鄧興 陳康 劉雪友

摘 要：咸水入侵問題是水文地質(zhì)研究中的一個重要課題。本文以衡水市為例重點介紹了咸水成因、分布以及咸水入侵的機理，綜述了水質(zhì)變化、水質(zhì)預測以及咸淡水界面變化的研究現(xiàn)狀，總結(jié)出咸水入侵的應對措施，為地下水資源的合理開發(fā)利用和淡水資源的保護提供理論依據(jù)。

關鍵詞：咸水入侵;地下水水質(zhì);咸淡水界面

引言

咸水入侵指的是在人類活動影響下淡水水量和水位的降低，天然狀態(tài)下咸淡水之間的平衡被打破，導致咸淡水交界面向淡水一側(cè)推進，直到達到新的平衡狀態(tài)。

快速發(fā)展的社會經(jīng)濟對于水資源的需求不斷增大，自然界水資源的有限性要求人們必須加強對水資源的管理[1]。衡水市位于華北平原的中部，地表水資源極度匱乏，地下淺部蘊含著大量的咸水，在咸水之下的深層水就是衡水市主要開采的淡水水源。自20世紀70年代以來，衡水市經(jīng)濟發(fā)展迅速，工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展導致需水量大量增加，20世紀80年代以后，由于降水量減少，為了滿足發(fā)展的需求，衡水市大量超采地下水，導致淺層淡水水質(zhì)咸化和咸淡水界面下移，已經(jīng)嚴重威脅到了衡水市的供水安全。因此，衡水市地下水水質(zhì)以及咸淡水界面的變化成為人們急需研究的重要問題。

1 咸水成因及入侵機理

1.1 咸水成因

衡水市全區(qū)除深州北部、安平、饒陽西北部地區(qū)有全淡水區(qū)外，其它地區(qū)均有咸水體分布[2]，咸水體自西北到東南呈逐漸變厚的楔形體分布。咸水成因大致分為2種類型：海相原生咸水，第四紀發(fā)生多次海進，海相層中地下水化學成分與現(xiàn)代海水近似，說明海相地層沉積的同時，海水沉積于地下而形成高礦化咸水，在地下水形成過程中，原生海水被逐步改造，形成具有濱海特征的海湖積平原區(qū)咸水;陸相次生咸水，該類型的咸水是在氣候、古地理環(huán)境等因素影響下的地下水循環(huán)過程中形成的[3]。

1.2 咸水入侵機理

1.2.1 淺層咸水入侵淺層淡水

淺層地下水開采區(qū)大量開采淺層淡水，周圍咸水水頭高于淡水，打破了咸淡水之間原有的動態(tài)平衡，造成咸水區(qū)向淡水一側(cè)擴散，咸水區(qū)面積不斷擴大，形成咸水入侵。根據(jù)咸水入侵機理理論分析，衡水地區(qū)淺層水咸化現(xiàn)象由于大量開采淺層水而不斷加劇，但實際研究表明淺層咸水有淡化趨勢，并且淡化速度較快。周曉妮等[3]將所取衡水市淺層水樣品礦化度與多種離子化學成分含量間的相關關系進行分析，結(jié)合前人所做研究[4]發(fā)現(xiàn)1982—2006年衡水地區(qū)淺層地下水礦化度不斷減小，得出淺層咸水淡化的結(jié)論，結(jié)合相關研究通過分析認為，該地區(qū)淺層咸水淡化的原因主要是大量開采深層淡水導致咸水體下移，降水入滲填充了淺部空間，造成咸水淡化。

1.2.2 淺層咸水入侵深層淡水

衡水市深層水降落漏斗形成于20世紀70年代，這一時期工、農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，用水量需求持續(xù)增加，為了滿足發(fā)展的需求，衡水市大量開采深層地下水，長期的持續(xù)超采導致地下水水位持續(xù)下降，深、淺層水之間形成巨大水頭差，為上部淺層咸水越流補給深層淡水提供了水動力條件，最終造成咸水入侵問題[5]。

2 水質(zhì)及咸淡水界面變化研究

分析前人所做研究并綜合咸水成因以及咸水入侵機理，發(fā)現(xiàn)咸水入侵問題的研究主要集中在2個方面：水質(zhì)變化研究和水質(zhì)預測及咸淡水界面變化研究。

2.1 水質(zhì)變化研究

地下水水質(zhì)變化的研究主要是研究地下水的化學成分在各種因素影響下時間和空間上的變化。對于地下水水質(zhì)變化研究的方法較多，例如內(nèi)梅羅指數(shù)法、模糊數(shù)學、物元可拓法、集對分析法、綜合指數(shù)法、單因子評價法、灰色聚類法等。

國外對于地下水水質(zhì)變化的研究較多。1993年M Loizidou等[6]對雅典地區(qū)垃圾填埋場周圍地下水進行取樣監(jiān)測發(fā)現(xiàn)滲濾液對地下水水質(zhì)影響較大。1999年X.Song等[7]運用化學及同位素技術對Sri Lanka西部地區(qū)的水質(zhì)演化進行研究，發(fā)現(xiàn)地下水中主要離子的濃度和電導率的變化與季節(jié)的相關性較小。1991年荷蘭建立了國家地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)庫（INGRES），1991年美國地質(zhì)調(diào)查局開始執(zhí)行國家水質(zhì)評價計劃[8]。2011年Polat等[9]對季節(jié)性地下水水質(zhì)變化進行評價。2016年Takeshi Saito等[10]研究了地下溫度變化對地下水質(zhì)量變化的影響，測試了幾種組分的隨溫度的變化趨勢。

20世紀90年代以來國內(nèi)對于水質(zhì)變化也做了大量的研究。沈照理[11]在“水文地球化學基礎”中對地下水化學成分的特征進行了詳細講述。張宗祜等[12]描述了華北平原地下水環(huán)境的演化與發(fā)展。邱漢學等[13]敘述了海水入侵區(qū)地下水化學成分的形成作用。高太忠等[14]通過取樣對比分析發(fā)現(xiàn)武邑縣圈頭地區(qū)淺層淡水有被咸化的現(xiàn)象，并對20世紀80—90年代的水位埋深進行分析，得出河北平原地下水位持續(xù)下降、水資源逐年衰竭的結(jié)論，提出實現(xiàn)水資源和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的對策。趙勇勝等[15]將水質(zhì)預警模型與GIS技術相結(jié)合，建立地下水水質(zhì)預警系統(tǒng)，并且應用于吉林省西部平原地區(qū)地下水水質(zhì)預警。謝菲等[16]分析了涇惠渠灌區(qū)地下水基本特征、地下水化學成分的形成原因以及不同灌溉水源區(qū)地下水的暫時性變化規(guī)律。欒鳳嬌等[17]采用單因子評價法對葉爾羌河流域平原區(qū)農(nóng)村地下水水質(zhì)進行評價，評價結(jié)果符合研究區(qū)的實際情況。

對于水質(zhì)變化的研究國內(nèi)外學者都非常重視，在研究中運用了多種理論方法，為水質(zhì)變化研究做出了大量的貢獻。

2.2 水質(zhì)預測及咸淡水界面變化研究

20世紀初國外就已經(jīng)利用數(shù)學模型研究地下水問題，對于水質(zhì)研究的數(shù)學模型應用開始于20世紀60年代。1976年前蘇聯(lián)科學家作出了對孔隙介質(zhì)中水動力彌散研究的詳細綜述[18]。1972年J.Fried[19]通過對經(jīng)典模型和水動力彌散方程的研究，提出了新的水動力彌散方程。Birkholzer等[20]利用美國地質(zhì)調(diào)查局NWIS數(shù)據(jù)庫建立了含水層地球化學模型。Ben V.Furlong等[21]利用區(qū)域地下水流動模型預測區(qū)域井水水質(zhì)分布。2016年Sakizadeh等[22]采用神經(jīng)網(wǎng)絡、神經(jīng)網(wǎng)絡集成神經(jīng)網(wǎng)絡和貝葉斯正則化神經(jīng)網(wǎng)絡對地下水水質(zhì)指數(shù)進行了預測，并對3種預測方法的性能進行了對比。近年來隨著溶質(zhì)運移模型的廣泛研究，獲得的成果越來越多。

國內(nèi)對于地下水水質(zhì)模型的研究開始于20世紀80年代。吳吉春等[23]首次建立了越流含水層系統(tǒng)的地下水污染數(shù)學模型，并且導出了包括越流項和井流項的溶質(zhì)運移方程。1982年鄧聚龍教授[24]提出了灰色系統(tǒng)理論，實現(xiàn)了對地下水水質(zhì)的科學預測，其中的GM（1，1）模型是常用的預測模型。孫鳴等[25]詳細敘述了GM （1，1）模型的建模、精度檢驗和模型修正過程，并以大武水源地為例預測了水質(zhì)變化趨勢。呂海濤等[26]指出了應用灰色模型時注意的問題。近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡的預測應用發(fā)展迅速，劉國東等[27]以成都市金堂縣東風水庫水質(zhì)資料為例，建立了地面水水質(zhì)綜合評價的BP人工神經(jīng)和Hopfield網(wǎng)絡模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Hopfield網(wǎng)絡更優(yōu)于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡。王秉忱等[28]對地下水污染與水質(zhì)模擬實驗的基本理論作出敘述，以濟寧市區(qū)地下水污染發(fā)展為例建立地下水動力彌散方程并展示了詳細的求解過程，指明求解過程只適用于以彌散為主的問題。郭永海等[29]對河北平原地下水環(huán)境進行模擬，結(jié)果表明咸水入侵深層淡水并不是簡單地機械混合，其中發(fā)生了多種物質(zhì)的溶解、沉淀、陽離子交換等水文地球化學作用。吳吉春等[30]通過野外實地調(diào)查，建立山西柳林泉裂隙發(fā)育區(qū)三維可混溶溶質(zhì)運移模型，將模擬結(jié)果與實際情況對比，證實三維模型的建立是合理的。苗添升等[31]為了減小參數(shù)取值的偶然性，提高模擬結(jié)果的合理性，使模擬結(jié)果更具參考價值，使用蒙特卡洛方法對地下水數(shù)值模擬模型進行不確定性分析。趙春蘭等[32]利用Modflow和MT3D軟件模擬垃圾滲濾液對地下水水質(zhì)的影響。杜超等[33]采用VB語言編程技術建立了下遼河平原地下水水質(zhì)預測模型。王現(xiàn)國等[34]利用PHREEQC軟件對三門峽盆地地下水化學成分進行了水文地球化學模擬，對地下水化學環(huán)境演化過程定量評價。張將偉等[35]以河谷地區(qū)為原型建立地表水地下水的水流水質(zhì)聯(lián)合模擬模型，應用HydroGeoSphere軟件對構建的模型進行求解，對未來水流和總氮的變化特征進行預測。武雅潔等[36]利用OpenGeoSys軟件建立二維飽和多孔介質(zhì)變密度地下水流的溶質(zhì)運移模型，對地下截滲墻影響下的咸水入侵問題進行了數(shù)值模擬。隨著近年來計算機模擬軟件的推廣，地下水水質(zhì)模擬預測的技術日趨成熟，準確度也越來越高。

國內(nèi)對于咸水入侵問題的研究始于20世紀80年代后期，通過觀察咸淡水界面位置的改變可以看出咸水入侵的趨勢，是對咸水入侵最直觀的體現(xiàn)。薛禹群，吳吉春等對這一方面研究較多。薛禹群等[37]在研究咸水入侵問題時，認為對水頭和鹽分在垂向上的動態(tài)變化分析是十分重要的，最好的辦法是建立三維監(jiān)測網(wǎng)，進行長期觀測，通過設置長期監(jiān)測點可以更好地觀察咸水體的運移趨勢，為咸水入侵的動態(tài)監(jiān)測提供基礎資料。明木河等[38，39]對衡水市咸淡水界面的變化做了大量研究。出于對咸淡水界面運移預測中突變界面模型和動力彌散界面模型等確定性模型方法局限性的考慮，潘世兵等[40]運用灰色建模原理提出一種非確定性模型方法-灰色突變模型方法，并應用于廣饒縣井灌區(qū)咸水入侵模擬預測，模擬結(jié)果表明灰色突變模型方法具有簡潔有效的特點，但是這種模型方法的應用必須要具備系列長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且只適用于淺層咸水入侵趨勢的研究，其中山東省廣饒縣水利局針對咸淡水混合區(qū)布置了咸水入侵監(jiān)測網(wǎng)，為咸淡水界面運移規(guī)律分析和預測提供了基礎數(shù)據(jù)和資料。王永昌等[41]認為，氣候和過量開采地下水是導致滄州地區(qū)咸水入侵的主要原因，通過搜集河間市300諸多深機井資料，將各測井的咸水底界埋深值及成井時間與背景值（1967年）對照比較，證實了20世紀60—90年代近30a的時間內(nèi)河間市咸水底界面全市平均下移10.69m。牟純?nèi)宓萚42]對河北省典型區(qū)咸淡水界面下移現(xiàn)狀和機制進行了分析。張亞哲等[43]將礦化度的大小作為咸淡水分界的指標，詳細論述河北平原地下咸水的分布及儲量，并且利用多年的動態(tài)監(jiān)測結(jié)果證實咸淡水界面呈下移趨勢，提出咸水的開發(fā)利用應遵循“以用為主，以用促改”的策略。張素娥等[44]利用典型井孔礦化度的動態(tài)監(jiān)測值證實了衡水市在淺層咸水分布區(qū)均有不同程度的咸水入侵深層淡水現(xiàn)象，并指出超采深層地下水是導致咸水入侵深層淡水的主要原因，通過統(tǒng)計物探測井資料計算出了咸淡水界面下移的多年平均值。費宇紅、張兆吉、宋海波等[45]對華北平原咸水入侵問題研究較多，通過對地下水水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測、機電測井、成井物探等資料的分析，證實了咸淡水界面下移的事實，并提出地下水開采是造成咸淡水界面下移的主要原因。孫曉敏等[46]利用取自研究區(qū)的原狀土進行室內(nèi)化學滲透模擬試驗，實驗結(jié)果表明化學滲透效應在一定程度上會影響咸水下移的速度。周曉妮等[47]對咸淡水界面的空間分布特征及其演變的過程進行了野外觀測。

大量學者針對咸水入侵問題從入侵機理、入侵速度、咸淡水界面運移預測、水質(zhì)變化預測、微咸水、咸水的開發(fā)利用等諸多方面進行了研究，研究成果對于防治咸水入侵問題具有重要意義。

3 咸水入侵問題的應對措施

3.1 減少地下水的開采

根據(jù)咸水入侵的機理，防止咸水入侵問題最直接的方式是減少對地下水地開采，通過合理規(guī)劃地下水的開采量，可以有效地控制地下水位，減小咸淡水之間的水頭差。以研究所得的結(jié)論作為科學依據(jù)，為當?shù)厮Y源的開發(fā)利用提出合理化建議。

3.2 開發(fā)利用咸水、微咸水

前人對于華北平原咸水灌溉利用問題已經(jīng)做了較多研究，研究結(jié)果表明：對于礦化度大于3.0g/L的地區(qū)，實行咸淡水混合灌溉，通過咸淡水的混合降低灌溉水的含鹽量。在礦化度小于3.0g/L的地區(qū)，可以直接進行灌溉[48，49]。

3.3 建立健全咸水入侵監(jiān)測網(wǎng)和檢測系統(tǒng)

在全市范圍內(nèi)建立咸水入侵三維監(jiān)測網(wǎng)，對地下水水質(zhì)進行動態(tài)監(jiān)測，利用數(shù)值模擬技術建立咸水入侵模型，預測咸水的發(fā)展趨勢。

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