關(guān)于咸水利用方法的探討及前景分析
—— 以青縣咸水區(qū)為例

王振華，趙金召，付仕科，胡博文

河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心，河北 石家莊 050081

0 前言

青縣主要賦存和開采利用的地下水為第四系松散巖類孔隙水[1-3]。區(qū)內(nèi)第四系沉積厚度一般在280～550 m[4]，以第四紀(jì)沉積物的巖性為基礎(chǔ)，以水文地質(zhì)條件為依據(jù)，將第四系含水層組[1]，自上而下劃分為4個(gè)含水層組，即第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水層組，根據(jù)承壓性質(zhì)，第Ⅰ含水層和第Ⅱ含水層上部，為淺層水，第Ⅱ含水層下部和第Ⅲ、Ⅳ含水層為深層水。

青縣屬于沖海積東部平原[5]，該區(qū)域在歷史上就是“九河下梢，苦海沿邊、鹽堿旱澇、低產(chǎn)多災(zāi)”的土地鹽堿嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)[6]，有過(guò)數(shù)次海進(jìn)海退歷程，遺留下很多原生咸水，經(jīng)過(guò)沉積下滲，導(dǎo)致地下水第Ⅰ含水層組和第Ⅱ含水層組全部為咸水，而且開發(fā)利用程度很低。該區(qū)地下咸水體分布廣泛，咸水[7，8]位淺埋，開采程度很低，一直處在“死”水狀態(tài)，這是造成該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，旱澇堿咸長(zhǎng)期存在而不能根治的主要原因。

由于近些年農(nóng)業(yè)灌溉[9-11]大量抽取深層地下水，造成了規(guī)模較大的地下水開采漏斗，造成了嚴(yán)重的地面沉降和一定數(shù)量的地裂縫，對(duì)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境造成了不可逆的影響。為了緩解大型地下水漏斗及區(qū)域地面沉降問(wèn)題，河北省水利系統(tǒng)實(shí)施了深層水壓采，造成農(nóng)灌供水不足，供需矛盾激烈。為了緩解上述問(wèn)題，有必要解決淺層咸水的開發(fā)利用程度低的問(wèn)題。通過(guò)科學(xué)合理開發(fā)利用淺層咸水，加大地下咸水體的開發(fā)，加快咸水體的循環(huán)、調(diào)控淺層地下水位、實(shí)現(xiàn)“排咸、補(bǔ)淡”，消除咸水影響，騰出淺層淡水儲(chǔ)存空間，增持水資源量，減輕深層水資源的超采現(xiàn)狀，改善咸水區(qū)的生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。

1 咸水地質(zhì)條件[12]

第Ⅰ含水層組為潛水-微承壓水，底界埋深23.7～65.6 m，相當(dāng)于全新統(tǒng)（Qh）或上更新統(tǒng)歐莊組（Qp3o）上段底界。含水層巖性為洪泛積、沖洪積間有沼積、海積沉積的粉砂、細(xì)砂層，北東向條帶狀分布。自西向東含水層顆粒變細(xì)，厚度變薄。一般厚5.7～22.7 m，在故河道地帶含水層常見厚度為20～26.87 m。多呈雙層或多層含水結(jié)構(gòu)。地下水水位埋深由西向東逐漸變淺，在1.31～5 m。一般為全淡水或上部淡水、下部咸水類型，以上淡下咸居多，個(gè)別區(qū)域?yàn)槿趟?。根?jù)水質(zhì)分析及地面物探解譯資料，咸水頂界面埋深多在0～30 m。全淡水、微咸水和半咸水主要發(fā)育于故河道或現(xiàn)代河道兩側(cè)，運(yùn)河以東地區(qū)廣泛分布大于5 g/L的咸水，全咸水區(qū)主要分布于青縣東部馬廠鎮(zhèn)一帶。

第Ⅱ含水層組為承壓水，底界埋深在123.7～175.6 m，相當(dāng)于中更新統(tǒng)（Qp3o）底界。含水層巖性以沖洪積、洪泛積、湖積、沼積的細(xì)砂、中細(xì)砂為主，呈北東向條帶狀、舌狀展布，一般厚8～40 m，呈雙層、多層含水結(jié)構(gòu)。與第Ⅰ含水層之間一般都分布有較厚的粘土層或粉質(zhì)粘土層，故垂直入滲補(bǔ)給條件較差，側(cè)向徑流緩慢。受干旱古氣候、海侵等影響，濱海平原區(qū)地下水徑流緩慢，垂向蒸發(fā)作用顯著增強(qiáng)，并成為主要的排泄途徑，加之受海積地層的影響，土層中鹽分很高。大量的資料表明：沉積物顆粒越細(xì)，越容易保存易溶鹽。地下水補(bǔ)給過(guò)程中的淋濾作用，形成了目前的咸水區(qū)[13-14]。

該組地下水以咸水為主，僅在故河道或現(xiàn)代河道兩側(cè)零星分布淡水。自西向東表現(xiàn)為咸水含水層厚度增加的趨勢(shì)（見圖1）。該含水層組地下水礦化度多在5～12 g/L，最高可達(dá)17 g/L。青縣咸水垂向結(jié)構(gòu)（見圖2）。

圖1 滄州地區(qū)咸水分布縱剖面示意圖Fig.1 Profile of salt water distribution in Cangzhou

圖2 青縣淺層咸水垂向分布結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Vertical distribution of shallow salt water in Qingxian County

2 地下水開采現(xiàn)狀

2.1 深層淡水超采現(xiàn)狀

根據(jù)青縣水資源公報(bào)，2017年青縣地下水開采量為4 807.62 萬(wàn)m3，其中農(nóng)業(yè)用水開采量為2 419.62萬(wàn)m3，占比50.33%，生活用水1 596 萬(wàn)m3，占比33.20%，工業(yè)用水開采量為792 萬(wàn)m3，占比16.47%，由此可見農(nóng)業(yè)用水開采量占地下水開采量的主要部分。其中深層淡水開采量為4 778 萬(wàn)m3，平均開采強(qiáng)度為4.81 萬(wàn)m3/km2·a。

青縣深層地下水漏斗位于青縣中部及西南部，與南部滄縣漏斗相連，漏斗區(qū)南部未閉合，漏斗中心位于清洲鎮(zhèn)雙廟堤（見圖3）。2017年6月份中心水位埋深94.47 m，水位標(biāo)高-89.48 m。2017年9月份中心水位埋深78.2 m，標(biāo)高-73.95 m[6]。

圖3 深層水漏斗分布及地下水流向（2017年6月水位數(shù)據(jù)）Fig.3 Distribution of deep water funnel and groundwater flow direction（June 2017 water level data）

2.2 淺層咸水開采現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)查，青縣現(xiàn)狀淺層水開發(fā)利用程度很低，僅在運(yùn)河兩側(cè)和黑龍港古河道區(qū)域存在利用淺層微咸水（2～3 g/L）、咸水（3～5 g/L），據(jù)資料[4]，青縣2017年淺層水開采總量為29.62 萬(wàn)m3，平均開采強(qiáng)度為0.03 萬(wàn)m3/km2，而且大部分區(qū)域處于不開采狀態(tài)，據(jù)實(shí)際調(diào)查近些年開采強(qiáng)度有降低趨勢(shì)。

通過(guò)深淺層開采強(qiáng)度對(duì)比，深層地下水開采強(qiáng)度是淺層咸水開采強(qiáng)度的160倍。

根據(jù)青縣水資源公報(bào)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)2011—2017年的地下水開采量及深淺層水占比（見表1），得出地下水開采量中深層水占比逐年上升，淺層水占比逐年下降（見圖3）。

圖4 青縣深淺層水占地下水開采總量的比例（2011—2017年）Fig.4 The ratio of deep and shallow water to total groundwater extraction in Qing County（2011 to 2017）

表1 青縣2011-2017年地下水開采量及深淺層水占比統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of groundwater extraction and ratio of deep and shallow water in Qing County from 2011 to 2017

3 淺層咸水資源優(yōu)勢(shì)

3.1 淺層咸水資源豐富

淺層咸水區(qū)在青縣全域分布，面積大，分布廣，儲(chǔ)量大[15]，2017年以水均衡法計(jì)算出的水資源量為6 768.22 萬(wàn)m3，可開采量為4 737.75 萬(wàn)m3，咸水資源豐富。

3.2 易開采、補(bǔ)充快[16]

青縣淺層咸水埋深較小，埋深1～5 m，由于水位埋深小，易開采且能耗小。每年汛期降雨直接補(bǔ)給，淺層地下水水位都會(huì)很快回升，根據(jù)2017年6月和12月統(tǒng)測(cè)數(shù)據(jù)顯示水位年內(nèi)回升0.2～1.0 m，在8月中旬至9月下旬汛期結(jié)束后達(dá)到年最高水位，淺層咸水資源得到很大程度的補(bǔ)充。

4 淺層水利用方向分析

4.1 咸水的凈化處理解決咸水區(qū)農(nóng)村人畜飲水困難

隨著近些年的發(fā)展，水處理技術(shù)日臻成熟，可以將淺層潛水抽出后進(jìn)行凈化后供人畜飲用。主要處理過(guò)程包括粗過(guò)濾、精過(guò)濾、反滲透技術(shù)、離子交換技術(shù)[17]，使咸水水質(zhì)達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)。

目前青縣有共有14處的凈水制水廠，其利用水源多為深層淡水，其中青縣農(nóng)場(chǎng)水廠位于全咸區(qū)，利用深層咸水凈化后集中供水，解決咸水區(qū)農(nóng)村人畜飲用水困難?？梢詫⒗盟赐茝V至淺層水，增加咸水開采量，減少深層水開采量，據(jù)資料[4]青縣馬廠鎮(zhèn)楊官店村有利用淺層咸水降鹽凈化售水站的成功范例，采取打一眼咸水淺機(jī)井，安裝一套水處理設(shè)備，利用電滲析和反滲透技術(shù)，可把含鹽量3～5 g/L的苦咸水，通過(guò)淡化工藝脫鹽、降氟、凈化等，變成小于1.0 g/L的淡水，達(dá)到國(guó)家規(guī)定的飲用水標(biāo)準(zhǔn)，每套設(shè)備可解決1 000～1 500人的安全飲水問(wèn)題[24]。此方式可以推廣來(lái)解決咸水地區(qū)的飲用水困難的問(wèn)題。

4.2 咸淡水混合灌溉

咸淡水按照一定比例混合，使其達(dá)到農(nóng)業(yè)灌溉用水要求，咸淡水混合后，改善并降低咸水礦化度含量，達(dá)到增大利用淺層咸水資源同時(shí)減少開采深層地下水資源的目的。根據(jù)河北省平原區(qū)土壤性質(zhì)、耕作措施及氣候條件等因素，咸淡水混合后礦化度控制在3 g/L以下，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)安全和土壤環(huán)境影響較小[18]。

其利用方式是在每一眼深機(jī)井旁增打一眼咸水或微咸水淺井，并安裝配套相應(yīng)設(shè)備，利用淺層咸水和深層淡水按一定的比例進(jìn)行混合灌溉，根據(jù)不同的農(nóng)作物耐鹽性[19-20]，混合比例需要隨之調(diào)整[21]，以罐混式、豎塔混合式、管道直混式3種方式[22]進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉[18]。這種方法在青縣部分村莊已經(jīng)開始嘗試性利用，混合方式多為管道直混式。其優(yōu)點(diǎn)是：

（1）投資規(guī)模小

在原有深機(jī)井的基礎(chǔ)上建設(shè)咸淡水混澆工程每個(gè)井組僅需1萬(wàn)元左右，不到深井投資的10%。

（2）能耗減小，節(jié)省開支

由于淺層水水位埋深在1.31～5 m之間，深層水水位埋深在50～90 m之間，提取淺層咸水能耗僅為等量深層水的1/45～1/10。

（3）縮短灌溉周期

擴(kuò)大機(jī)井的灌溉面積，每組咸淡混澆工程每小時(shí)可增加供水量20～30 m3，大大節(jié)約灌溉時(shí)間，縮短灌溉周期3～5 d[16]。擴(kuò)大了機(jī)井灌溉控制面積，每組工程可增加灌溉面積50畝左右[16]。

（4）增產(chǎn)

咸淡水混合灌溉可疏松土壤，防止板結(jié)，對(duì)棉花生長(zhǎng)有調(diào)節(jié)作用，抑制了瘋長(zhǎng)，防止枯萎病，提高了產(chǎn)量。部分地方反映對(duì)糧食作物也有增產(chǎn)作用[16]。

該方法若能大范圍應(yīng)用，將大大緩解深層地下水壓采后農(nóng)灌供水不足的矛盾，保障農(nóng)業(yè)用水的需求。

4.3 生態(tài)景觀用水

京津冀是秋冬季節(jié)霧霾嚴(yán)重區(qū)域，一年四季需要噴灑道路和低空噴灑水霧抑制揚(yáng)塵，此外澆灌城市草坪綠地、補(bǔ)充湖塘水體等生態(tài)景觀用水，消耗大量的水資源，根據(jù)青縣水資源公報(bào)（2017年），青縣生態(tài)景觀需水量大約在100 萬(wàn)m3/年，可以全部利用淺層咸水，達(dá)到增加開采淺層咸水的目的。

4.4 工業(yè)循環(huán)冷卻用水

青縣有大規(guī)模的鋼鐵加工產(chǎn)業(yè)和石油化工產(chǎn)業(yè)，需要大量的循環(huán)冷卻水，可以全部利用淺層咸水，將節(jié)省大量的淡水資源。青縣馬場(chǎng)鎮(zhèn)的塑膠產(chǎn)業(yè)園中已有數(shù)家這樣的應(yīng)用案例。青縣淡水資源先天性嚴(yán)重匱乏，而咸水資源豐富[10]，所以發(fā)展咸水循環(huán)冷卻具有良好的前景和廣闊的空間。

4.5 實(shí)行城鎮(zhèn)生活節(jié)水，建立咸水中水管網(wǎng)

目前青縣城鎮(zhèn)生活用水主要為深層地下水和南水北調(diào)水源，如果將咸水、微咸水用于居民生活，可替代生活用自來(lái)水的一半[10]。地下咸水作為中水利用，可變廢為寶，根據(jù)2017年青縣采取的31個(gè)淺層水水樣分析，淺層水除了溶解性總固體高，鹽分含量高，不宜飲用外，其它檢測(cè)項(xiàng)均超標(biāo)不嚴(yán)重，表明淺層咸水沒(méi)有受到嚴(yán)重污染，一般符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，不需處理，可直接作為中水使用，進(jìn)行洗滌、拖地、沖廁、洗車、消防、游泳池用水，可以作為深層水的替代水源[21]。目前，滄州市個(gè)別小區(qū)已有成功的利用經(jīng)驗(yàn)[10]。

4.6 供暖管網(wǎng)用水

冬季供暖管網(wǎng)用水量較大，損耗也較大，該部分用水也可以全部利用淺層咸水。

5 淺層咸水開發(fā)益處前景分析

5.1 緩解深層地下水超采問(wèn)題及其引發(fā)的其他地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題

通過(guò)增加淺層咸水開采量來(lái)達(dá)到減少深層水開采量的目的，促進(jìn)深層水的恢復(fù)，減小深層地下水降落漏斗，減輕地面沉降和地裂縫問(wèn)題等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，減緩深層地下水超采對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響。

滄州地區(qū)是地面沉降地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重發(fā)育區(qū)，是河北平原地面沉降發(fā)生最早的地區(qū)之一[23]，而工作區(qū)內(nèi)發(fā)生的地面沉降主要由深層地下水超量開采引起[11][24]。根據(jù)2017年度全省地面沉降調(diào)查與監(jiān)測(cè)資料（河北省環(huán)境地質(zhì)監(jiān)測(cè)院），累計(jì)沉降量大于1 000 mm的分布區(qū)域與深層地下水漏斗分布基本一致，累計(jì)沉降量越大的區(qū)域越靠近漏斗中心，見圖5。

圖5 青縣累計(jì)地面沉降量等值線與深層地下水漏斗分布區(qū)對(duì)比圖Fig.5 Comparison between contour lines of cumulative land subsidence and funnel distribution of deep groundwater in Qing County

充分利用咸水，減少淡水開采量，對(duì)改善當(dāng)?shù)氐叵滤鷳B(tài)環(huán)境發(fā)揮重要作用。在地下水超采區(qū)大力開展淺層咸水利用，對(duì)減緩咸水底界面下移[25]、含水層疏干等方面問(wèn)題，都能發(fā)揮積極作用[18]。

5.2 緩解農(nóng)灌供水矛盾

農(nóng)田灌溉用水占到深層地下水開采量的80%，深層水壓采政策實(shí)施以來(lái)，農(nóng)灌水供需關(guān)系存在激烈的矛盾，需大于供，若開采淺層咸水與深層淡水配合用于灌溉，將大大減輕農(nóng)田灌溉需水與供水的矛盾。

5.3 增加降雨入滲的淡水儲(chǔ)存空間

目前青縣淺層水處于很低的開采程度，淺層水量巨大，以致青縣縣域內(nèi)所有溝渠和坑塘滲出積存大量的淺層地下水，降雨入滲的淡水缺少存儲(chǔ)的空間。加大淺層咸水的開發(fā)力度，使其水位下降，騰出儲(chǔ)水空間，增加地下淡水“庫(kù)容”[6]，有利于接受降水的補(bǔ)給，既調(diào)節(jié)汛期洪瀝水，又利于雨水回補(bǔ)地下水源，加強(qiáng)咸淡水的循環(huán)交換，使地下咸水逐漸淡化，增加地下水資源量，同時(shí)也減小咸淡水之間的水頭差，減緩咸水入侵深層淡水，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)[26]。

5.4 減輕鹽堿災(zāi)害

目前青縣仍有不少鹽堿災(zāi)害，淺層咸水通過(guò)毛細(xì)作用對(duì)水泥、磚和建筑物結(jié)構(gòu)都造成嚴(yán)重破壞。加大淺層咸水開采，使其水位降低，將減少工作區(qū)內(nèi)鹽漬化程度，利于改良土壤，減輕對(duì)建筑物的腐蝕。

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

（1）在深層淡水嚴(yán)重超采引發(fā)一系列地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的背景下，以青縣為例提出和分析了凈化處理、混合灌溉、生態(tài)景觀用水、工業(yè)冷卻用水、城鎮(zhèn)建設(shè)咸水中水管網(wǎng)、供暖管網(wǎng)用水的咸水利用方向，在理論上論述了增加咸水開發(fā)的可能性，為有咸水分布區(qū)的咸水利用指出了方向，最終達(dá)到指導(dǎo)實(shí)踐增大咸水開發(fā)利用程度的目的。

（2）開發(fā)咸水的益處多多：緩解深層水地下水漏斗，減輕深層水開采對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響，如減緩地面沉降和地裂縫地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育；在河北省實(shí)施地下水壓采政策的背景下，將緩解農(nóng)田灌溉水的供需矛盾，保障農(nóng)業(yè)用水的供給，保障農(nóng)業(yè)的良好發(fā)展；增加降雨入滲的淺層淡水儲(chǔ)存空間，加強(qiáng)咸淡水的循環(huán)交換，使地下咸水逐漸淡化，增加地下水資源量，同時(shí)也減小咸淡水之間的水頭差，減緩咸水入侵深層淡水，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)；開發(fā)利用淺層咸水將能減輕有咸水分布區(qū)的鹽堿災(zāi)害。

（3）增加咸水利用量，減輕深層淡水開采強(qiáng)度，對(duì)改善地下水生態(tài)環(huán)境發(fā)揮重要作用。尤其是在地下水超采區(qū)大力開展咸水利用，對(duì)減緩咸水底界面下移、含水層疏干等方面的問(wèn)題，都能發(fā)揮積極作用。

6.2 建議

建議有咸水分布區(qū)的地方政府要把對(duì)淺層咸水的利用重視起來(lái)，使用政策引導(dǎo)，逐步增大淺層咸水的利用。隨著水處理、膜滲透、耐鹽性農(nóng)作物的培育等方面科技的進(jìn)步，期望在以后提出咸水利用更多、更好的理論和方法。