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地下水位和海平面变化对绥中砂质海岸海水入侵影响

王玉广 王传珺 刘志华 王伟伟 马恭博 赵鹏飞

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地下水位和海平面变化对绥中砂质海岸海水入侵影响

    作者简介: 王玉广(1964-), 男, 山东栖霞人, 硕士, 教授级高工, 主要从事海岸地质灾害研究, E-mail:ygwang@nmemc.org.cn;
    通讯作者: 王传珺, cjwang@nmemc.org.cn
  • 中图分类号: X83

Impact to the the seawater intrusion around sand coast in Suizhong with the variations of groundwater level and sea level

    Corresponding author: Chuan-jun WANG, cjwang@nmemc.org.cn ;
  • CLC number: X83

  • 摘要: 根据对绥中六股河口近滨海地区砂质海岸海水入侵区和过渡区长期的实时监测结果,同时依据地下水开采和季节性海平面变化情况,分析了海平面变化和地下水位变化对六股河附近地区海水入侵的影响,S-1井和S-2井2012年至2016年4 a间地下水位分别下降了4.60 m和0.59 m,造成了S-1井枯水季无水的现象,并且完全受控于海水,电导率值较高,S-2井地下水电导率值增加。同时,海平面变化不同程度上加剧了本地区海水入侵。
  • 图 1  海水入侵监测位置

    Figure 1.  The location of monitoring wells

    图 2  枯水期海水入侵分布状况

    Figure 2.  The range of seawater intrusion in low water period

    图 3  电导率与Cl-含量关系

    Figure 3.  The correlation of conductivity and Cl-

    图 4  S-1站位降雨量与地下水位的关系

    Figure 4.  The relationship between rainfall and groundwater level of S-1 station

    图 5  S-2站位降雨量与地下水位的关系

    Figure 5.  The relationship between rainfall and groundwater level of S-2 station

    图 6  S-1监测井地下水位和电导率的关系

    Figure 6.  The relationship between groundwater level and conductivity of S-1 station

    图 7  S-2监测井地下水位和电导率的关系

    Figure 7.  The relationship between groundwater level and conductivity of S-2 station

    图 8  S-1地下水位与外海潮位的关系

    Figure 8.  The relationship between groundwater level and the tide level in the outer sea of S-1 station

    图 9  S-2地下水位与外海潮位的关系

    Figure 9.  The relationship between groundwater level and the tide level in the outer sea of S-1 station

    图 10  S-1站海平面变化和电导率的关系

    Figure 10.  The relationship between sea level and conductivity of S-1 station

    图 11  S-2站海平面变化和电导率的关系

    Figure 11.  The relationship between sea level and conductivity of S-2 station

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-02-24
  • 录用日期:  2018-05-30
  • 刊出日期:  2019-06-20

地下水位和海平面变化对绥中砂质海岸海水入侵影响

    作者简介:王玉广(1964-), 男, 山东栖霞人, 硕士, 教授级高工, 主要从事海岸地质灾害研究, E-mail:ygwang@nmemc.org.cn
    通讯作者: 王传珺, cjwang@nmemc.org.cn
  • 1. 国家海洋环境监测中心, 辽宁 大连 116023
  • 2. 绥中县海洋环境监测与预报中心, 辽宁 绥中 125200

摘要: 根据对绥中六股河口近滨海地区砂质海岸海水入侵区和过渡区长期的实时监测结果,同时依据地下水开采和季节性海平面变化情况,分析了海平面变化和地下水位变化对六股河附近地区海水入侵的影响,S-1井和S-2井2012年至2016年4 a间地下水位分别下降了4.60 m和0.59 m,造成了S-1井枯水季无水的现象,并且完全受控于海水,电导率值较高,S-2井地下水电导率值增加。同时,海平面变化不同程度上加剧了本地区海水入侵。

English Abstract

  • 海水入侵是特定区域自然与人类社会经济活动两大因素叠加影响的结果。目前,在世界范围内许多沿海地区遭受海水入侵的危害,我国渤海、黄海沿岸不少滨海地区,由于近年来地下水过量开采,不同程度地出现了海水入侵加剧的现象[1]。并且,随着海平面的上升,会进一步加剧陆域平原地区的海水入侵。鉴于此,本文以绥中六股河附近砂质海岸多年长期监测结果为依据,分析该地区海水入侵的现状,探讨了地下水位变化和海平面变化对该区砂质海岸海水入侵的影响。

    • 研究区位于辽东湾西侧六股河附近,属暖温带大陆性半湿润半干旱季风气候区。多年平均降水量619.3 mm,降水多集中于6~9月份,占全年降水量的70﹪,六股河是研究区内的主要河流,多年平均迳流量6.0464×108 m3,迳流量受降水影响,主要集中在7~10月份,其中8月份最大。区内地形属辽西低山丘陵区,地势由西北向东南呈阶梯式降低,由剥蚀的丘陵山地与堆积谷地逐渐过渡到堆积平原至滨海滩地。河流自西向东,携带砂砾沉积形成冲积扇、洪积扇、冲洪积平原,在入海口和水下形成多道沿岸砾石堤、河口潟湖等地貌体。地下水类型主要有平原区冲积扇孔隙中的岩溶水、孔隙水和丘陵区基岩裂隙水及石灰岩中的岩溶承压水。近年来,由于过量开采地下水,地下水位下降,海水入侵范围呈扩大趋势[2]

    • 本文取得的数据主要来源于现场监测的数据,2011~2014年研究区开展的海洋公益项目监测的Cl-含量、矿化度、电导率和地下水位等数据。2014年10月在海水入侵区S-1监测井和海水入侵过渡区S-2监测井安装了加拿大产的Solinst Levelogger自动水位和电导率监测仪,对地下水位和电导率进行每20 min自动记录一次,获取了长期监测的数据(图 1)。海平面数据来源于《中国海平面公报》数据[3],潮位数据主要来源于现场观测结果,其他采用的气象资料如降雨量和蒸发量主要来源于当地观测站监测数据。

      图  1  海水入侵监测位置

      Figure 1.  The location of monitoring wells

    • 本文采用Cl-含量作为判别海水入侵的指标,依据现场监测数据,利用水化学元素分析法,分析地下水中各离子的含量,确定海水入侵的范围和程度。根据本区电导率Cl-含量的相关分析,海水入侵程度等级参考国家海洋局《海水入侵监测与评价技术规程》(试行)划分3个等级,Cl-含量 < 250 mg/L为无入侵,250~1000 mg/L为轻度入侵,>1000 mg/L为严重入侵,得出电导率的相对应值。最后根据入侵区和过渡区电导率值长期监测结果,结合地下水位的长期变化和海平面的变化进行相关分析,探讨地下水变化和海平面变化对本地区海水入侵的影响。

    • 在六股河附近海水入侵区、过度区和无入侵区布设了3个地下水观测站位,,S-1站距岸线2.16 km,S-2站距岸线4.37 km,S-3距岸线8.03 km。2012年对S-1、S-2、S-3站位监测结果表明,S-1孔地下水Cl -浓度最高,其值为1554.5 mg/L,海水严重入侵,地下水为Ⅲ类[4],属于咸水,水化学类型为Na+ -Cl-型。S-2站属过度区地下水Cl -浓度降低,其值为336.0 mg/L,地下水为Ⅱ类,属于微咸水,轻度入侵区,水化学类型为Na+、Ca2+-Cl-、HCO3-型,为海水和淡水混合;S-3站为淡水区,地下水Cl -浓度最低,为54.8 mg/L,水为Ⅰ类,无海水入侵,水化学类型为Ca2+、Mg2+-HCO3-、SO42-型。海水入侵主要受地下水位的影响,在平水期和枯水期,地下水开采量大河流补充减少,致使地下水位下降,造成海水入侵加重,根据监测数据,得出Cl-含量为250 mg/L的位置,并确定海水入侵距离分别自岸线向陆方向6.39 km和6.77 km;在丰水期由于河水补充地下水,地下水位升高,海水入侵距离相对减少,其值为6.15 km(图 2)。

      图  2  枯水期海水入侵分布状况

      Figure 2.  The range of seawater intrusion in low water period

    • 海水入侵监测常规方法是通过对监测站位地下水中的氯化物和矿化度进行化验分析,通常Cl-含量与矿化度做为确定海水入侵的重要指标,化学分析方法是采用滴定法进行化验分析[5],这种分析方法虽精确度较高,但不适合长期连续的监测。电导仪法测定,具有准确度高速度快操作简便、不用消耗化学试剂等优点,具有长期连续监测的优势。根据研究区内的监测结果,按照Cl-离子含量和矿化度划分海水入侵程度是一致的[6],因此,Cl-离子标准可以作为判断海水入侵的依据。国内一些学者[7-9]已在不同地区成功开展了电导率法替代氯化物监测海水入侵的应用研究,指出地下水中Cl-含量与电导率值呈正比关系。因此,根据2011年至2014年地下水Cl-含量和电导率监测数据,将该地区地下水采样获取的Cl-含量与电导率做相关分析,提出该地区Cl-含量与电导率相互之间的关系(图 3)。

      图  3  电导率与Cl-含量关系

      Figure 3.  The correlation of conductivity and Cl-

      由以上数据分析可以看出该地区电导率与Cl-含量相关性较好,相关方程为σ= 2.252 Cl- + 637.3。σ单位为μs/cm,Cl-单位mg/L。通常Cl-含量>250 mg/L作为发生海水入侵的标志,可以看出该地区电导率与Cl-含量相关关系都很好,相关系数在0.83以上。说明该地区地下水的Cl-含量与电导率有着直接的关系,电导仪法完全可以取代化验分析Cl-的方法来判断海水入侵的标准。由上述公式计算得出,当Cl-含量>250 mg/L作为本区海水入侵标志,电导率值为1200 μs/cm。因此,可以认为当电导率值为1200 μs/cm时,可以作为本地区发生海水入侵的电导率参照标准。

    • 监测结果从图 4图 5中可以看出,地下水位与降雨量有一定的关系,降雨量高的7~9月,地下水位高。在咸水区的S1监测井基本在1月至5月干涸无水,过渡区的S2监测井1月至5月逐渐降低。随着降雨量的增加,从5月至8月地下水位不断增加,在8月份达到最高,9月至12月地下水位逐渐降低。总体上地下水位与降雨量呈明显的正比例关系,在4月到8月份降雨大,地下水位明显增大,2016年8月水位最高,水位高程为6.78 cm。

      图  4  S-1站位降雨量与地下水位的关系

      Figure 4.  The relationship between rainfall and groundwater level of S-1 station

      图  5  S-2站位降雨量与地下水位的关系

      Figure 5.  The relationship between rainfall and groundwater level of S-2 station

    • 据绥中水文站41a系列资料,多年平均迳流量6.0464×108 m3,最大迳流量为16.70×108 m3,最小迳流量为0.197×108 m3。河流含砂量较少,平均为1.72 kg/m3。迳流量受降水影响,主要集中在7~10月份,其中8月份最大。大气降雨及灌溉水入渗是地下水动态变化的主要补给影响因素,大气降水起到了进一步增强入渗补给作用。工业用水开采量的大小,制约或部分地控制地下水位的变动幅度。地下水与河水存在直接水力联系,其水位动态主要受河水动态控制。2月至4月份,河水位呈波动下降趋势,地下水位也随之波动下降;5月至6月份,河水近干涸,地下水位急剧下降,于6月中旬达最低水位;7月份河水位因降水而上升,地下水位也随之上升,随着降水量增强,河水位急剧上升,地下水位和河水位八月中旬出现高峰;8月中旬高峰过后,河水位呈波动缓慢下降,地下水位相应随之波动下降。

      图 6中可以看出,随着地下水位的变化,S-1监测井,电导率与水位变化呈正比关系,主要是由于S-1监测井水位变化主要受外海海平面的变化影响,外海海平面受季节和涨落潮的影响面变化。因此该站水位也升高,同时海水入侵也会较严重,电导率也会相对较高,其值都在15000 μs/cm以上。

      图  6  S-1监测井地下水位和电导率的关系

      Figure 6.  The relationship between groundwater level and conductivity of S-1 station

      S-2监测井处于海水入侵过渡区(图 7),地下水的电导率受外海海水和该地区降水及内陆地下水的相互作用影响,该监测井电导率值处于动态变化之中,其值在1055 μs/cm~1540 μs/cm之间。从电导率与水位变化来看,不完全是正反比关系。2014年10月至2015年3月地下水位下降,电导率也随之下降,主要是由于这期间的海平面也较低;4月至7月,这期间由于海平面上升,随着地下水位的增高,电导率也上升;8月份由于降水量增大和河流来水使地下水位增加,这时电导率降到最低。2016年6月至8月,电导率随着水位的上升,电导率逐渐上升,没有出现电导率的低点,是由于近几年过度开采地下水,地下水位下降,海水入侵加重,7月至10月海平面升高,2016年7月达到高点为355 mm,致使地下水位增高,导致电导率增加。

      图  7  S-2监测井地下水位和电导率的关系

      Figure 7.  The relationship between groundwater level and conductivity of S-2 station

    • 根据水压力平衡的原理,地下水位低于外海海水水位时,会导致海水入侵发生。近岸地下水受外海潮汐水位的波动变化而产生水位的波动效应,即地下水位具有潮汐波动效应,海潮的波动效应在强透水层中可影响离岸较远的区域[10]

      2015年5月12日,依据实测潮位的变化对S-1监测井地下水位的关系可以看出(图 8),随着潮位的增加,S-1监测井地下水位也在增加,但水位变化值不大,3 cm左右,但总体上可以看到随着潮位变化而变的趋势,随着潮位逐步增加,地下水位也不断增加,当潮位达到最高潮时,地下水位还在增加,存在着滞后效应,说明本区以海水为主导,并且随着地下水位增高,电导率值也不断增高。电导率值自3920 μs/cm逐步增加到3970 μs/cm,可以看出微弱的变化,S-2监测井基本与潮位变化同步(图 9),潮位达到高潮位置时,地下水位的高程最高,当潮位下降时,地下水位也随着下降,监测井地下水电导率值没有变化,为1139 μs/cm,可以看出,地下水电导率值较高,主要是以内陆水和海水混合为主。

      图  8  S-1地下水位与外海潮位的关系

      Figure 8.  The relationship between groundwater level and the tide level in the outer sea of S-1 station

      图  9  S-2地下水位与外海潮位的关系

      Figure 9.  The relationship between groundwater level and the tide level in the outer sea of S-1 station

      从以上分析可以看出,对于砂砾结构的含水层,透水性较好,海水海平面的变化,会对附近的陆域地下水产生一定的影响,当海平面受潮位变化而升高时,海水就会向陆域入侵,对于距海较近的距离较近海水入侵区的s-1井位,地下水以海水为主,对于相对较远的过渡区的s-2井位,受潮位的变化,地下水位也可以看出微弱的变化,地下水以淡水和海水混合为主。

      近几年来,国外在海平面变化对海水入侵的研究方面开展了大量在研究,海平面上升对海岸地下蓄水层的影响[11-12],对海岸带地下水影响尤为重要的3个要素,地下水流量减少、过度开采地下水和海平面上升,海平面影响主要对渡带地下水位下降更深时的淡水水头[13]。海平面的变化既有日潮汐作用下的日变化,也有季节性气温不同产生的季节变化,同时也有受气候影响大背景下的长期缓慢的上升过程。绥中县六股河口等地区,由于沿海一带陆地养殖业集中开采地下水,地下水严重超采。据监测,S-1井2012年8月地下水位为-2.02 m,2016年8月地下水位为-6.62 m。4期间地下水位下降了4.60 m,造成了S-1井枯水季没水的现象,2015年1月~4月和2016年12月~2017年5月无水。在丰水期的7~9月份,同时也是海平面较高时间期,如图 10可以看出,S-1电导率值随着海平面升高而增大,因此可以看出海平面变化对S-1井产生严重的海水入侵。过渡区的S-2井2012年8月地下水位为0.66 m,2016年8月地下水位为0.07 m,4期间地下水位下降了0.59 m。图 11可以看出S-2电导率2015年8月和2016年7月由于降水量增大和河流来水使地下水位增加,这时电导率降到最低。其他时间电导率随着海平面上升而上升,海平面下降而下降,表明海平面上升加剧了该地区海水入侵的影响。

      图  10  S-1站海平面变化和电导率的关系

      Figure 10.  The relationship between sea level and conductivity of S-1 station

      图  11  S-2站海平面变化和电导率的关系

      Figure 11.  The relationship between sea level and conductivity of S-2 station

    • (1) 由地下水位过度开采,造成地下水位下降,海水入侵加重,同时,海平面上升也加剧了海水入侵。在平水期和枯水期,地下水位下降,造成海水入侵加重,海水入侵范围扩大。

      (2) 根据长期监测结果,S-1监测井位于海水入侵区,水位变化主要受外海海平面的变化影响,水位变化与电导率值成正比关系;S-2监测井位于过渡区,地下水位受外海海水和该地区降水及内陆地下水的交叉影响,当降水量及内陆地下水丰富时,水位会升高,电导率降低,相反当降水量减少或过度开采地下水时,水位降低,电导率升高,海水入侵加重。

      (3) 研究区海平面较高时期出现每年的7月至10月,这期间海水会沿含水层向陆方向入侵,使地下水中的电导率值升高。当海平面受潮位变化而升高时,海水就会向陆域入侵,海水入侵加重。

参考文献 (13)

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