衡水市咸水入侵问题研究综述

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　　摘 要：咸水入侵问题是水文地质研究中的一个重要课题。本文以衡水市为例重点介绍了咸水成因、分布以及咸水入侵的机理，综述了水质变化、水质预测以及咸淡水界面变化的研究现状，总结出咸水入侵的应对措施，为地下水资源的合理开发利用和淡水资源的保护提供理论依据。
　　关键词：咸水入侵;地下水水质;咸淡水界面
　　引言
　　咸水入侵指的是在人类活动影响下淡水水量和水位的降低，天然状态下咸淡水之间的平衡被打破，导致咸淡水交界面向淡水一侧推进，直到达到新的平衡状态。
　　快速发展的社会经济对于水资源的需求不断增大，自然界水资源的有限性要求人们必须加强对水资源的管理[1]。衡水市位于华北平原的中部，地表水资源极度匮乏，地下浅部蕴含着大量的咸水，在咸水之下的深层水就是衡水市主要开采的淡水水源。自20世纪70年代以来，衡水市经济发展迅速，工农业的快速发展导致需水量大量增加，20世纪80年代以后，由于降水量减少，为了满足发展的需求，衡水市大量超采地下水，导致浅层淡水水质咸化和咸淡水界面下移，已经严重威胁到了衡水市的供水安全。因此，衡水市地下水水质以及咸淡水界面的变化成为人们急需研究的重要问题。
　　1 咸水成因及入侵机理
　　1.1 咸水成因
　　衡水市全区除深州北部、安平、饶阳西北部地区有全淡水区外，其它地区均有咸水体分布[2]，咸水体自西北到东南呈逐渐变厚的楔形体分布。咸水成因大致分为2种类型：海相原生咸水，第四纪发生多次海进，海相层中地下水化学成分与现代海水近似，说明海相地层沉积的同时，海水沉积于地下而形成高矿化咸水，在地下水形成过程中，原生海水被逐步改造，形成具有滨海特征的海湖积平原区咸水;陆相次生咸水，该类型的咸水是在气候、古地理环境等因素影响下的地下水循环过程中形成的[3]。
　　1.2 咸水入侵机理
　　1.2.1 浅层咸水入侵浅层淡水
　　浅层地下水开采区大量开采浅层淡水，周围咸水水头高于淡水，打破了咸淡水之间原有的动态平衡，造成咸水区向淡水一侧扩散，咸水区面积不断扩大，形成咸水入侵。根据咸水入侵机理理论分析，衡水地区浅层水咸化现象由于大量开采浅层水而不断加剧，但实际研究表明浅层咸水有淡化趋势，并且淡化速度较快。周晓妮等[3]将所取衡水市浅层水样品矿化度与多种离子化学成分含量间的相关关系进行分析，结合前人所做研究[4]发现1982—2006年衡水地区浅层地下水矿化度不断减小，得出浅层咸水淡化的结论，结合相关研究通过分析认为，该地区浅层咸水淡化的原因主要是大量开采深层淡水导致咸水体下移，降水入渗填充了浅部空间，造成咸水淡化。
　　1.2.2 浅层咸水入侵深层淡水
　　衡水市深层水降落漏斗形成于20世纪70年代，这一时期工、农业发展迅速，用水量需求持续增加，为了满足发展的需求，衡水市大量开采深层地下水，长期的持续超采导致地下水水位持续下降，深、浅层水之间形成巨大水头差，为上部浅层咸水越流补给深层淡水提供了水动力条件，最终造成咸水入侵问题[5]。
　　2 水质及咸淡水界面变化研究
　　分析前人所做研究并综合咸水成因以及咸水入侵机理，发现咸水入侵问题的研究主要集中在2个方面：水质变化研究和水质预测及咸淡水界面变化研究。
　　2.1 水质变化研究
　　地下水水质变化的研究主要是研究地下水的化学成分在各种因素影响下时间和空间上的变化。对于地下水水质变化研究的方法较多，例如内梅罗指数法、模糊数学、物元可拓法、集对分析法、综合指数法、单因子评价法、灰色聚类法等。
　　国外对于地下水水质变化的研究较多。1993年M Loizidou等[6]对雅典地区垃圾填埋场周围地下水进行取样监测发现渗滤液对地下水水質影响较大。1999年X.Song等[7]运用化学及同位素技术对Sri Lanka西部地区的水质演化进行研究，发现地下水中主要离子的浓度和电导率的变化与季节的相关性较小。1991年荷兰建立了国家地下水水质数据库（INGRES），1991年美国地质调查局开始执行国家水质评价计划[8]。2011年Polat等[9]对季节性地下水水质变化进行评价。2016年Takeshi Saito等[10]研究了地下温度变化对地下水质量变化的影响，测试了几种组分的随温度的变化趋势。
　　20世纪90年代以来国内对于水质变化也做了大量的研究。沈照理[11]在“水文地球化学基础”中对地下水化学成分的特征进行了详细讲述。张宗祜等[12]描述了华北平原地下水环境的演化与发展。邱汉学等[13]叙述了海水入侵区地下水化学成分的形成作用。高太忠等[14]通过取样对比分析发现武邑县圈头地区浅层淡水有被咸化的现象，并对20世纪80—90年代的水位埋深进行分析，得出河北平原地下水位持续下降、水资源逐年衰竭的结论，提出实现水资源和社会经济可持续发展的对策。赵勇胜等[15]将水质预警模型与GIS技术相结合，建立地下水水质预警系统，并且应用于吉林省西部平原地区地下水水质预警。谢菲等[16]分析了泾惠渠灌区地下水基本特征、地下水化学成分的形成原因以及不同灌溉水源区地下水的暂时性变化规律。栾凤娇等[17]采用单因子评价法对叶尔羌河流域平原区农村地下水水质进行评价，评价结果符合研究区的实际情况。
　　对于水质变化的研究国内外学者都非常重视，在研究中运用了多种理论方法，为水质变化研究做出了大量的贡献。
　　2.2 水质预测及咸淡水界面变化研究
　　20世纪初国外就已经利用数学模型研究地下水问题，对于水质研究的数学模型应用开始于20世纪60年代。1976年前苏联科学家作出了对孔隙介质中水动力弥散研究的详细综述[18]。1972年J.Fried[19]通过对经典模型和水动力弥散方程的研究，提出了新的水动力弥散方程。Birkholzer等[20]利用美国地质调查局NWIS数据库建立了含水层地球化学模型。Ben V.Furlong等[21]利用区域地下水流动模型预测区域井水水质分布。2016年Sakizadeh等[22]采用神经网络、神经网络集成神经网络和贝叶斯正则化神经网络对地下水水质指数进行了预测，并对3种预测方法的性能进行了对比。近年来随着溶质运移模型的广泛研究，获得的成果越来越多。 　　国内对于地下水水质模型的研究开始于20世纪80年代。吴吉春等[23]首次建立了越流含水层系统的地下水污染数学模型，并且导出了包括越流项和井流项的溶质运移方程。1982年邓聚龙教授[24]提出了灰色系统理论，实现了对地下水水质的科学预测，其中的GM（1，1）模型是常用的预测模型。孙鸣等[25]详细叙述了GM （1，1）模型的建模、精度检验和模型修正过程，并以大武水源地为例预测了水质变化趋势。吕海涛等[26]指出了应用灰色模型时注意的问题。近年来人工神经网络的预测应用发展迅速，刘国东等[27]以成都市金堂县东风水库水质资料为例，建立了地面水水质综合评价的BP人工神经和Hopfield网络模型，结果发现Hopfield网络更优于BP人工神经网络。王秉忱等[28]对地下水污染与水质模拟实验的基本理论作出叙述，以济宁市区地下水污染发展为例建立地下水动力弥散方程并展示了详细的求解过程，指明求解过程只适用于以弥散为主的问题。郭永海等[29]对河北平原地下水环境进行模拟，结果表明咸水入侵深层淡水并不是简单地机械混合，其中发生了多种物质的溶解、沉淀、阳离子交换等水文地球化学作用。吴吉春等[30]通过野外实地调查，建立山西柳林泉裂隙发育区三维可混溶溶质运移模型，将模拟结果与实际情况对比，证实三维模型的建立是合理的。苗添升等[31]为了减小参数取值的偶然性，提高模拟结果的合理性，使模拟结果更具参考价值，使用蒙特卡洛方法对地下水数值模拟模型进行不确定性分析。赵春兰等[32]利用Modflow和MT3D软件模拟垃圾渗滤液对地下水水质的影响。杜超等[33]采用VB语言编程技术建立了下辽河平原地下水水质预测模型。王现国等[34]利用PHREEQC软件对三门峡盆地地下水化学成分进行了水文地球化学模拟，对地下水化学环境演化过程定量评价。张将伟等[35]以河谷地区为原型建立地表水地下水的水流水质联合模拟模型，应用HydroGeoSphere软件对构建的模型进行求解，对未来水流和总氮的变化特征进行预测。武雅洁等[36]利用OpenGeoSys软件建立二维饱和多孔介质变密度地下水流的溶质运移模型，对地下截渗墙影响下的咸水入侵问题进行了数值模拟。随着近年来计算机模拟软件的推广，地下水水质模拟预测的技术日趋成熟，准确度也越来越高。
　　国内对于咸水入侵问题的研究始于20世纪80年代后期，通过观察咸淡水界面位置的改变可以看出咸水入侵的趋势，是对咸水入侵最直观的体现。薛禹群，吴吉春等对这一方面研究较多。薛禹群等[37]在研究咸水入侵问题时，认为对水头和盐分在垂向上的动态变化分析是十分重要的，最好的办法是建立三维监测网，进行长期观测，通过设置长期监测点可以更好地观察咸水體的运移趋势，为咸水入侵的动态监测提供基础资料。明木河等[38，39]对衡水市咸淡水界面的变化做了大量研究。出于对咸淡水界面运移预测中突变界面模型和动力弥散界面模型等确定性模型方法局限性的考虑，潘世兵等[40]运用灰色建模原理提出一种非确定性模型方法-灰色突变模型方法，并应用于广饶县井灌区咸水入侵模拟预测，模拟结果表明灰色突变模型方法具有简洁有效的特点，但是这种模型方法的应用必须要具备系列长期的监测数据，并且只适用于浅层咸水入侵趋势的研究，其中山东省广饶县水利局针对咸淡水混合区布置了咸水入侵监测网，为咸淡水界面运移规律分析和预测提供了基础数据和资料。王永昌等[41]认为，气候和过量开采地下水是导致沧州地区咸水入侵的主要原因，通过搜集河间市300诸多深机井资料，将各测井的咸水底界埋深值及成井时间与背景值（1967年）对照比较，证实了20世纪60—90年代近30a的时间内河间市咸水底界面全市平均下移10.69m。牟纯儒等[42]对河北省典型区咸淡水界面下移现状和机制进行了分析。张亚哲等[43]将矿化度的大小作为咸淡水分界的指标，详细论述河北平原地下咸水的分布及储量，并且利用多年的动态监测结果证实咸淡水界面呈下移趋势，提出咸水的开发利用应遵循“以用为主，以用促改”的策略。张素娥等[44]利用典型井孔矿化度的动态监测值证实了衡水市在浅层咸水分布区均有不同程度的咸水入侵深层淡水现象，并指出超采深层地下水是导致咸水入侵深层淡水的主要原因，通过统计物探测井资料计算出了咸淡水界面下移的多年平均值。费宇红、张兆吉、宋海波等[45]对华北平原咸水入侵问题研究较多，通过对地下水水质动态监测、机电测井、成井物探等资料的分析，证实了咸淡水界面下移的事实，并提出地下水开采是造成咸淡水界面下移的主要原因。孙晓敏等[46]利用取自研究区的原状土进行室内化学渗透模拟试验，实验结果表明化学渗透效应在一定程度上会影响咸水下移的速度。周晓妮等[47]对咸淡水界面的空间分布特征及其演变的过程进行了野外观测。
　　大量学者针对咸水入侵问题从入侵机理、入侵速度、咸淡水界面运移预测、水质变化预测、微咸水、咸水的开发利用等诸多方面进行了研究，研究成果对于防治咸水入侵问题具有重要意义。
　　3 咸水入侵问题的应对措施
　　3.1 减少地下水的开采
　　根据咸水入侵的机理，防止咸水入侵问题最直接的方式是减少对地下水地开采，通过合理规划地下水的开采量，可以有效地控制地下水位，减小咸淡水之间的水头差。以研究所得的结论作为科学依据，为当地水资源的开发利用提出合理化建议。
　　3.2 开发利用咸水、微咸水
　　前人对于华北平原咸水灌溉利用问题已经做了较多研究，研究结果表明：对于矿化度大于3.0g/L的地区，实行咸淡水混合灌溉，通过咸淡水的混合降低灌溉水的含盐量。在矿化度小于3.0g/L的地区，可以直接进行灌溉[48，49]。
　　3.3 建立健全咸水入侵监测网和检测系统
　　在全市范围内建立咸水入侵三维监测网，对地下水水质进行动态监测，利用数值模拟技术建立咸水入侵模型，预测咸水的发展趋势。
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