天津市海水入侵調查研究

張琪，王彬，李希彬，王魯寧，姜旭娟

（1.國家海洋局天津海洋環境監測中心站，天津 300457；2.天津市海洋環境監測預報中心，天津 300457）

海水入侵是由于自然或人為原因，海濱地區地下水水動力條件發生變化，使含水層中的淡水與海水之間的平衡狀態遭到破壞，導致海水或與海水有水力聯系的高礦化地下咸水沿含水層向陸地方向擴侵的現象。在全球氣候變化背景下，海平面持續上升使得濱海地區咸淡水過渡區域的海水壓力增強，加劇了海水入侵程度，造成地下淡水資源減少，影響工農業生產和生活用水。

海水入侵是沿海地區的一種重大地質災害，可以使陸地含水層咸化、機井報廢、淡水供應量減少，也可引發沿海地區土地鹽漬化、農業減產甚至絕收等問題。我國海水入侵的主要致災原因可分為自然因素和人為因素兩個方面。自然因素主要包括海平面上升和降水，降水較多時可以減緩海水入侵，相反在干旱年份，會加速海水入侵。人為因素主要指過量抽取地下水，使沿海地區地下水水位下降、水量減少，以及攔蓄截取地表水等行為使入海量減少，同時地表水補給地下水量減少，地下水位下降[1-4]。2020 年，渤海和黃海沿海地區海水入侵依然較為嚴重，重度海水入侵主要分布在遼寧、河北和江蘇沿海局部地區。

不同地區海水入侵的程度不同，環渤海地區是我國海水入侵危害最嚴重的區域，給沿海地區帶來了嚴重危害，造成了巨大經濟損失，嚴重阻礙經濟社會的持續發展。近年來我國地下水監測網絡逐步完善，利用沿海地下水監測數據進行海水入侵試點評估并取得了階段性成果。評估結果顯示，天津市淺層地下水氯離子含量總體呈“北低南高”分布，東部沿海和南部局部地區氯離子含量超過1 000 mg/L；海水入侵高風險區主要分布在東部沿海的濱海新區等區域[5]。本文以天津市為研究對象，以2018－2022 年天津市海水入侵監測數據為基礎，對相關監測結果進行梳理和分析，了解天津市海水入侵現狀，結合海水入侵的危害及其成因，給出了應對海水入侵的相關防治措施。

1 水文地質條件

1.1 地質狀況

天津市地貌類型由北向南依次為北部山區、山前沖洪積平原、南部沖積平原、沖海積平原和濱海海積平原。根據第四系分布和發育的差異以及控制因素等特征，通常以寶坻斷裂為界，將天津地區的第四系地層分為南北兩區，分別稱為北部平原區和南部平原區。天津市水文地質條件較復雜,從北向南依次分布全淡區、微咸水-淡水區、淡水-咸水-淡水區和咸水-淡水區。咸水底界埋深從北向南逐漸增加，咸水層逐漸增厚。地下水分為第四系松散巖類孔隙水、第三系裂隙孔隙水和碳酸鹽巖巖溶裂隙水三種類型[6]。第四系孔隙水分布廣、厚度大，在水平和垂向上巖相變化較大。除了原始水文地質條件外，當前在天津沿海地區，隨著圍填海、沙灘浴場開發及港口建造等工程的逐漸推進，海岸帶地下水開始面臨新的問題與挑戰，特別是圍填海疊加了新的地下水系統，可能導致區域水文地質條件發生改變，為該地區的地下水質量增加了不確定性。

1.2 水文氣象特征

天津地區處于華北北部，北依燕山，東臨渤海，屬于亞熱帶季風氣候。天津市域南北相距100 多公里，降水量地域差異很大。受季風的影響，天津降水主要集中在夏季，占全年降水量的70%以上。天津市降水量呈階段性波動，年代際變化明顯，20 世紀60 年代多雨年和少雨年交替出現，70 年代降水增多，80 年代后期處于多雨階段，進入20 世紀90 年代以來，特別是1997 年以后天津進入了少雨階段[7]。李銳等[8]基于1961－2018 年降水與氣溫數據指出天津市海岸帶地區全年降水量呈顯著下降趨勢，氣候總體向“暖干化”發展。王敏等[9]利用降水數據對1901－2016 年天津地區年降水量進行分析發現，天津市年平均降水量表現出“南強北弱，東強西弱”的特征，其北部的時間變化趨勢為負，南部的變化趨勢為正。

本文結合天津市降水特征，根據《天津統計年鑒》分析了2008－2021年的天津市降水量變化（圖1），2008－2021年天津市降水量平均值約為581 mm。

圖1 2008－2021年天津市逐年降水量

2 監測方法

2.1 斷面選取

2018 年進行了海水入侵監測點位建設工作，在天津市北部設置了一個監測斷面，分析和評估天津市海水入侵強度、范圍和危害，逐年監測可以保證數據連續性和完整性，促進區域的可持續性發展。

2.2 水樣采集和分析方法

在監測井采取水質樣品時，每次在水面下2 m處取樣，樣品采集量為1 L；水質樣品瓶事先清洗3 遍，取樣后立即把樣品瓶密封，并貼上標簽，將取樣點位置、取樣時間和水樣編號現場登記在取樣本上，同時還記錄取樣時的環境條件，如抽水或降雨等。地下水分析項目包括氯離子濃度、礦化度等；氯離子濃度、礦化度測定按照國家標準《水質氯化物的測定硝酸銀滴定法》（GB 11896-89）和《礦化度的測定 重量法》（SL 79-1994）相關要求執行。

2.3 評價標準

海水入侵現狀評價是根據《海水入侵監測與評價技術規程（試行）》的要求，按照區域地下水氯離子濃度確定海水入侵的距離、范圍和程度，海水入侵程度等級劃分標準見表1。

表1 海水入侵的入侵程度等級劃分

3 結果分析

3.1 結果

2018－2022 年在天津北部進行了一個斷面的監測，共5 個監測站位。監測斷面垂直于海岸線方向布設，涵蓋了海水入侵區、過渡帶、無海水入侵區，并且保證在監測期間至少有1 個監測站位在無海水入侵區內，站位分布情況見圖2。其中，在2018－2022 年的枯水期都進行了采樣，而豐水期僅在2020－2022年進行了采樣。

圖2 海水入侵監測站位分布

監測結果表明，各站位之間氯離子濃度范圍約為220~13 000 mg/L，礦化度范圍約為1 600~35 000 mg/L，由于枯水期和豐水期的變化相似，這里僅給出了枯水期的變化情況（圖3、圖4）?？梢钥吹綗o論豐水期還是枯水期，2018－2022 年各站位的氯離子濃度和礦化度逐年變化幅度均不大，由于Z04 站靠近渤海，氯離子和礦化度濃度最大，海水入侵程度總體呈現由沿海向內陸逐漸降低的趨勢。

圖3 2018－2022年枯水期各監測井氯離子濃度

圖4 2018－2022年枯水期各監測井礦化度

通過氯離子濃度和礦化度的分析，除2021 年枯水期Q7 站位出現入侵外，其他年份Q7 站位均無入侵，水質為淡水。Z04、Z01 站位為嚴重入侵，地下水水質為咸水；Z02、Z03 站位為入侵，水質為微咸水。

采用距離插值法計算得到各年海水入侵距離，各年海水入侵距離在75～77 km（圖5）范圍內，同時枯水期海水入侵距離略大于豐水期。2021 年海水入侵距離最大。結合降水量特征分布可知，2021 年降水量較大，降水較多時可以減緩海水入侵，因此2021 年較大的海水入侵距離可能是受其他因素影響。

圖5 2018－2022年枯水期海水入侵距離

3.2 討論

由于天津地區自晚更新世以來經歷了4 次規模不等的海水入侵過程，造成天津地區地下含水層中賦存著大量的古海水[10]。雖然古海水與現代海水時代不同，但是水化學特征存在一致性，一般具有礦化度高、氯離子含量高等特征[11]。下一步在海水入侵業務化工作中，可以嘗試地下水示蹤方法對二者加以區分。

4 海水入侵防治措施

根據前人關于海水入侵的研究，結合天津市沿海地區的特點以及海水入侵區的影響因素，提出以下幾條海水入侵防治措施。

（1）合理開采地下水。嚴格控制天津沿海地區地下水開采量，合理開發利用地下水。首先要調整開采時間和間隔，豐水季節可稍增加開采地下水，枯水季節減少開采，使地下水資源有機會得到恢復；同時嚴格限制開采井數量，開采時合理布置井位位置，制定保護規劃。

（2）嚴格水量水位雙控。合理確定海水入侵威脅區的地下水開采量并控制水位閾值，在沿海地區加快推行地下水開采量與水位“雙控”管理。在海水入侵嚴重和發展較快地區實行地下水開采分區分級管控，防止地下水水位負值區持續擴展。調整地下水開采時間，優化開采井分散布局，避免集中高強度開采，增強地下水系統自然修復能力[12]。

（3）實行分質供水。合理安排使用地下水，地下水要優先用于生活飲用水，盡量將地表水和經過處理的污水廢水用于農業用水和生態用水，這在一定程度上可以緩解地下水的供需矛盾。

（4）加強地下水的動態監測。完善現有的海水入侵監測方法，建立地下水監測系統，對地下水水位、水質、開采量、人工回灌進行監測，根據海水入侵的機制和規律，預測入侵速度和范圍，為有效防治海水入侵提供科學依據。

（5）地表防潮堤閘維護。沿海風暴潮往往導致潮水沿河上溯倒灌，加劇近海陸地海水入侵。海平面的上升使咸淡水之間原有的水動力平衡遭到一定程度的破壞，咸淡水界面向內陸方向移動，加重了沿海地區的海水入侵問題。

濱海新區地下分布著巨厚松散沉積層，同時受地下水、地熱開采和工程建設等因素的影響，屬于天津市地面沉降易發區。天津市濱海新區海拔高度低，地面沉降導致海平面相對上升，使得受風暴潮侵襲的頻次和受災程度增加，使沿海地區部分陸地被淹沒，海水長時間在陸地滯留，為海水入侵創造了有利條件。目前多年沉降導致防潮堤部分區段已經低于設防標準，防潮能力降低。在濱海河口、海岸等地帶修建河口閘、維護原船閘設施可在一定程度上防治海水入侵。