趙偉玲，唐立強，朱小龍，高 森

（河北省地質環(huán)境監(jiān)測總站 石家莊 050021）

1 前言

河北沿海地區(qū)地處環(huán)渤海之濱，內嵌天津市、外臨渤海，海岸線長487 km，海岸帶總面積110萬hm2，有秦皇島市、唐山市和滄州市等濱海城市，建設秦皇島港、京唐港、曹妃甸港、黃驊港等大型海港，是環(huán)渤海經(jīng)濟圈核心地帶，是河北省對外開放的龍頭，是國家沿海經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。然而，隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟建設飛速發(fā)展和城市化進程的加快，對地下水資源的依存度越來越高，致使沿海地下水資源長期處于超采狀態(tài)，從而誘發(fā)了地下水海水入侵等地質環(huán)境問題，并演化為制約沿海城市建設與經(jīng)濟發(fā)展的關鍵問題，亟須得到高度關注和解決。筆者結合河北沿海海水入侵這一問題，系統(tǒng)地介紹其現(xiàn)狀及危害，分析其成因，并提出防治對策，望能為河北沿海海水入侵災害研究與防治提供參考。

2 海水入侵概念理解

關于海水入侵的概念，薛禹群等［1］幾位大師及其他學者都曾給過定義，盡管文字形式未統(tǒng)一，但在 “人為因素誘發(fā)海水入侵”這一點達成共識。郭占榮等［2］依此定義 “濱海地區(qū)人為超量開采地下水，引起地下水位大幅度下降，海水與淡水之間的動態(tài)平衡被破壞，導致咸淡水界線向陸地方向移動”。

筆者認為： “海水入侵”的主體在于海水，入侵是海水與淡水之間的動力聯(lián)系，影響這種動力聯(lián)系的因素有自然因素和人為因素兩種形式：自然因素是指風暴潮漫溢、潮汐引起過渡帶的有規(guī)律波動、降水引起過渡帶的正常波動、海平面上升引起的過渡帶內移，以及地質歷史時期的海侵等；人為因素即是人為超采地下水造成水動力平衡失衡而導致咸淡水界線的波動。因此，海水入侵是在自然因素或人為因素作用下，海水侵入陸地，并通過入滲、順層或者越流補給淡水含水層，從而形成咸水區(qū)或侵染地下淡水資源的過程和現(xiàn)象。需要說明的是筆者認為海侵 （海進）海水大范圍的向內陸侵入，滯留海水參與形成了如今的海相沉浸咸水區(qū)，而咸水含水層成為現(xiàn)代海水入侵的頂托條件，海進與海水入侵聯(lián)系密切，遂將海進納入海水入侵定義范疇內。本研究將從這個角度分析探討河北沿海海水入侵問題。

3 海岸帶類型

河北海岸帶沿岸河流縱橫，地貌復雜多樣，岸段性質變化比較明顯，自北向南海岸段可分為：巖質海岸、砂質海岸和淤泥粉砂質海岸。巖質海岸分布在山海關老龍頭、秦皇島東山碼頭和北戴河金山嘴等地的海岬部位；砂質海岸分布在灤河河口入海三角洲以北的廣大地區(qū)，除凸向海洋的海岬外凹向陸地的海灣部位；淤泥粉砂質海岸分布在灤河以西及滄州境內的渤海西岸。

4 入侵類型與成因分析

河北沿海海水入侵類型按地質歷史時間可分為古海水入侵和現(xiàn)代海水入侵。

4.1 古海水入侵

古海水入侵是指在地質歷史時期因海進海退而形成海相成因的沉積水 （又稱地下咸水）過程。河北濱海平原區(qū)在更新世晚期至全新世有過4次明顯海侵，依次是青縣海侵、滄西海侵、獻縣海侵和滄東海侵，其中以獻縣海侵規(guī)模最大［3］。海侵活動在河北省沿海地區(qū)相應地沉積了厚度不等的海相層，將海水封存其中而形成沿海平原原生型高礦化咸水體，咸水體垂向上與淡水體互層構成淡咸淡、咸淡、咸水等三元、二元、一元含水層結構，也成為現(xiàn)代海（咸）水入侵的依托媒介。

4.2 現(xiàn)代海水入侵

現(xiàn)代海水入侵主要是指海水以風暴潮和大潮涌海水地面入侵、沿通道順層入侵、古海水（咸水）浸染淡水含水層等方式引起的海 （咸）水補給改造淡水含水層的過程。海水入侵形式、強度、分布特征受控于地質、構造、巖性、含水層滲透性、含水層補給條件、含水層在海底方向上的延伸狀況和大氣降水等自然條件，以及地下水開采強度等人為條件［4－5］。

4.2.1 風暴潮和大潮涌

風暴潮和大潮涌存在于整個河北沿海地區(qū)，其引起海水向陸地漫溢，造成海水地面垂向入侵陸相含水層，但是風暴潮和大潮涌一般是短暫的，在采取導排等措施將滯留海水會流入海后，只能暫時地和局部地影響淺層地下淡水。因此，此種方式不是河北省沿海海水入侵的主因。

4.2.2 海水順層入侵

海水順層入侵是指海水沿著聯(lián)系海水和內陸地下淡水之間的 “通道”入侵淡水含水層，這一般需要滿足兩個條件：一是水動力條件，二是形成 “通道”的水文地質條件。河北省沿海在經(jīng)濟和城市建設驅動下，長期超采地下水資源和連年氣候干旱，大幅度減少地下水天然入海排泄量，改變地下水天然流場，打破了海水和淡水之間的動力平衡，形成了海水向內陸運移的水動力條件；此外，河北省沿海自中部向北部含水層巖性由粉細砂過渡為砂卵礫石，自山前向海洋為連續(xù)分布的整體，且北部巖質海岸存在構造破碎帶，導致含水層與海水之間水力聯(lián)系密切，滿足了 “通道”的條件［6－9］。

4.2.3 古海水 （咸水）侵染淡水層

（1）咸水順層浸染淺層淡水。即咸、淡水同處于一個含水層，咸淡水之間一般存在過渡帶，當超采淡水資源時，造成淡水水頭低于咸水水頭，過渡帶向淡水方向移動，導致咸水順層入侵淡水資源。

（2）咸水越流補給深層淡水。即由于深層淡水的過度開采，使其與上覆咸水的水位差增大，導致咸水下移越流補給深層淡水。自然條件下，弱透水層存在過濾作用，故咸水越流補給是個緩慢和漸變的過程［10］。

（3）“天窗”式入侵。由于地震應力破壞水井結構、新鉆孔成井時止水質量差等原因導致鉆孔連通咸、淡水含水層，咸水體以鉆孔為中心呈 “天窗”式擴散侵染深層淡水含水層。

5 入侵現(xiàn)狀及特征

5.1 滄州沿海地區(qū)

滄州沿海海岸帶為厚層泥質海岸，不具備海水順層侵入陸相含水層的 “通道”條件，海水入侵類型主要是古海水入侵，同時存在咸水越流入侵和風暴潮入侵。

5.1.1 古海水入侵

滄州沿海平原區(qū)受第四紀晚更新世以來4次海侵活動影響，在沿海地區(qū)百米深度內沉積了3～4層海相地層，分布在鹽山－滄州－黃驊－天津一線沿海平原地區(qū)。該區(qū)淺層無淡水，地下水水質結構由 “咸水—深層淡水”二元結構過渡為 “全咸水”一元結構，咸水體底界線埋深大于200 m。

5.1.2 現(xiàn)代海水入侵

滄州沿海存在咸水越流補給深層淡水，咸水底界線呈垂向下移和水平西移趨勢。20世紀70年代初，咸水界線埋深向東至南運河以東120～160 m，黃驊海興大于200 m；而到20世紀90年代末，形態(tài)與20世紀70年代相似，東部濱海大于250 m，咸淡水界線埋藏深度明顯下降。咸淡水界線為80 m的前緣向西移動7.2 km，下移量一般在10～30 m，下移速率一般為0.4～1.0 m/a。界線下移最嚴重的地區(qū)恰恰是水位下降嚴重的黃驊一帶，黃驊200 m埋深線向西推移6.3 km，160 m埋深面積由12.79 km增加到244.7 km［11］。

5.2 唐山濱海平原區(qū)

唐山濱海平原受古海水入侵和現(xiàn)代海水入侵共同作用。

5.2.1 古海水入侵

據(jù)已有地質資料，自晚更新世以來，唐山濱海平原曾歷史上至少發(fā)生過4次規(guī)模大小不等的海侵，以最近一次海侵范圍分布最廣，形成了海相成因咸水體，視為古海水入侵，分布情況如表1和圖1所示［10］。

表1 唐山沿海晚更新世以來海侵范圍說明

5.2.2 現(xiàn)代海水入侵

唐山沿海平原現(xiàn)代海水入侵方式主要有咸水順層浸染淺層淡水、越流補給深層淡水，及“天窗”式入侵。

（1）咸水順層浸染淺層淡水

樂亭縣境內賦存淺層淡水，淡水體厚度約20～60 m，由于取水方便經(jīng)濟，是生活和農田灌溉的主要供水水源，隨著淺層淡水開采量的逐年增加，造成局部淡水水位普遍低于咸水位，導致咸水順層侵染淺層淡水。

據(jù)1996—1997年淺層咸淡水界線和20世紀80年代初淺層咸淡水界線對比，在樂亭縣張各莊、湯家河一帶，其咸淡水界線已向北推移1.5～5.75 km，侵入面積20.3 km2左右［10］。

據(jù)樂亭崗子監(jiān)測井 （18m），1998年礦化度為522.8 mg/L，氯離子含量103.5 mg/L，2001年分別為1 186.4 mg/L及375.1 mg/L，2009年分別為1 035.2 mg/L及2 429.4 mg/L，水質咸化程度逐年加?。?3］。

據(jù)2010年初步確定的樂亭沿海咸淡水界線圖，在醋李莊村至獨幽城劉莊一線，咸淡水界線向西北方向推進了1.7 km；在三家子村至孫莊村一線，咸淡水界線向北推進了2.4 km［12］。

可見，現(xiàn)狀開采條件下，咸水會繼續(xù)侵染淡水含水層，咸淡水界線有繼續(xù)向淡水區(qū)方向移動的趨勢。

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（2）越流補給深層淡水

唐山沿海平原區(qū)，受寧河唐海深層地下水漏斗影響，咸水通過越流補給而侵染深層淡水的現(xiàn)象是普遍和大面積存在的，而這種入侵地面沒有明顯表征，影響因素較為復雜，防御和治理難度較大。

圖1 唐山沿海第四紀海侵范圍分布

唐山市濱海平原深層淡水氯離子、礦化度含量背景值分別為49.3 mg/L和366.7 mg/L，而南堡堿廠供水井2003年地下水中氯離子及礦化度含量分別為52.5 mg/L和373.2 mg/L，均超過背景值，有咸化趨勢。

樂亭沿海地區(qū)咸水底板下移情況比較明顯，特征為在區(qū)域上呈整體均勻下移，局部出現(xiàn)咸水底板下降漏斗。在樂亭沿海地區(qū)內形成了以姜各莊－董莊－胡家坨和王灘－京唐港－大清河鹽場為中心的兩個咸水底板下降漏斗，中心分別為姜各莊西海村和王灘鎮(zhèn)八家子。咸水底板的下移，主要是深層淡水開采量增加，水位下降而引起的［12］。

（3）“天窗”式入侵

1976年唐山大地震時，地震力的剪切作用使許多水井遭到破壞，景觀破裂、錯位、井壁坍塌，大部分報廢，又未進行有效地隔水封閉處理。80年代后，隨著深層淡水水位的急劇下降，形成上覆咸水向下滲漏，浸染深層淡水含水層。此外，沿海地區(qū)一些供水井成井質量低，止水效果差，造成咸水以 “天窗”方式沿井壁直接向深層淡水滲漏，侵染淡水含水層。如豐南市尖字沽吃水井1994年施工，井深210 m，使用1個月后水質變咸，1997年取樣化驗分析結果為氯離子1 948 mg/L，礦化度3.44 g/L，該區(qū)200 m深度內水質有不同程度的咸化，浸染面積約1.5 km2。

5.3 秦皇島濱海平原區(qū)

秦皇島市海水入侵地質災害十分嚴重，相關部門已列為河北省地質災害重點防治區(qū)［14］。秦皇島濱海地區(qū)存在洋戴河平原入侵區(qū)、北戴河新河海水入侵區(qū)、湯石河平原入侵區(qū)和昌黎濱海入侵區(qū)［15］。

5.3.1 古海水入侵

秦皇島濱海平原區(qū)受晚更新世以來冀東平原的四次海侵影響，尤其是第四次海侵：自西向東從玉田的虹橋經(jīng)豐潤的雙喜莊、豐南黃各莊、灤南喑牛淀、樂亭姜各莊及昌黎團林，止于秦皇島 （圖1），古海水的積留形成了昌黎濱海平原咸水區(qū)，其分布形態(tài)為大致平行海岸線波形條帶狀，自西向東逐漸變窄。

5.3.2 現(xiàn)代海水入侵

（1）海 （咸）水順層入侵

洋戴河平原入侵區(qū)為沿含水層和斷裂帶順層入侵，入侵范圍西起人道河的撫寧縣溝兒灣村，東北方向延伸至南李莊、西河南、過洋河繼續(xù)北向東方向至都寨，再折向東南經(jīng)棗園、白玉莊村北直到戴河左岸，入侵形態(tài)受控于地下水降落漏斗、入侵通道等，最大入侵距離為2009年的6.8 km。該區(qū)海水入侵最嚴重危害最大，2006—2010年入侵范圍逐年縮小，但幅度不大 （表2）。

北戴河新河入侵區(qū)屬于沿構造帶海水入侵區(qū)，其南靠赤土山、北臨海濱林場，最大入侵距離為2006年的4.25 km。該區(qū)海水入侵范圍隨降雨量變化而變化，入侵范圍有縮小趨勢，以2008年面積最小 （表2）。

湯石河入侵區(qū)受降水情況影響較大，呈點狀分布在山海關南李莊、曉營附近，及山海關老龍頭附近。在市區(qū)以老工業(yè)區(qū)集中的海港區(qū)面積較大；此外，海港區(qū)卸糧口村因小型水源地長期開采和挖砂采砂等因素發(fā)生海水入侵，也是海水入侵較重的區(qū)段。該區(qū)最大入侵距離為2006年的5.67 km；2006—2008年總入侵面積呈減小趨勢，以2006年面積最大，2008年面積最小，2009—2010年入侵面積逐年有小幅增加 （表2）。

表2 2006—2010年海水入侵面積統(tǒng)計［14－16］

昌黎濱海平原入侵區(qū)存在淺層淡水，受地下水開采影響，咸淡水界線向內陸方向移動。據(jù)相關資料，該區(qū)從歇馬臺村向東南至小蒲河東，淡水含水層呈連續(xù)分布，同時存在不連續(xù)分布的透鏡體狀咸水體 （與南排污渠等地表水體的補給有關，存在局部地表咸水體入侵），海水入侵界線位于大蒲河和小蒲河之間，入侵距離約5.7 km［17］。

（2）咸水越流補給深層淡水

昌黎濱海平原入侵區(qū)由海岸線向內陸延伸寬度2～10 km，呈與海岸線平行的北東向長條形分布，分界線大體由人道河右岸的西蘇撐子村向西南方向經(jīng)大蒲河、潮河、西新立莊、茹荷至灤河尼龍壩。該區(qū)2006－2008年入侵程度平緩，2009－2010年入侵加劇，入侵面積2006年最小，2009年最大為234.24 km2；總的趨勢是入侵面積增大，入侵速率不均衡，河口以及開采中心區(qū)入侵速率大，入侵體形態(tài)變化不大，略呈參差不齊方向發(fā)展，該區(qū)有咸水和海水混合入侵的趨勢。

可見秦皇島沿?，F(xiàn)代海水入侵災害，自東向西因濱海平原分布面積逐步展寬，入海河流影響增大，其影響強度逐漸增強。該區(qū)域受降水量影響較大，這說明在入滲條件較好的秦皇島地區(qū)降雨量與海水入侵程度呈負相關，且關系密切，可以通過調節(jié)地下水的補給有效防治海水入侵。

6 海水入侵危害

（1）淺層地下淡水被咸化，土壤通過毛細作用產(chǎn)生鹽漬化，導致土壤生態(tài)肥力下降，農業(yè)減產(chǎn)。此外，沿海地區(qū)有較多機井因腐蝕破壞或含水層水源不宜使用而報廢，重新鉆井增加了農民的生產(chǎn)成本。

（2）增強了地下水的腐蝕能力，使用被侵染的地下水將加速工業(yè)管道、設備的腐蝕和老化，縮短設備使用年限，增加企業(yè)運營成本；此外，咸化的地下水將腐蝕沿海城鎮(zhèn)工業(yè)、民用建筑基礎，威脅建筑安全。

（3）破壞了沿海地區(qū)居民飲用水源地，導致飲用水資源減少，如秦皇島撫寧棗園水源地，因海水入侵造成一部分水源井報廢，致使水源地的供水能力下降。

（4）造成沿海地下淡水資源減少，將限制濱海地區(qū)工業(yè)企業(yè)的規(guī)劃和布局，不利于沿海經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。

7 海水入侵防治分析

7.1 海水入侵防治對策

隨著海水入侵程度的加劇和危害影響的加深，人們對海水入侵認識加深，政府對海水入侵災害相關研究和防治投入力度加大，海水入侵防治措施由最初依靠在淡水區(qū)重新建立采區(qū)這種普遍的無序的被動防御方式，轉變?yōu)椴扇“ㄅd建防潮堤、攔蓄補源、引調客水、節(jié)水以及抽咸補淡等主動手段。

（1）建立海水入侵災害防治機制?，F(xiàn)狀條件下，防治目標為維持咸、淡水界線達到動態(tài)的平衡，將其控制在一個可容忍的程度，并有逐年減小的趨勢［17］。這也說明了海水入侵防治工作具有長期性、持續(xù)性的特點，因此需要建立一種長效的工作機制，對海水入侵發(fā)展、治理工程的效果和環(huán)境后效應等進行跟蹤調查、監(jiān)測和研究，及時發(fā)現(xiàn)問題并提出應對措施。

（2）制定海水入侵災害防治規(guī)劃。海水入侵災害防治不只是水文地質學范疇內的技術問題，而是牽扯資源利用和環(huán)境保護等相關區(qū)域發(fā)展的重要課題。因此在制訂防治方案時既要考慮到海水入侵類型、方式和層位等因素，又要結合生態(tài)恢復、環(huán)境保護等問題，以一種綜合防治體系納入海水入侵災害防治規(guī)劃中。

（3）控制地下水開采量。地下水超采是誘發(fā)海水入侵的最主要因素，故需要嚴格執(zhí)行地下水限采制度，劃定限采區(qū)和禁采區(qū)，給出開采閥值，如洋戴河入侵區(qū)為3 000萬m3/a，湯石河入侵區(qū)為1 800萬 m3/a［7］。

（4）建造攔蓄補源和地下水回灌工程。主要包括河口防潮壩、沿岸地下水庫和滲渠、滲井回灌補給地下水等，旨在抬高地下淡水水位。該措施只要合理利用，成效顯著，特別是對于入海流量巨大的河流，應積極提倡；而回灌井直接回灌范圍小，存在淤塞、壽命短、造價高等問題，適宜局部地區(qū)的補源調蓄。如秦皇島洋戴河平原，在洋河口、戴河口可采用橡膠壩工程，在地下水漏斗區(qū)可修筑帷幕工程，形成沿岸地下水庫，一方面阻止海水入侵，另一方面攔蓄淡水，大大緩解了該區(qū)海水入侵程度［8］。

（5）淡水帷幕工程。淡水帷幕工程的基本條件是要有淡水資源，其采用以溝渠入滲為主的工程布局。通過在淡水帷幕附近形成與入侵界線平行的高水位帶，形成淡水屏幕，阻止咸水侵入。

（6）調水工程。這是 “客水論”的產(chǎn)物，該方法基于北方水資源短缺的現(xiàn)實和未來用水需求增長的根本措施。如南水北調貫通后，滄州黃驊沿?？梢杂镁惩馑Y源替代深層地下水資源，緩解深層水開采壓力。

（7）建造剛性工程。主要指建造防潮堤和地下壩工程等剛性工程措施，通過直接切斷淡水與咸水的聯(lián)系來達到控制海水入侵的目的。此種方法類似于荷蘭式的填海造陸防潮工程，成功應用于山東省萊州市朱家村防治海水沿地表和河口的入侵工程中［18］。

（8）抽咸補淡。抽咸補淡是指在咸水區(qū)大量抽取地下咸水，形成抽水帷幕，在淡水區(qū)興建淡水水庫，以淡壓咸，從而達到防治海水入侵的目的。潮間帶抽咸養(yǎng)殖工程應用較多，形成抽水帷幕，降低了咸水水頭，客觀上起到了阻止海水沿地下含水層的入侵的目的。

（9）推廣海 （咸）水淡化工程。淡化工程技術可行但造價較高，在條件許可且經(jīng)濟可行的情況下，積極推廣海 （咸）水淡化工程，確保居民生活用水，可減少地下水開采量。

7.2 海水入侵防治方法選擇

河北省海水入侵災害防治宜建立海水入侵災害防治長效機制，在海水入侵災害防治規(guī)劃指導下，結合海侵的特點，以 “合理開采”和“節(jié)水”為基礎輔以其他適合的防治措施。

滄州沿海平原地區(qū)的海 （咸）水入侵導致了咸水底界下移，其主要因素是超采深層地下水資源，所以嚴格控制水源井建設、合理布局和開采地下水資源是關鍵，此外，引用 “客水”作為灌溉和引用水源也可以緩解地下水供給壓力，減緩咸水底界下移的速度。

唐山沿海平原地區(qū)海 （咸）水入侵情況較為復雜，治理難度較大。海 （咸）水入侵呈現(xiàn)“水平和垂向”方式運移的特點，治理措施也當區(qū)別選擇：針對咸水水平浸染淺層淡水含水層，可以采用建造攔蓄補源、地下水回灌工程、淡水帷幕和調水工程相結合的措施，增加地下水的補給量；而對于咸水垂向越流侵染深層淡水，因含水層厚度大、埋藏深，天窗入侵點不好掌握，目前還缺乏有效的防治實踐措施，筆者認為可以采用地下水補給區(qū)攔蓄補源，局部通過回灌井直接對地下水進行補給的措施。

秦皇島沿海地區(qū)海水入侵研究程度相對較高，治理工程實施較早，目前采用的措施主要有建造攔蓄補源和地下水回灌工程、調水工程和抽咸補淡工程等措施，筆者認為秦皇島具有從山前平原直接到沿海平原的地貌特征，包氣帶入滲條件好且補給路徑短，地下水動態(tài)受氣象條件直接影響，因此適宜大力推廣攔蓄補源、地下水回灌工程和淡水帷幕工程，其治理效果顯著。

8 結束語

總之，河北沿海平原海水入侵災害是目前沿海城市發(fā)展和經(jīng)濟社會建設的瓶頸問題，若不及時加以防治，危害將日益嚴重。它以古海水入侵和現(xiàn)代海水入侵共同存在，特別是現(xiàn)代海水入侵廣泛分布于唐山、秦皇島沿海平原區(qū)?，F(xiàn)代海水入侵有面狀、帶狀、點狀、天窗入侵的特點，究其成因存在三方面主要因素：干旱少雨、水資源不足是海水入侵的背景因素；地質因素是海水入侵的基礎條件，控制著海水入侵的分布、途徑和方式；不合理的人類活動是誘發(fā)條件，控制著海水入侵的速度和程度。河北沿海海水入侵的防治宜區(qū)別不同地區(qū)、針對不同的入侵源，結合入侵成因和特征以及不同地質條件，分別采取不同的防治措施，達到最佳治理效果。

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