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(zhì)工程勘察院，山東 德州 253015)

1 研究區(qū)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(shì)低平，無(wú)大的起伏，海拔標(biāo)高5～10m,為煙臺(tái)、威海、青島聯(lián)結(jié)京津地區(qū)的樞紐位置，地理位置優(yōu)越，境內(nèi)公路、鐵路四通八達(dá)，交通十分便。

1.1 地質(zhì)概況

博興縣位于濟(jì)陽(yáng)拗陷區(qū)內(nèi)，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?，F(xiàn)將新生代地層由老到新分述如下：

(1)新近系：新近紀(jì)上新世明化鎮(zhèn)組為沖積、湖泊相沉積和山前沖洪積物交錯(cuò)沉積，厚度700～800m。巖性以砂質(zhì)粘土為主，間夾粘土和砂層，顏色主要為灰褐、棕紅、灰綠色，結(jié)構(gòu)致密，多為固結(jié)及半固結(jié)狀，普遍含鈣質(zhì)結(jié)核和螺殼碎片，局部含鈣質(zhì)沉積物和石膏。

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

(3)第四紀(jì)中更新統(tǒng)：為沖積和湖積相沉積，巖性以土黃、灰黃、灰綠色粘質(zhì)砂土為主，砂質(zhì)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(jì)上更新統(tǒng)：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(zhì)砂土、砂質(zhì)粘土及砂層，中層為土黃、灰黃粘質(zhì)砂土及灰黑色淤泥質(zhì)粘質(zhì)砂土，下層為黃灰、土黃色粘質(zhì)砂土及砂層。

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

Relationship of spiral rain bands and horizontal vorticity in typhoon Morakot

1.2 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水類型為孔隙水，根據(jù)含水層的水力性質(zhì)和埋藏特點(diǎn)，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(xì)砂、細(xì)砂為主，厚度15～25m。單井出水量30～50m3/h，水化學(xué)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?yōu)?～3g/L的微咸水，水位埋深1～3m。地下水以垂向運(yùn)動(dòng)為主，主要接受大氣降水和灌溉回歸水補(bǔ)給，以人工開(kāi)采和蒸發(fā)為主要排泄途徑。

(2)中深層承壓水。埋深60～500m。由于受基底構(gòu)造基礎(chǔ)上的古地形及河湖相發(fā)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(xì)砂、細(xì)砂、中細(xì)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(xué)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(xì)砂、細(xì)砂、中細(xì)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(xué)類型為HCO3-Na型，水溫一般23～25℃。由于地下水常年超采，博興鎮(zhèn)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(qū)域性降落漏斗連為一體。該部分地下水是區(qū)內(nèi)生活及工業(yè)用水的主要水源。

2 咸水入侵現(xiàn)狀分布

博興縣地形平坦，地下水徑流滯緩，以垂直蒸發(fā)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(chǎn)生咸水入侵。區(qū)內(nèi)淺層地下水位埋深淺但絕對(duì)標(biāo)高低，地下水流向易于改變，當(dāng)?shù)灰蛉藶殚_(kāi)采低于咸水水位時(shí)，咸水很快入侵到淡水含水層而成為咸水入侵區(qū)。

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

表1 取樣點(diǎn)礦化度、氯離子含量

博興縣淺層咸水入侵現(xiàn)象主要呈帶狀分布在博興縣小清河以南地區(qū)(圖1)，形成原因主要是博興南部淺層地下水大量開(kāi)采，從而導(dǎo)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(bǔ)給，打破了南北咸淡水的平衡界線。博興咸水入侵的方向?yàn)橛杀毕蚰?，現(xiàn)狀年咸水入侵界線在利王—辛張—寨高—魯崔一線，20世紀(jì)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(hào)及礦化度(mg/L)圖1 博興縣咸水入侵現(xiàn)狀圖

3 咸水入侵的原因

咸水入侵是在天然和人類活動(dòng)復(fù)合作用下地下咸、淡水共同運(yùn)動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程。地質(zhì)和水文地質(zhì)條件是咸水入侵形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，人類不合理的工程、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)則是引發(fā)咸水入侵的主要因素[1-2]。

(1)氣候。氣候?qū)ο趟肭制鹬匾淖饔?，?0世紀(jì)80年代以來(lái)，濱州市持續(xù)干旱，造成地下水補(bǔ)給量、地表河流徑流量減少和地下水開(kāi)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(dòng)態(tài)平衡被破壞[3-11]。

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

(3)地形地貌。博興縣地勢(shì)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(tài)以高地和坡平地為主，沿小清河地段地面標(biāo)高相對(duì)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(fā)生變化，為咸水入侵提供了條件。

(4)地下水過(guò)量開(kāi)采。20世紀(jì)70年代末、80年代初，當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，用水需求量急劇增加，地下水開(kāi)采量急劇增長(zhǎng)，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(qū)；2—2～4m埋深分區(qū)；3—4～6m埋深分區(qū)；4—6～8m埋深分區(qū)；5—大于8m埋深分區(qū)；6—等水位線；7—埋深分區(qū)界線；8—地下水流向；9—河流排泄地下水；10—水位標(biāo)高及埋深(m)圖2 博興縣等水位線圖

4 咸水入侵的現(xiàn)狀及演化趨勢(shì)

4.1 現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代以來(lái)，博興縣地下水動(dòng)力場(chǎng)發(fā)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(dá)20m以上，且在淡水區(qū)出現(xiàn)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?yōu)橛杀毕蚰舷趟饾u入侵，入侵體在平面上呈面狀入侵，在剖面上呈楔狀形態(tài)，博興縣現(xiàn)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(jiǎn)圖見(jiàn)圖3所示。

1—含水砂層；2—粘質(zhì)砂土；3—地下水水位線圖3 咸水入侵示意簡(jiǎn)圖

4.2 演化趨勢(shì)

對(duì)咸水入侵的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，必須明確2個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是地下水的開(kāi)采，另一個(gè)就是地下水的補(bǔ)給[12-15]。博興南部淺層地下淡水主要用作農(nóng)田灌溉，因井灌區(qū)灌溉水利用率提高難度大，耕地面積保持穩(wěn)定，故井灌區(qū)農(nóng)灌開(kāi)采量也不容許再減少，基本維持目前開(kāi)采水平或稍有減少。博興縣淺層地下水歷年開(kāi)采量見(jiàn)表2所示。

表2 博興縣淺層地下水歷年開(kāi)采量

該區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源為降水入滲補(bǔ)給，占總補(bǔ)給量的70%以上，根據(jù)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(shí)該區(qū)地下水還接受南部山區(qū)地下水的補(bǔ)給，可以說(shuō)該區(qū)地下水的補(bǔ)給量比較穩(wěn)定。

由表2可知：博興縣淺層地下水的開(kāi)采近幾年呈逐漸并減少趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，補(bǔ)給量也較穩(wěn)定，因此推斷井灌區(qū)淺層地下水的補(bǔ)給與開(kāi)發(fā)利用處于相對(duì)平衡狀態(tài)，北部的咸水與南部的淡水處于相對(duì)平衡，咸水入侵趨勢(shì)減弱。而通過(guò)分析多年的監(jiān)測(cè)資料，也間接證明了這一趨勢(shì)：博興南部漏斗區(qū)地下水水位近年處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，并沒(méi)有出現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì)(表3)。如曹王村監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位在補(bǔ)給和開(kāi)采的共同作用下，近幾年變化趨于平緩，甚至在最近幾個(gè)年份出現(xiàn)水位回升的現(xiàn)象(圖4)。而博興南部的漏斗區(qū)范圍也趨于平緩，沒(méi)有明顯加重的趨勢(shì)(表3)。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，推斷目前博興縣淺層咸水入侵處于相對(duì)平衡狀態(tài)。

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(jié)論

(1)博興咸水入侵的方向由北向南，現(xiàn)狀年咸水入侵界線在利王—辛張—寨高—魯崔一線，20世紀(jì)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(xiàn)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(duì)平衡狀態(tài)。

(4)地下水過(guò)量開(kāi)采是博興縣南部地區(qū)產(chǎn)生咸水入侵的主要原因之一。因此建議調(diào)引客水進(jìn)行灌溉，補(bǔ)充地下水，使其水位抬升，阻止咸水入侵；加強(qiáng)用水管理，嚴(yán)禁超量開(kāi)采南部淡水；并且建立長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)及時(shí)掌握咸水入侵的動(dòng)態(tài)變化和發(fā)展趨勢(shì)，為制定預(yù)防、治理措施提供科學(xué)依據(jù)。