王 建,张军强,任寒寒,李亚蒙,郭 颖

(1.临沂大学 地质与古生物研究所,山东 临沂276000;2.山东省地质矿产勘查开发局 第四地质矿产勘查院,山东 潍坊261021;3.山东省地质矿产勘查开发局 海岸带地质环境保护重点实验室,山东 潍坊261021)

海岸带地区是世界人口、城市和社会财富最密集的区域,大约有50%的人口聚集在60 km 以内的海岸带地区[1]。海岸带地区与人类的生存发展息息相关[2-4]。人口增长、经济发展和城市建设导致海岸带地区资源环境开发强度变大,全球气候变暖、海平面上升[5-6]等进一步加剧了沿海地区的资源环境压力。海水入侵[3-4,7],地下水超采漏斗[8-12]和土壤盐渍化[13-14]等是海岸带地区普遍存在的环境地质问题。中国沿海海平面上升速率高于全球平均水平[15],人口更为密集,经济发展迅速,问题更为严峻[16-21]。

莱州湾南部沿岸冲、洪积平原地区由于特殊的水文地质条件,在环渤海地区海(咸)水入侵最为严重,受到广泛关注[16,20,22-23]。庄振业等[16]通过多年现场观测和调查资料,对莱州湾南部海(咸)水入侵阶段进行了划分,给出了灾害发展模式,认为人为过量采取地下水和自然环境变化是引发海水入侵灾害的主要原因。苗青等[22]通过2007—2010年莱州湾南部地区的海水入侵检测数据,探讨了海水入侵成因,并对海水入侵灾害进行了分区研究。20世纪70年代以来,随着莱州湾南部社会经济快速发展,人口剧增,工农业生产对地下水需求急剧增大,导致沿海平原地区地下水的长期超量开采;同时由于降水较少,尤其在20世纪七八十年代存在连年干旱[16],地下水补给不足,形成多个地下水超采漏斗[9,24-25]。地下水超采漏斗的形成加剧了海(咸)水入侵,严重污染地下水资源,使得淡水咸化和土壤盐渍化,对沿海地区的生态环境和工农业生产造成严重威胁。李瑜等[9]将山东省地下水超采漏斗的发展分为四个阶段,并探讨了其发展演变特征及发展原因。费宇红等[24]通过对20世纪50年代以来降水量、河道渗透量和地下水开采量的综合分析,发现人类开采地下水和降水量持续减少是地下水位下降和漏斗形成的主要原因。曹滨通过对潍坊市北部地下水超采漏斗的研究,探讨了其成因机制,分析其演变特征和发展阶段[25]。总之,莱州湾南部地区海(咸)水入侵研究较多,但对地下水超采漏斗和土壤盐渍化的研究相对不足,更缺乏三者相互作用及内在联系的综合研究。

通过莱州湾南部沿海地区地下水、地表土壤的地球化学测试和2016年地下水位统测数据,详细分析了该地区海(咸)水入侵、地下水超采漏斗、盐渍土的分布范围、发展趋势及其对人类经济生活所产生的影响,探讨三者之间的相互作用及内在联系。目前莱州湾地区经济迅速发展,各种工程建设项目陆续开展,对莱州湾南部地区环境造成很大的压力。研究莱州湾南部海岸带地区环境地质问题的复杂机制和发展规律,可为该地区环境地质保护和经济健康可持续发展提供理论依据和支撑。

1 区域概况

研究区位于渤海莱州湾南部沿海地区,地理位置为118°10'～120°01'E,35°32'～37°26'N,总面积约1.6×104km2。该地区河流密布,流域面积大于50 km2的河流有100多条;主要有五大水系,由东至西分别为胶莱河、潍河、白浪河、弥河和小清河,这些水系均由南至北流入莱州湾(图1)。地貌类型由南向北依次为山前冲洪积平原区和滨海平原区。山前冲洪积平原区海拔约为7～100 m,坡度约为1/500～1/1200,面积约为6.6×103km2;滨海平原区属潍北平原,海拔在7 m 以下,面积约3.6×103km2。研究区处于北温带季风区,属暖温带季风型半湿润大陆型气候,春、秋、冬季少雨干旱,降水集中在夏季,年平均降水量602.8 mm[25]。在北部滨海区降水量相对较高,多年平均降水量为660 mm(1971—2010年)[26]。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

图2 渤海地区M2 分潮流的椭圆长短轴分布[28]Fig.2 Distribution of major and minor axes of the ellipse of M2 constituent of the Bohai Sea[28]

莱州湾地区主要为不正规半日潮,平均潮差1 m。西部为正规半日潮,最大可能潮流为100～150 cm/s;东部为不正规半日潮,最大可能潮流为50～100 cm/s,潮流流速西部高,东部低[28]。渤海地区M2分潮流的分布为中部小近岸大,莱州湾半日分潮流的椭圆长轴由湾口指向湾顶[28](图2)。莱州湾地区风暴潮作用频繁,1950—2013 年间,平均每3 a发生1次灾害性风暴潮,其中在2007—2013 年增加至每年1次。

2 材料与方法

2016-04—07山东省第四地质矿产勘查院在莱州湾南部沿海地区进行了地下水和土壤取样。地下水采样间隔为(3～4)km×(3～4)km,共采集地下水样品467件;土壤样品采样间隔为(2～4)km×(2～4)km,共采集土壤样品570 个。地下水和土壤地球化学测试均在山东省第四地质矿产勘查院实验测试中心开展。

地下水地球化学测定的测试仪器为iCAP 7400全谱直读电感耦合等离子体发射光谱仪,仪器测试精度为0.01 mg/L,误差不超过5%。依据《海岸带地质环境调查评价规范》[29],将海(咸)水入侵进行确定并对其程度分级(表1)。土壤地球化学测定项目主要为盐渍土的全盐量测试,检测仪器为Axios荧光光谱仪,仪器测试精度为0.1×10-6,误差不超过5%。根据土壤盐渍化分级指标①山东省国土资源厅.1∶50000土地质量地球化学调查评价技术要求,2017.,将研究区内的土壤盐渍化分为四级(表2)。

表1 海(咸)水入侵划分指标及等级[29]Table 1 Classification standards and grades of seawater(saltwater)intrusion[29]

表2 土壤盐渍化分级指标及等级(%)① 山东省国土资源厅.1∶50000土地质量地球化学调查评价技术要求,2017.Table 2 Classification standards and grades of soil salinization(%)①

根据莱州湾南部各水源地地下水水文地质单元类型及开发利用状况,布置浅层地下水动态监测点27个、基岩裂隙地下水动态监测点1个进行地下水水位监测。地下水位统测在2016年枯水期(4—5月)、丰水期(9—10月)进行,观测水位标高及地面埋深。观测工具为SWJ-钢尺水位计,SDW-温度计,测钟、测绳、电线、万用表、普通温度计等。在搜集多年地下水动态观测资料的基础上,对原始数据资料进行水位标高及地面埋深计算,分析地下水超采漏斗的分布范围和发展趋势。

3 结 果

3.1 海(咸)水入侵

莱州湾南部沿海地区海(咸)水入侵程度由北向南逐渐减弱。寿光营里镇、侯镇,寒亭固堤、萧家营子镇,昌邑卜庄镇、柳疃镇一线以北为重度入侵区,Cl-质量浓度一般＞5 g/L,最高可达111 g/L,矿化度多＞6 g/L,最高可达194 g/L,入侵面积2 157.96 km2,入侵幅度最大出现在虞河中下游;向南为中度入侵区,Cl-质量浓度0.5～1.0 g/L,矿化度1.5～3.0 g/L,入侵面积423.7 km2,入侵幅度最大出现在白浪河西部和虞河中游;最南部为轻度入侵区和无入侵区,轻度入侵幅度最大分别出现在研究区的东部、中部和西部地区,其中以潍坊市区西侧最为显著(图3)。莱州湾南部沿海地区海(咸)水入侵范围和程度分布与海岸线具有较好的一致性,重度和中度入侵幅度最大分别对应正对莱州湾口的两条河流—白浪河和虞河(图3)。

目前,研究区海(咸)水入侵呈减退趋势,2016年重度海(咸)水入侵面积比2015年明显减少,但在寒亭固堤一带海(咸)水入侵仍在加强(图3)。2013年以来莱州湾南部遭遇了连年干旱,旱情较为严重,属枯水年份[25]。2012—2015年连续的枯水年,降雨量持续下降,导致地下水位下降。降雨量的不足会导致对人类活动地下水需求的增大,从而增加地下水的抽取量,进一步降低地下水位,并加剧海水入侵。同时,中国沿海海平面在2012—2015年处于30多a来的高位[15],对该地区海水入侵速度和入侵幅度也会造成一定的影响。降雨量的下降,地下水的加大开采以及海平面的高位的综合作用,是导致研究区2015年海(咸)水入侵面积高于2016年的重要影响因素。随着枯水期结束,降雨量升高,地下水需求减少以及海平面相对降低,该地区海水入侵状况开始缓解。

图3 莱州湾南部沿海地区海(咸)水入侵Fig.3 The range of the saltwater intrusion on the coastal regions of southern part of the Laizhou Bay

3.2 地下水超采漏斗

目前,莱州湾南部地区存在4个比较大的地下水超采漏斗,从西向东分别为寿光漏斗、留吕漏斗、潍寒漏斗和昌邑漏斗,其中寿光漏斗和潍寒漏斗圈闭面积较小,而留吕漏斗和昌邑漏斗圈闭面积较大,昌邑漏斗存在2个降落中心(图4)。1)寿光漏斗位于寿光市区附近,形成于1983年。该漏斗自形成至今,形状及展布方向基本没变,随漏斗内各部位开采量的不同,中心点时有位移。2016年丰水期漏斗中心水位-28.64 m,漏斗以-20 m 线封闭,面积28.99 km2。2)留吕漏斗位于寿光市留吕乡,形成于1983年。该漏斗自形成后,漏斗中心位置和漏斗面积不断变化,但形状及展布方向变化不大。2016年丰水期漏斗中心水位-35.65 m,漏斗以0 m 封闭,面积为112.63 km2。3)潍寒漏斗位于潍坊市东部的潍寒水源地区,形成于1983年。潍寒漏斗自形成至今,漏斗中心位置、地下水位及漏斗面积变化不大。2016年丰水期漏斗中心水位为-7.49 m,漏斗以0 m 线封闭,面积为5.67 km2。4)昌邑漏斗位于昌邑市附近,形成于1984年。目前,昌邑漏斗存在南北2个漏斗中心,2016年丰水期2个漏斗中心水位均为-39.70 m,以0 m 线封闭的漏斗面积为109.10 km2,形状为近南北向的椭圆形。

图4 莱州湾南部地区地下水超采漏斗2016年丰水期(8月)分布形态Fig.4 Distribution pattern of groundwater over-exploited funnel of the southern part of the Laizhou Bay in the wet season of the year 2016(August)

3.3 盐渍土

莱州湾南部地区土壤盐渍化程度呈由北向南减弱的趋势(图5)。北部滨海平原地区是土壤盐渍化程度最严重的区域,其中盐土(全盐量＞0.8%)面积约325.54 km2,主要分布在寿光市羊口镇至滨海区大家洼一带,东部胶莱河河口地区有少量分布;强度盐渍化土壤(全盐量0.4%～0.8%)面积约461.28 km2,主要分布在盐土区的外围,在中部和南部地区存在三块强度盐渍化土壤斑块出现。中度盐渍化土壤(全盐量0.2%～0.4%)面积约2 451.24 km2,分布区域除强度盐渍化土壤区外围之外,寿光-昌乐、潍坊市周边、高密市北部、安丘市东部及诸城市南部及西部地区也有分布。

图5 莱州湾南部地区土壤盐渍化程度分布Fig.5 The distribution of the degree of soil salinization of the southern part of the Laizhou Bay

4 讨 论

4.1 海(咸)水入侵

莱州湾南部地区海(咸)水入侵受水动力条件和水文地质条件的控制[30],出现顺层侵染和现代河床入侵两种方式。

晚更新世以来全球气候波动及海平面升降,在莱州湾南部地区发育了三期海相地层[31],形成海陆交互相沉积,并发育埋藏古河道以及古湖泊,呈条带状东西向展布[31-35]。埋藏古河道以沙类沉积物为主,连续性好,颗粒粗,透水性强,容易引发较快的海水入侵[31-33,36]。在陆地淡水长期过量开采和补给不足,淡水水位较低时,海(咸)水会沿海相地层或埋藏古河道入侵淡水含水层,产生海(咸)水入侵。20世纪70年代以来,研究区南部多条河流上游均建有水库,地表水被大量拦截;降水减少,河流下游地区地下水的补给大大减少[16];沿海平原地区地下淡水和滨海卤水资源的过量开采等导致了研究区地下水位大幅度下降,打破了咸淡水界面的动态平衡,使得地下水向反方向(取水中心)径流,海水或咸水沿海相地层或埋藏古河道入侵淡水含水层(图6a)。

图6 莱州湾南部地区海水入侵模式Fig.6 Pattern of seawater intrusion at the southern part of the Laizhou bay

莱州湾南部重度和中度入侵幅度最大分别对应于正对莱州湾口的2条河流——白浪河和虞河(图3),推测这是受到现代河床入侵的结果。莱州湾是一个内凹型海湾,湾口小,湾内大,渤海潮流系统受口门的约束作用,潮流主轴方向垂直于湾顶,与岸线大致垂直[28](图2),对莱州湾南岸尤其是正对湾口的河流造成直接影响。莱州湾南部滨海地区为粉沙淤泥质海岸,潮滩宽阔,地势低平,容易受到潮波和风暴潮作用的侵袭。白浪河、虞河-堤河入海口西侧的开敞方向为NNE,东侧为NNW,岸外为莱州湾,来自外海的外动力作用(潮汐、波浪和沿岸流)直接影响本地的海岸,涨潮或者风暴潮爆发时,海水会沿低洼的现代河床大幅度上溯入侵。莱州湾南部地区地势平坦,由南向北地面标高逐渐降低至海平面,内陆区与滨海区无明显的地势优势,含水砂层与海岸砂层相连通,无致密坚硬岩层阻隔,水平防护条件较差,海水易沿现代河床侵染地下水,产生海(咸)水入侵(图6b)。近年来,研究区降水普遍较少、上游水库拦截以及河床内挖沙,导致现代河床及河道径流大大降低,进一步加剧了海水沿现代河床的侵染速度。

4.2 地下水超采漏斗

莱州湾南部漏斗分布区地下水需求量大且集中[9],开采量对地下水下降贡献度为54.7%[24]。大气降水和河水补给占地下水来源的70%左右,超采漏斗面积的缩放与降水量密切相关[9,24]。20世纪80年代以来,南部河流上游修建水库,沿途农业灌溉用水造成截流,导致河流径流量减少,降低下游地区地下水的补给。莱州湾南部地区地下水超采漏斗产生的主要原因是长期的地下水消耗量大于补给量,地下含水层储水被持续性消耗而得不到有效补充,引起区域性地下水位持续下降。

海(咸)水入侵幅度与超采漏斗的面积呈现出负相关关系,海水入侵幅度最大处对应面积较小的潍寒漏斗,而较大的吕留漏斗和昌邑漏斗处海水入侵幅度相对较小(图7)。潍寒漏斗处于虞河和白浪河附近,两河正对莱州湾潮波系统,受到的潮流作用最强,涨潮或者风暴潮作用下,海水沿现代河道入侵而补充地下水,限制了潍寒漏斗的发展。吕留漏斗和昌邑漏斗则处于相对不易引发海水入侵的地区,可以维持相对较大的面积。

4.3 盐渍土

莱州湾南部沿岸地区土壤盐渍化受海(咸)水入侵和人类活动共同影响。盐土和强度盐渍化土壤主要分布于西北部和东北部滨海平原区,向南部、向中部盐渍化降低(图5)。海水入侵幅度较大的中部沿海地区,海水入侵较为分散,盐度集中度小,其沿海地区土壤盐渍化程度较低,而海水入侵幅度相对较小的西北和东北部地区,海水入侵较为集中,盐度集中度大,其沿海地区土壤盐渍化程度较高。滨海地区海水养殖,晒盐,农业灌溉和海岸工程建设等活动会把海水引入南部陆地,海水除了补给地下淡水外,大量的盐分也滞留在土壤中,形成盐土或者强度盐渍化土壤。研究区西北部和东北部滨海地区海岸工程修建较早,也导致该地区土壤盐渍化程度较高。

盐土和强度盐渍化土壤除了分布在滨海平原地区,在潍寒漏斗附近也存在2个面积较小的强度盐渍土斑块(图5)。我们推测潍寒漏斗受到海水入侵的影响,地下水得到盐度较大海水的入渗和补给,漏斗面积的发展受到限制,然而,当地农业生产抽取受到海水入侵影响的高盐度地下水进行灌溉时,会加剧土壤盐渍化问题。潍寒漏斗处于虞河和白浪河附近,容易发生海水入侵,在其南北两侧存在2个强度盐渍土斑块。吕留漏斗和昌邑漏斗则处于相对不易引发海水入侵的地区,其附近的土壤盐渍化程度也相对较小。虞河和白浪河由于正对莱州湾,是现代河床入侵最为严重的地区,研究区中部和南部地区存在的3块强度盐渍化土壤斑块,均位于虞河和白浪河流域。

4.4 环境地质问题综合分析

综上所述,海(咸)水入侵、地下水超采漏斗和盐渍土是莱州湾南部地区的主要环境地质问题(图7),三者之间存在复杂的相互作用和内在联系。自然环境变化(海平面上升、潮流和风暴潮增强、降雨量下降、径流减少)和人类活动(地下水超量开采(工农业生产及生活)、水库修建)等是引发环境地质问题的主要因素。地下水超量开采受降雨量下降、径流量减少、地下水咸化以及工农业发展等多种因素的控制,是研究区环境地质问题的核心影响因素[16,22,37-38]。自20世纪80年代以来,随着经济不断发展,各地取用水量逐步增加,对地下水资源过度开发;同时莱州湾南部地区的持续性干旱,地下水得不到有效的补充,导致地下水水位长期处于下降趋势,莱州湾南部地区形成地下水降落漏斗并逐步加大、加深[16,22]。地下水超采漏斗的形成,造成了地下淡水水位低于海平面,改变沿海地区咸淡水系统的动态平衡,使得其界限向陆地移动,发生海水入侵[16,22]。海水入侵会补充地下水,限制超采漏斗的发展,但会导致地下水咸化,农业生产抽取高盐度地下水进行灌溉会引发土壤盐渍化问题[38]。莱州湾南部地区咸淡水界限与水浇地分布北界相一致,而海(咸)水入侵与沿海地区土地开发利用密切相关[39],沿海地区人类活动(主要是抽取地下淡水)对海(咸)水入侵的影响占70%以上[22]。盐渍化土壤中的盐分向周围渗透会进一步咸化浅层地下淡水资源,降低地下淡水的供给,如若满足正常工农业生产需求,则需增加地下水的开采,会进一步加大海(咸)水入侵和地下水超采漏斗的规模[38,40]。

图7 莱州湾南部沿海地区环境地质问题综合评价Fig.7 Comprehensive evaluation of environmental geology problem on the coastal regions of southern part of the Laizhou Bay

目前,在全球气候变暖、海平面上升引发海(咸)水入侵;人口增加,经济快速发展,对水资源需求量增大等背景下,我们还不能从根本上解决这些环境地质问题,但是可以采取一定的积极措施来缓解环境地质问题的进一步发展[37]。

目前莱州湾南部地区环境地质问题发展整体趋缓,部分地区有改善的现象,但还远远不能满足目前社会经济发展的需要,解决或缓解该地区环境地质问题关键在于解决地下水超采问题。首先,要合理布局地下水开采,调整用水布局,采取分散开采的策略。其次,要合理利用地下水资源,积极进行产业升级,引进和建立节水型工农业产业,减少日常生活和工农业生产中的用水量,积极开展循环利用措施;充分利用当地雨水资源,潍河、白浪河、弥河冲洪积扇水文地质条件较好,含水层厚度大、颗粒粗,具有很好的储蓄水能力,在其中下游修建拦水工程,减少大气降水入海量,并将水引入适当位置;在南部山区开展水土保持工作,减少降水流失量,以增加对北部下游区的地下水径流补给。在虞河、堤河和白浪河河口及其之间岸段建设防潮堤、防潮闸,可以有效防范海平面上升、潮波和风暴潮等作用把海水携带到陆地造成海(咸)水入侵。对已有的防潮堤、防潮闸则需进行维护或加固,提高其防范灾害的等级。对于已经盐渍化的土壤,采取水利改良、化学改良、物理改良等积极手段进行改造[41-43],保障社会经济持续健康发展。建设比较系统的地质环境监测网络:统一沿海地区监测井的管理;加强环境地质问题的监测与预警。

5 结 语

莱州湾南部沿海地区的环境地质问题主要有海(咸)水入侵、地下水超采漏斗、盐渍土。

海(咸)水入侵的程度由北向南逐渐减弱,寿光营里镇、侯镇,寒亭固堤、萧家营子镇,昌邑卜庄镇、柳疃镇一线以北区域为重度入侵区,向南依次为中度入侵区和轻度入侵区;2016年海(咸)水入侵界线在寿光市道口镇-寒亭区固堤镇-昌邑市卜庄镇一线,入侵面积达2 157.96 km2;海(咸)水入侵主要有顺层侵染和现代河床入侵两种方式;

地下水超采漏斗主要有有牛头镇-寿光、留吕、潍寒及昌邑四个漏斗,这4个漏斗已发展成近东西向区域性漏斗群带,总面积约387.4 km2。超采漏斗会引发海水入侵,限制自身面积发展。

土壤盐渍化程度整体上呈由北向南减弱的趋势,受海水入侵和人类生产活动的共同影响,盐土和强度盐渍化土壤主要分布在研究区东北部和西北部滨海地区,中度盐渍化土壤主要分布于强度盐渍化土壤区外围。抽取受海水入侵影响的高盐度地下水进行灌溉是土壤盐渍化的重要影响因素。

长期超量开采地下水是导致环境地质问题主要原因。全球气候变暖海平面上升、降水减少、流域水库建设和海岸带地区经济建设等是环境地质问题的重要影响因素。环境地质问题的防治应采取多种手段,开展综合治理,包括合理开发利用地下水资源;修建防潮堤、防潮闸;开展南部山区水土保持工作,减少降水流失;建立系统的监测网络,加强环境地质监测与预警等。