孙金华:黄渤海沿海地区海水入侵防治与地下水管理研究
20世纪80年代以来,随着沿海地区经济社会用水量快速增加,地下水开采量不断增多,海水入侵范围也逐渐扩大。“十三五”国家重点研发计划“黄渤海沿海地区地下水管理与海水入侵防治研究”专项研究成果表明,我国辽宁、河北、山东、江苏、浙江、福建、广东、广西、海南等9个省份遭受海水入侵。
海水入侵区通常是农业高产区。海水入侵使得地下水咸化、土壤盐渍化,大批机井因水质恶化报废,农业产量大幅度下降,个别地方甚至绝产。海水入侵区通常又是工业密集区,海水入侵导致滨海平原地下水水质日趋恶化,另建水源地或者增加输水管线都会加大生产成本;水中氯离子含量增加,总硬度升高,不仅增加水处理费用,还降低产品质量,并使生产设备及输水管线遭受严重腐蚀。海水入侵还会造成入侵区地下水型饮用水水源水质恶化,导致甲状腺肿、氟骨病、氟斑牙、布氏菌病、肝吸虫病等疾病的发病率显著提高。
海水入侵对我国沿海地区水安全、粮食安全、生态安全和人民群众生命健康造成了很大的危害,更会影响京津冀协同发展、长三角一体化发展、粤港澳大湾区建设等国家重大战略的顺利实施。海水入侵主要是由沿海地区地下水的不合理开发利用引起的,地方有关部门应该提高对海水入侵成因与危害的认识,并结合本地区实际情况,加强沿海地区地下水管理,掌握海水入侵防治技术,推进海水入侵适应性管理对策落地实施。
一、海水入侵现状及成因
1.海水入侵现状
根据海水入侵重点专项研究成果,黄渤海沿海地区是我国海水入侵最为严重的区域,海水入侵面积占全国的61%,主要分布于丹东、大连、营口、盘锦、锦州、葫芦岛、秦皇岛、唐山、烟台、威海、青岛、日照等城市。此外,黄渤海沿海地区还有大片氯离子浓度大于等于250mg/L的咸水体分布,面积占全国的89.6%。沿海地区咸水体的形成与过往地质时期海水滞留、入侵有密切的关系。
2.海水入侵成因
我国沿海地区海水入侵成因主要有人类活动与自然变化两种。
(1)人类活动
地下水超采。我国沿海地区的海水入侵主要是地下水超采引起的。地下水的过量开采,破坏了天然条件下海岸带含水层中淡水与海水间的平衡,导致海水向内陆入侵。例如,在山东省沿海地区,由于工农业用水量持续增加,加上地表水资源供应不足,地下水超采量不断加大,导致烟台、威海、青岛、日照等四地海水入侵面积不断扩大。
河道无序拦水。在部分沿海地区,入海河流中上游修建了大量水库、挡水闸及截潜流工程,层层截流,但缺乏统一调度管理,导致河道下泄生态流量无法保障,地下水补给量削减,海水入侵不断加剧。
河道采砂。部分地区在入海河道挖砂,导致河床高程逐年下降,海潮上溯距离延长,同时破坏了含水层结构、改变了地下水补给条件,加速了海水向内陆的侵入。
晒盐与海水养殖。滨海地区常有在海边修建大量虾池、参池等海水养殖场,扩建盐田,抽引海水或高浓度地下卤水晒盐等生产活动,这些生产活动将海水引入内陆数公里,加剧了局部地区的海水入侵。
(2)自然变化
海平面上升。根据《中国海平面公报》,1980—2019年,我国沿海海平面上升速率为3.4mm/a,高于同时段全球平均水平。预计未来30年,我国沿海海平面上升高度最大将达179mm。海平面的上升使咸淡水之间原有的水动力平衡遭到一定程度的破坏,咸淡水界面向内陆方向移动,加重了沿海地区的海水入侵问题。
气象条件。浅层地下水的补给主要来源于大气降水。在丰水年,降水多,河道径流大,补给地下水的水量就多,海水入侵速度就会减慢;在枯水年,尤其是连枯年份,降水少,地下水补给量少,加上地表水资源减少导致地下水开采量增大,会使地下水水位下降,海水入侵程度就会加重。此外,风暴潮会使沿海地区部分陆地被淹没,海水长时间在陆地滞留,为海水入侵创造了有利条件。
海岸带地质条件。地质构造对海水入侵的发生地点、方式、途径等起到了控制作用。砂质海岸地层主要为第四系松散沉积物,容易发生海水入侵。另外,上覆第四系松散层、延伸入海的承压含水层顶部存在岩性天窗,或因海底地形切割导致隔水层变薄、缺失,形成具有一定透水性能的基岩断裂破碎带或岩溶溶隙、溶洞等,均使海水可直接与含水层中地下水发生水力联系,即形成连通海水与地下水的“通道”,易引发海水入侵。
总而言之,海平面上升、干旱少雨、地表水资源不足是海水入侵的背景因素;地质条件是海水入侵的基础条件,控制着海水入侵的分布、方式和途径;不合理的人类活动是海水入侵的诱发因素,控制着海水入侵的速度和程度,其中过量开采地下淡水是最主要的原因。
二、海水入侵防治技术与方法
基于海水入侵重点专项成果,综合分析黄渤海沿海地区已经实施的海水入侵防治技术,并借鉴其他海水入侵区常用的防治技术与方法,归纳总结出海水入侵防治技术与方法,主要包括以下几种类型。
1.地表拦蓄补源
地表拦蓄补源技术主要通过拦截和存蓄雨洪水、上游闸坝弃水、区间地表径流等,提高地表雨洪水滞蓄能力。为提高地表蓄水入渗能力,地表拦蓄通常与河道治理结合实施,即采取疏浚、扩挖等方式改造已有坑塘、河道,形成渗水廊道,在闸坝前适宜区域修建回补池渠,实施地下水人工补给。山东省青岛市大沽河干、支流上已修建多座闸坝,形成了梯级拦蓄模式,提升了地下水资源的补给和利用水平,在一定程度上缓解了当地水资源紧缺形势。
2.地下水井回补
地下水井回补是直接补给目标含水层地下水的主要技术方法。根据穿透地层厚度的不同,地下水回补井可分为包气带井和含水层井两大类,其中包气带井又称为干井或渗滤井。地下水回补井通常是机井,在地表土地资源有限、包气带渗透性差或补给目标含水层较深时,一般会通过机井将补给水源直接注入目标含水层。按照利用模式的不同,地下水回补井可分为单一注水井,含水层储存回采系统和含水层储存、运移及回采系统;按照注水补给技术的不同,可分为无压回灌井、真空回灌井和加压回灌井。
3.地下水库调蓄
地下水库是以含水层空隙为储水空间,在人工干预下形成的具有一定调蓄能力的水资源开发利用工程。滨海平原海水入侵区的地下水库主要利用地下坝体彻底阻断海水入侵路径,然后在地下坝内陆一侧,采取抽咸补淡方式,在治理咸水体的同时,积极回补淡水,在此基础上开展地表水源的地下调蓄利用。地下水库建设技术主要包括补给水源预处理、补给区建设、地下截渗墙建设、供排水设施建设、监测与运行系统建设等。
4.地表防潮堤闸建设
沿海风暴潮往往导致潮水沿河上溯倒灌,加剧近海陆地海水入侵。在滨海河口、海岸等地带修建河口闸、防潮堤坝和生态型海岸防护工程等,可从地表阻断海水入侵通道。山东省莱州市自20世纪70年代开始防潮堤建设,并于21世纪初对其完成了除险加固,大幅度提升了防潮标准,有效抵御了风暴潮侵袭。山东省潍坊市在北部沿海地带也修建了防潮大堤,使沿海平原区免遭海潮袭击,海水入侵受到不同程度的遏制。
5.地下防渗墙建设
地下防渗墙是在滨海含水层中修建的拦截海水入侵的地下实体坝。在入海河道或咸淡水流通性较好的地点修建防渗墙后,原地层的透水性被大大削弱甚至完全消除,所以防渗墙一方面可以阻止下游海水对上游淡水的入侵,另一方面还可以拦蓄调节自上游向下游排泄的地下淡水。根据材料的不同,地下防渗墙可分为黏土防渗墙、混凝土防渗墙、自凝灰浆防渗墙等;按照施工方法的不同,可以分为高压喷射防渗墙、射水法防渗墙、开孔造槽回填连续防渗墙等。
6.淡水帷幕构建
淡水帷幕是将地表淡水回灌补给含水层,使得地下淡水水头高于临近的咸水水头,重新建立起由陆地指向海洋的正向水力梯度,在海水入侵的咸淡水前锋区形成一条带状阻咸帷幕屏障,借助较高的淡水水头及条带状淡水体隔离咸水,防止其持续向内陆运移。淡水帷幕构建技术主要包括补给点范围选取、补给深度与补给量合理分配等,如何在地下形成连续持久的淡水体是此项技术的关键。
7.区域水源调配
区域水源调配主要通过建设引调水工程,向受海水入侵威胁区域调配淡水,增加区域供水能力。莱州市先后建设了东水西调工程、小沽河调水工程,将东南山区的汛期洪水调度到缺水的西北滨海平原区,既减轻了东南山区防汛压力,又缓解了平原区缺水状况,还减少了滨海地区地下水开采量,减缓了海水入侵速度。
8.地表水与地下水联合调控
地表水与地下水联合调控是防治海水入侵的重要非工程技术方法,主要包括海水入侵预测、地表水利工程调度、地下水开采优化调控等。通过实施地表水与地下水联合调控,优化水库、闸坝、开采井等工程的调度运行,合理调整地下水开采的时空布局,避免集中高强度开采,防止地下水水位负值区持续扩展,增强地下水系统调蓄能力和区域地表水与地下水资源统一配置调度能力,实现区域有限淡水资源的可持续利用。
黄渤海沿海地区海水入侵历史久远、成因复杂,加之区域经济社会发展迅速,人类活动影响剧烈,凭借单一技术方法很难达到良好的防治效果,需要在分析研究黄渤海沿海地区拦蓄补源、地下水回补、地下防渗墙等现有海水入侵防治技术方法的基础上,将各类技术方法进行系统整合并加以优化,联合运用水库、拦河闸坝、防渗墙、人工回补和控制开采等措施,构建工程与非工程措施相结合、地表水与地下水联合调度的海水入侵综合防治技术方法体系。
三、海水入侵适应性管理对策
1.强化水资源刚性约束
在黄渤海沿海地区全面加强水资源消耗总量和强度双控,坚持以水而定、量水而行,坚决遏制不合理用水需求,实现用水方式由粗放低效向节约集约的根本转变。统筹经济社会发展与海水入侵防治需求,以县域为单元开展水资源承载能力评价,建立预警体系,发布预警信息,强化水资源承载能力对经济社会发展的刚性约束。重点推进重大产业布局和各类开发区规划水资源论证,严格建设项目水资源论证和取水许可管理,从严核定沿海地区许可水量,对可能引发或加剧海水入侵的地下水超采区暂停审批新增取用地下水许可。
2.全面深挖节水潜力
加快落实《国家节水行动方案》,全面深挖节水潜力,逐步减轻黄渤海沿海地区经济社会对地下淡水资源的依赖程度。从发展节水型农业入手,加快节水改造和高标准节水灌溉工程建设,推广农艺节水措施,提高农业用水效率。合理调整农业种植结构,控制适当的水旱田比例,发展旱作雨养农业,推广耐旱、耐盐作物品种,因地制宜种植海水稻。按照宜林则林、宜草则草、宜药则药的原则,发展雨养生态农业。推进非常规水源利用,将再生水、城市雨水、淡化海水等纳入水资源统一配置,带动非农领域节水。加大城市雨水渗、滞、蓄、用、排等收集利用设施建设,扩大海水淡化规模,在沿海电力、化工、石化等行业鼓励海水直接利用。
3.严格水量水位双控
合理确定海水入侵威胁区的地下水开采量和控制水位阈值,在沿海地区加快推行地下水开采量与水位“双控”管理。在海水入侵严重和发展较快地区实行地下水开采分区分级管控,防止地下水水位负值区持续扩展。调整地下水开采时间,优化分散开采井布局,避免集中高强度开采,增强地下水系统自然修复能力。对于多层承压含水层分布区,调整开采含水层位,有计划地开采不同层位,控制每个开采含水层的淡水水位或压力水头不低于海水水位。严格禁采区、限采区管理,依法规范机井建设管理,排查登记已建机井,对未经批准和公共供水管网覆盖范围内的自备水井,一律予以关闭。
4.优化调配淡水水源
建设引调水工程,实施区内区外水源调度,向海水入侵威胁区域调配淡水水源,增强区域供水能力。合理利用当地地表水水源及外调水置换地下水水源,逐步削减地下水开发利用程度较高地区的地下水超采量。例如,青岛市实施的引黄济青工程,对海水入侵区的供水状况有很大的改善,收到了较好的社会效益和经济效益。与此同时,青岛市加强水库、闸坝、开采井等水利工程的联合调度,优化工程运行管理。大沽河干、支流上已修建多座梯级闸坝,初步形成了“梯级拦蓄、水面相连、削错洪峰、截流尾水、径潜合取、规范管理”的联合调度模式,提高了汛期雨洪资源的利用水平,在一定程度上缓解了当地水资源紧缺形势。
5.增加地下淡水补给
采用地表拦蓄补源、地下水井回补等工程措施增加地下水补给,抬高淡水水位,以改善海水入侵状况。结合入海河流源短流急特点,在滨海地区河道上合理规划建设拦河闸、拦河坝等拦蓄工程,通过梯级拦蓄方式,在保障河流生态基流的基础上,提高河流雨洪水滞蓄能力,增加河流对地下水的下渗补给。综合考虑地下储水空间、包气带渗透性能、含水层边界封闭性等条件,结合地下截渗墙建设,构建地下水库,实施地下水联合补给和优化开采,提高地下水人工调蓄能力。
6.阻断海水入侵通道
通过修建河口闸、防潮堤、截渗墙等水利工程,从地表或地下物理阻断海水入侵通道。在河口地带,修建拦河闸、防潮堤坝以及生态型海岸防护工程;在滨海含水层中,采用高压喷射灌浆、静压灌浆等方法构筑地下截渗墙。例如,青岛市在大沽河下游麻湾拦河闸位置,借兴建拦河闸时的地下水截流,兴建截渗墙;山东省龙口市八里沙河、黄水河等的下游均修建了地下截渗墙,形成地下拦水坝,拦蓄地下潜流,阻止海水向内陆入侵。
7.提高地下水监控能力
地下水监测是地下水管理与保护的重要基础性工作。黄渤海沿海地区地下水监测站网的布设,多数未能满足《地下水监测工程技术规范》(GB/T 51040—2014)中对海(咸)水入侵区20~30眼/103km2的布站密度要求,且在监测手段和精度方面都亟待提高。应优化加密地下水监测网,完善海水入侵重点区监测站网,构建地下水远程实时在线监测系统,并对大型自备水源取用水户实施自动监控。加强地下水库和重要水源地的地下水动态自动监测,及时掌握地下水水位、水质和开采量变化情况以及人类活动对地下水的影响。