游兴修水利工程等，这些活动虽然给人类带来一定的利益，但这些活动都改变了地下水的天然动力条件，破坏了地下水天然平衡状态，从而使原本就有的海水入侵进一步加剧。自然界也不是一成不变的，如遇干旱年份甚至连续数年干旱，大气降水的减少，这将影响地表水体水位下降，影响大气降水对地下水的入渗补给量，造成地下水位下降，这也可影响到海水入侵的加剧和范围的扩大。

假定条件是海水和陆地地下水均不流动，地下水与海水区各点的压强按静水压强分布，两者的分界面固定，如图3-1。

在分界面上有：

hs 分界面上某点离海平面的距离；

hf 地下水潜水面高出海平面的高度；

p1 淡水密度，=1.0g/cm3；

p2 海水密度,=1.025g/cm3。

于是得到

分界面在海平面下所处的深度与陆地地下水面的高度呈线性定量关系，例如在地下水潜水面高程为1m时，由上式可知，对应的分界面深度约在海拔以下40m处。换句话说，陆地地下水水位越高，分界面埋藏深度越大；越接近海岸线，分界面埋深越浅。

图3-1 海水与陆地地下水静力平衡模式

3.2莱州湾地区海水入侵发生的环境背景

莱州湾地区海水入侵的形成与发展涉及到水文地质环境、地形地貌特征、气候与人类活动等多种因素，其中水文地质环境、地形地貌特征是海水入侵发生的基础条件，为海水入侵的发生和发展提供物质来源与入侵通道，决定了海水入侵的方式、类型和强度，人类活动是诱发条件。

3.2.1海水入侵与第四纪地层

第四系松散沉积层是莱州湾地区海水入侵空间媒介，海水入侵的类型、入侵方式、入侵物源等都与第四纪沉积物特征和第四纪地层的性质密切相关。第四系松散沉积物中的砂体是发生海水入侵最为典型的物质，无论是层状的砂层还是带状砂带，都是诱导海水入侵的通道。而海相地层则是海水入侵发生的物质来源。海相地层通常与现代海水保持密切的水力联系，即使没有保持水力联系，往往也可能滞留、封存一部分古海水(地下卤水)，成为海水入侵的物质来源。

3.2.2海水入侵与水文地质条件

莱州湾南岸地下咸水体的形成是该区第四纪古地理环境演变的结果。自晚更新世以来，该区经历了三次海侵，形成了三个海相层，这三个海相层是咸水体形成的先决条件(图3-2 )。此外，潜水含水层还通过潮滩与近岸海水发生水力联系，在卤水开采漏斗区海水继续补给咸卤水体。由于南部淡水区地下径流向北排泄，加之大气降水入渗补给，地下咸水体在未经大规模人类活动影响之前，已逐渐淡化并向北退缩，咸淡水界面已形成一种动态平衡。咸淡水界线以北为莱州湾南岸滨海平原海水入侵主要物质来源。

近十多年来，由于社会经济不断发展，人类对水资源的需求量也不断加大，地下淡水开采量逐年增加。由于地下淡水的超量开采，在全淡水区北缘形成了一系列的地下水降落漏斗。这些降落漏斗的形成、水位升降及范围的不断变化，影响海水入侵灾害的分布。根据2007至2009年的地下水调查结果，目前淡水区降落漏斗主要有寿光中部漏斗、昌邑漏斗和莱州湾东岸大原一过西漏斗，漏斗中心水位一般在5-20m，其中寿光中部漏斗和昌邑漏斗之间淡水水位也在下降，两个漏斗有连接成片的潜在趋势;全咸水区由于抽取地下卤水晒盐，在羊口、大家洼地区也形成地下水降落漏斗。这一系列漏斗使淡水系统和海水系统之间的水头差增大，从而吸引北部的海水向全淡水区运移，海水入侵的界限也位于漏斗中心线的北部边缘。

图3-2 莱州湾地区三次海侵范围与水文地质分区

3.2.3海水入侵与地形地貌

地貌是海水入侵的主要地域空间条件之一，它不仅影响海水入侵的表现形式，而且还控制着海水入侵发生的强度，从而使海水入侵表现出明显的地貌分异特点，不同地貌单.元和地貌类型，海水入侵的形式和强度不同。海湾地形增加了海水与陆地的接触面积，为海水入侵提供了有利条件。而平原区的砂质海湾更加利于海水入侵。莱州湾沿岸有许多次级小海湾，如一羊口湾、龙口湾等。据莱州市资料统计统计(韩美，1996)，该区内共有海湾10余处，其中，石虎嘴、海北嘴、三山岛、刁龙嘴、青鳞铺等砂质海湾为海水入侵的良好通退，也是古一海水滞存的良好场所，湾内陆一侧的海水入授比相邻地区更为严重。其次，不同海岸类型，海水入授的难易程度也小同。毕岩、黄土台地海岸，有海蚀崖分布，同时，无论黄土还是基岩，透水性都很差。在无张性、张扭性构造发育时，此类海岸一般小会发海水入侵。沙坝一渴湖海岸透水性。而粉砂淤泥质海岸，其地势低平潮滩宽阔，易受风暴潮灾害的侵袭，发生海水入侵灾的几率也很大。

第四章 海水入侵防治对策

要减少卤水开采引起的咸水入侵问题和人为活动引起的滨海海水入侵问题，根本对策是减少地下淡水开采，平衡咸淡水的界面。因此可从工程技术对策这个层面开展海(咸)水入侵的综合防治(图4-1)。工程技术措施主要包括引入客水以淡压咸、修建地下水库(含呼吸式)、构建地下防渗墙和选择性渗透反应墙(帷幕)、潮间带抽咸养殖工程等方面进行综合防治。目前在莱州湾地区主要提出综合防治海水入侵的措施，具体包括兴建防潮堤、拦蓄补源、淡水帷幕、地下水回灌、引调客水等工程技术措施，并付诸于实际行动。

4.1引入客水以淡压咸

引入客水理论基于北方水资源短缺的现实和未来用水增长的需求，认为只有利用客水才是解决用水和防治海水入侵的根本措施，实际上属于水资源优化配置范畴。对此，山东省沿海地区的成功经验和规划方案是:限制开采地下水，扩大利用黄河水，积极引用“客水”。引入客水主要在“引黄济青”工程路径的寿光、寒亭和昌邑等地展开，具体参见莱州湾地区海水入侵综合防治图(图4-1)“引黄济青”工程途径卤水开采引起的海水入侵区，可以考虑从明渠引水灌溉，既对咸水入侵起到“以淡压咸”作用，还能减低对咸水入侵引起的次生盐渍化风险。另外，考虑到黄河水资源的综合利用，在黄河水充足年份，可以作为地下水库建设的重要输入水源。

图4-1 莱州湾海水入侵区综合防治图

4.2修建地下水库

莱州湾南岸从水文地质和地貌上来看属于鲁中南山前冲洪积平原区，该区域是山多个冲洪积扇组成的扇群，自西向东依次为淄河、弥河、自浪河和潍河冲洪积扇。各冲洪积扇顶部以含水层厚度大、颗粒粗、入渗性较好成为地下水库库区首选地。其主要调蓄含水层为潜水一浅层微承压含水层，总厚度一般10m-30m}岩性多为中粗砂、砾卵石，单井涌水量一般大于1000m3/d，扇轴部地段大于,3000m3/d,给水度0.1-0.3。该地段是调蓄能力最强的地区，适合修建地下水库。

4.3构建防潮堤和选择性防水帷幕

在小清河、弥河下游和莱州虎头崖以东部分区域构建防潮大堤，对滨海风暴潮和潮汐引起的海水倒灌进行防治。在部分地区还可以将防潮堤建于海湾中。其中，莱州市朱家村为防治海水沿地表和河口的入侵，通过填湾造陆工程，分别建成长800m和3000m的两道拦海大坝，与普通防潮堤工程直接建在岸边不同，该村是将海岸线平直外推1500m，形成荷兰式的填海造陆防潮工程。此后又相继投资在围坝内开挖临海浅塘水渠、兴建淡水水库、栽植果树林和芦苇，营建人工湿地。不仅成功防治了海水入侵，还达到了较好的社会环境效益。

4.4人工增雨工程

莱州湾地区濒临渤海，受季风影响较大，空气中云水资源丰富，在收集天气资料和有关信息基础上，运用高炮和飞机催化作业，增加天然降雨量。据李爱贞和张富强研究表明，莱州湾地区区域水汽输入量约为6695.6mm，是该地区年平均降雨量的11.5倍，其中冬季的水汽量可达平均降雨量的30倍以上。由此可见，莱州湾地区空气中水汽资源量较为丰富，可以在莱州湾地区成立人工增雨机构，再进一步收集气压和水汽含量的基础上，配备相关硬件设施，利用人工增雨可以弥补该区域天然降水的不足。

第五章 结论与展望

（1）本文探讨气候变化对海水入侵的影响，未能将海平面变化因子纳入到模型计算。论文主要探讨莱州湾南岸的海水入侵机制，而该区海水入侵由地下咸水入侵引起，仅研究区北部近岸区域与海水有水力联系，影响范围较小。同时在50年内时间尺度上，海平面变化幅度相对较小，对海水入侵的影响相对较小。在今后进一步细化研究区域或进行长时间尺度预测时，应将海平面变化因素，引入到海水入侵对气候变化响应模式中，完善气候变化对海水入侵的影响机制。

（2）在探讨地下水与潮汐响应变化中。其中昌邑(cy)断面与潮汐变化周期相近，其原因机理是否为断裂构造导致应进一步探讨，补充完善海水入侵的影响机制研究。

（3）受研究区监测井位间隔过大影响，预警结果准确度有待进一步提高，在今后的研究中，可考虑适当增加监测网络密度，以及自动监测站位的数量，提高预警模型的精确度与时效性。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/e5d0134c580102020740be1e650e52ea5518ced0.html