, 马荣, 苗青壮, 刘少玉, 刘鹏飞, 张薇, 王哲中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 石家庄 050061
2016年11月07日 收稿; 2017年02月16日 收修改稿
基金项目: 中国地质科学院水文地质环境地质研究所所控基金项目（SK201602）和中国地质调查局地质调查项目（DD20160241）资助
通信作者: 石建省, E-mail:tiger7886@gmail.com
摘要: 对于咸淡水交互界面空间分布特征传统研究主要以室内模拟为主。为克服尺度效应和地层分布的非均质性，以威海市环翠区双岛镇西山村双岛港东北部为研究对象，从山前-滨海区选择一个典型剖面，在海水涨落的一个周期内，对地下水水位和水质进行观测，通过水化学分析结合多元统计等方法，精确刻画咸淡水界面的时空分布特征。结果表明，实验剖面上X5点处咸淡水界面以0.9 m埋深为中心、倒U字形入侵，垂向上位于埋深0.3~1.5 m之间，入侵强度为0.9 m＞0.6 m＞1.2 m＞1.5 m；咸淡水交互界面在重力作用下向下方短距离迁移，且呈现咸水入侵速度快，回淡速度慢的趋势；界面上水化学类型的变化主要表现为由重碳酸型水转换为氯化物型水的一个循环往复的过程。
关键词: 咸淡水界面水力梯度水化学类型咸水入侵
Field observation of the evolution of spatial distribution of seawater-freshwater interface
ZHOU Xiaoni, SHI Jiansheng
, MA Rong, MIAO Qingzhuang, LIU Shaoyu, LIU Pengfei, ZHANG Wei, WANG Zhe Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang 050061, China
Abstract: In traditional research people mainly employed the laboratory simulation experiments to characterize the spatial distribution of interactive interface between salt and freshwater.However, these approaches did not take into account the scale effects and heterogeneity of stratum structure.To address these problems, a typical profile was selected from the piedmont plain to the alluvial coastal plain in the south part of Shandong Province.The water table and samples were collected from this profile within a cycle period of flood-ebb fluctuations, and the multivariate statistical analysis method was used to describe the spatial distribution of this interactive interface.The results indicated that the interactive interface distributed as an inverse U-shape and the burial depth was between 0.3 to 1.5 m vertically with the central point at the depth of 0.9 m at X5 point, and its intrusion intensity variance with depths was 0.9 m > 0.6 m > 1.2 m > 1.5 m.Under the condition of gravity activity the interactive interface migrated deep, showing a tendency of quicker saline-water intrusion and slower desalination.The groundwater type changed as an iterative process from bicarbonate type to chloride type in this interactive interface.
Key words: seawater-freshwater interfacehydraulic gradienthydrochemical typesaltwater intrusion
咸淡水界面的形状、运移机理和规律是海水入侵研究的核心问题，由于实际的咸淡水界面是一个过渡带，而其厚度和形状取决于岩性、构造、水动力特征、海水波动、降雨量等因素[1-2]，查明咸水入侵过程中咸淡水界面的运移机理，模拟与预测其未来发展趋势，对海岸带水文地质研究有着重要意义[3-5]。国内外****通过示踪法和取样法等室内模拟实验技术，对其进行大量研究，并取得丰硕成果。如，Rumer和Harleman[6]采用长150 cm、高60 cm、宽15.2 cm的实验装置，测量不同含水介质的咸淡水界面的运移速率。Bear等[7-8]应用室内模型实验结果检验突变界面的解析解。国内一些****也开展了海水入侵的室内试验研究。刘青勇等[9]研究淡水帷幕防止咸水入侵规律和影响因素，认为利用回灌措施形成淡水帷幕对防止海水入侵十分有效，为该项技术的研究提供了最基本的试验室依据。唐杰等[10]应用电导率法成功预测到混合带，并对混合带及其动态特性进行观测和分析。张奇等[11]利用室内试验对不同潮汐条件下的入侵界面的动态特征进行模拟，并发现入侵界面随着海水水位的周期性变化而来回移动，高水位时向淡水方向移动，低水位时向海水方向退去。刘晓红等[12]采用不同渗透系数的白色石英砂模拟含水层，模拟海水入侵界面的形成和发展规律。何丽等[13]采用室内砂箱模型分析咸淡水界面运移速率的研究。这些研究进展为海水入侵防治等工作提供了良好的数据基础。由于尺度效应以及地层分布的非均质性等原因，室内模拟难以真实刻画咸淡水空间分布特征。基于此，在充分参考前人研究成果的基础上，选择典型剖面进行咸淡水界面运移的野外试验，监测咸水涨落过程中地下水位及水质的变化，分析界面的形态及离子运移规律，探讨海水入侵及后退规律，对建立淡水帷幕进行咸水改造的前期研究、防止和减轻咸水入侵有重要的现实意义。
1 研究区概况试验点位于威海市环翠区双岛镇西山村，地处双岛港东北部，地势起伏和缓，东面为200~300 m的波状丘陵，坡度在25°左右。山体多岩石裸露，土层覆盖较薄，但土壤通透性好；西面山下谷地开阔，为滨海平原和山前倾斜平原，西面交界处即为海湾，本次试验点即是选在丘陵下谷地与海湾交接处，地理坐标东经121°58′01.1″，北纬37°28′04.7″，野外试验示意图如图 1。
Fig. 1
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| 图 1 试验点仪器布设示意图 Fig. 1 Layout schematic diagram of instruments at experimental point 图 1 试验点仪器布设示意图 Fig. 1 Layout schematic diagram of instruments at experimental point --> | |
根据洛阳铲探测，结合附近的挖掘剖面，该试验点岩性以中细砂为主，地表0.4 m以内为含淤泥质细砂；仪器的布设按照垂直剖面等间距安装。
本地潮汐为半日潮型，即一个太阴日(月球连续两次经过上中天所需时间)内出现两次高潮和两次低潮，且两次高潮和低潮的潮差大致相同，涨潮过程和落潮过程的时间也几乎相等(6 h 12.5 min)；试验当月共14个大潮日，8个小潮日。
2 试验方法本次野外试验均选择大潮日，分别在2011年8月4号、5号、14号按照海水涨落的一个周期(干潮、涨半潮、满潮、退半潮，间隔3 h 6 min)集中试验3次(试验1，试验2，试验3)。通过人工开挖剖面(X1~X6)，布设土壤溶液取样器，布设位置如图 1；在X1、X4、X5、X6点处埋入pvc管(管壁布满小孔，管外包纱网)用于监测剖面地下水位埋深变化；在海边、咸水洼和水库埋入标杆以监测其水位变化；由于地下水位埋深较浅，海水面、水库水位等也可以直接测量，因此对海水、X6、咸水洼、X5、X1、X4、水库7个点的水位均使用米尺测量读取数据，并根据设定的水位基准线统一换算水位，精确到厘米；潮来时间隔5 min测量一次，潮退后10~30 min测量一次。
使用土壤溶液取样器取得地下水样品后，将样品分两部分，一部分利用多参数水质分析仪(Multi 3420 SET)现场测试并记录电导率、pH、温度等数据，测试样品共185组；另一部分样品密封保存，并于72 h内送交国土资源部地下水矿泉水及环境监测中心测试进行水质分析，测试K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-、溶解性总固体(TDS)等19项常规指标，测试样品共60组；piper三线图采用mapgis二次开发软件分析制作，剖面等值线图使用sufur 8.0软件绘制。
3 结果与讨论3.1 咸淡水位变化试验点的X5与X6点之间的咸水洼长期有咸水滞留且水位平稳，海平面低于咸水洼时，测得X5、X1、X4点处均为淡水；X6点处不同深度均为咸水，且随深度增加TDS增大，但其含量小于海水；试验1和试验2为相邻两天地下水位变化不大，试验2和试验3期间大量降水，因此试验3地下水位相对较高，3次试验的初始水位和最高水位见表 1。
Table 1
 表 1 3次试验各孔初始水位和最高水位Table 1 Initial and highest water levels of each pore in three testscm
| 表 1 3次试验各孔初始水位和最高水位Table 1 Initial and highest water levels of each pore in three testscm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3次试验中，X6点处均受到咸水浸染，X5点处仅在试验1受到咸水浸染，X1~X4点处未受到浸染。本文仅选取受到咸水侵蚀的试验1重点分析咸淡水过度界面的空间分布和演化特征；该试验过程中咸水位最高时高于X5、X1孔水位(表 1)，地下水位波动滞后咸水波动约5 min，在X5点处发生咸水入侵现象。
3.2 咸淡水界面运移过程分析3.2.1 典型剖面水中电导率变化特征根据现场样品测试的X6、X5、X1这3个点处不同深度电导率值，绘制曲线如图 2。
Fig. 2
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| 图 2 各点电导率值变化过程线 Fig. 2 Changes in conductivity value at each points 图 2 各点电导率值变化过程线 Fig. 2 Changes in conductivity value at each points --> | |
X6点处电导率值在空间上总体表现为随深度增大的趋势；时间上，干潮、半潮时刻，电导率变化不大；满潮时电导率均有增大，其中1.8 m以上位置增大幅度在10%左右，1.8 m位置电导率变化幅度很小，仅增大0.3%；各点电导率均值在满潮时最大，其次为退半潮时，涨半潮时最小。
X5点处电导率值在空间和时间上变化较大：干潮时，电导率值在0.6~2.18 s/cm，均值为1.27 ms/cm；涨半潮时，电导率均值为1.11 ms/cm，水质相对干潮变淡；满潮时各点电导率均有增大，且随深度增加呈现先增大后减小的变化规律，埋深0.6、0.9、1.2 m位置变幅较大，电导率均值为9.05 ms/cm，均值最大；退半潮时，1.2 m位置电导率值变大，其他各点均有减小，均值为5.84 ms/cm；其各点电导率均值变化与X6点处规律一致，满潮时最大，其次为退半潮时，涨半潮时最小。
X1点处电导率在空间上呈现随深度降低的趋势，电导率值在0.60~0.85 ms/cm，且试验过程中基本保持不变，显示该点未受到咸水入侵影响。不同深度电导平均值为满潮时最大，其次为退半潮，干潮最小。
3.2.2 典型剖面水化学特征演化X6点处各点(埋深分别为0.3、0.6、0.9、1.2、1.5和1.8 m)水化学类型单一，无明显变化，从上到下均为Cl-Na型。
X5点处样品化学组分与潮汐运动有关(表 2)，在干潮、涨半潮、满潮、退半潮4个时刻中，离子组分和水化学类型均出现较大变化。
Table 2
表 2 X5点处各点水化学类型变化Table 2 Variation of hydrochemistry type at each point of X5 point
| 表 2 X5点处各点水化学类型变化Table 2 Variation of hydrochemistry type at each point of X5 point |
水化学类型及离子组分在时间上的变化规律分析如下：
干潮时，点处阴离子主要以Cl-、HCO3-为主，阳离子主要为Na+、Ca2+，其中1.2 m以上位置Cl-、Na+占主导地位，1.5 m位置HCO3-、Ca2+占主导地位，TDS介于0.35~1.23 g/L间，平均值0.71 g/L。
涨半潮时，除埋深最浅的(0.3 m)点，其他点均是HCO3-取代Cl-成为第一主要阴离子；阳离子的变化上，1.2 m以上位置Na+占主导地位，1.2 m及以下位置Ca2+含量超过Na+成为主要阳离子；与干潮阶段相比，Na+、Mg2+、Cl-含量持续减少，Ca2+在各点含量均有增加；水质的变化在于淡水的特性更明显。
满潮时，埋深0.3 m位置水化学类型保持不变，各主要离子含量及TDS也基本没有变化；埋深0.6~1.2 m处各离子组分变化较大，水化学类型均变为Cl-Na型，可溶性总固体成倍甚至几十倍增多，水质明显变咸；1.5 m处Cl-、Na+相对增多，Na+取代Ca2+离子成为第一主要阳离子，但溶解性总固体变化不大，为0.43 g/L，比上一时刻增加0.06 g/L，水质依然很淡，水化学类型由HCO3·Cl-Ca·Na型变为HCO3·Cl-Na·Ca型。
退半潮时，淡水回压，0.6 m位置阴离子中HCO3-含量相对增加，超过25%，阳离子均以Na+为主，其他各点水化学类型相比于上一个时刻保持不变。
空间上，在整个咸水涨落的过程中，浅部0.3 m位置水化学类型单一，均为Cl·HCO3-Na型水，且在试验过程中保持不变；原因是X5点处地表长期被潮水冲刷，致使表层土壤中混有少量淤泥，导致该层地下水中Cl-、Na+含量高；0.3~1.2 m，该段受海水浸染明显，水化学类型及各离子含量、TDS均发生显著变化，其中水化学类型是由重碳酸型水过渡为氯化物型水的一个循环往复的过程；1.5 m位置化学类型简单，主要存在两种类型水，涨半潮、干潮时的HCO3·Cl-Ca·Na型水和满潮、退半潮的HCO3·Cl-Na·Ca型水，且满潮时TDS稍有增加，但水质始终为淡水。
X5点处样品和海水样品的水化学Piper三线图如图 3。
Fig. 3
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| 图 3 X5点样品piper三线图 Fig. 3 Piper trilinear charts for samples of X5 point 图 3 X5点样品piper三线图 Fig. 3 Piper trilinear charts for samples of X5 point --> | |
由4个时刻的Piper三线图中各点走势可以看出，X5点处埋深(0.3 m)最浅的“1”号点各离子含量没有变化，图中位置基本保持不变。
埋深0.6、0.9、1.2 m的2、3、4号点变化幅度比较明显：
以干潮时刻为准，2、3、4号点在涨半潮时向偏离海水在三线图中位置的方向略有移动；满潮时刻，三点均迅速向海水位置靠近，其中3号点(埋深0.9 m)最靠近海水位置，其次为2号点(埋深0.6 m)，然后是4号点(埋深1.2 m)；退半潮时，2号点急速回移，基本回到干潮时刻位置；3号点略向偏离海水位置的方向移动；4号点移动方向与前两点相反，继续向着靠近海水位置的方向移动，该变化规律与以上电导率和水化学类型的分析一致。
X1点处水化学类型与X5、X6有明显不同(表 3)；阳离子以Ca2+、Na+为主，阴离子以HCO3-离子为主，Cl-、SO42-次之，且随深度的增加表现为Na+、K+、Cl-、Mg2+、NO3-相对含量逐渐减少，Ca2+、HCO3-相对含量逐渐增高的趋势，具体情况如下：
Table 3
表 3 X1点水化学类型表Table 3 Hydrochemistry type of X1 point
| 表 3 X1点水化学类型表Table 3 Hydrochemistry type of X1 point |
埋深0.4 m位置阳离子中Na+含量高于Ca2+，阴离子以HCO3-为主，Cl-次之，与X5点一样，由于表层经常被海水浸没，因此存在海水影响的痕迹；
埋深0.8 m位置阳离子含量Ca2+高于Na+，阴离子仍然以HCO3-为主，Cl-次之；
埋深1.2 m位置阳离子含量Ca2+高于Na+，阴离子中HCO3-含量百分比增加，为主要阴离子，Cl-含量减少，小于25%；该类型是比较典型的山前平原区淡水类型。
在时间尺度上，尽管水化学类型在空间有所变化，但试验过程中干潮、满潮(咸水淹没X1点的地表)的情况下，点处不同深度水化学类型保持不变，其原始背景值[14]以重碳酸型水为主，各离子组分和TDS含量也基本没有变化。
3.2.3 咸淡水过度界面时空演化分析结合以上分析，通过的剖面等值线图(图 4)可以更直观显示咸淡水界面随时间的变化规律；该图成图的前提是认为咸水洼埋深2 m内均为海水，且忽略咸水洼、X5、X1剖面的地表高差，只为展现X5点处的咸淡水界面形状及特征；结合室内水化学TDS等组分的测试结果分析如下。
Fig. 4
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| 图 4 不同时刻电导率等值线图 Fig. 4 Conductivity isolines at different times 图 4 不同时刻电导率等值线图 Fig. 4 Conductivity isolines at different times --> | |
由图 4(a)可见，干潮时，海平面最低，X5、X1两个点处的TDS含量较低，除X5点埋深最浅(0.3 m)的位置为1.23 g/L的微咸水，其他均为淡水；X1点TDS含量为0.36~0.5 g/L，均值0.42 g/L；X5点TDS含量为0.36~1.23 g/L，均值0.71 g/L，稍高于X1点。
相比于干潮时刻，涨半潮时(图 4(b))X5点电导率值略有减小，结合室内测试结果，TDS含量测试结果也减小，均值为0.64 g/L；X1点TDS含量基本不变；与图 4(a)、图 4(c)、图 4(d)相比，在涨半潮时TDS最小，由于此刻咸水面依然远远低于X5、X1两个点的水位，水质在持续变淡的过程中，这与前面的分析结果也是相一致的。
满潮时，咸水位最高至88.5 cm，X5、X1点水位分别为84 cm、86.4 cm(表 1)，咸水位高于X5、X1孔水位，此时发生咸水入侵的现象，如图 4(c)所示：埋深0.6~1.2 m范围内电导率值明显增大，其中0.9 m位置变化最大；0.6 m的电导率大于1.2 m；仅从图上看，X5点0.3 m以上和1.2 m以下位置变化不大，结合测试结果TDS含量顺序为0.9 m＞0.6 m＞1.2 m＞0.3 m＞1.5 m。
退半潮时(图 4(d))，咸水位已经基本恢复至初始水位(48 cm)，此时剖面上淡水回压，0.3 m位置TDS含量没有变化，0.6 m位置水质变淡，TDS含量由上一时刻的6.23 g/L迅速减为0.77 g/L；0.9 m位置含量由上一时刻的15.32 g/L减为6.68 g/L；而1.2 m位置地下水中TDS含量增高，为8.58 g/L，约为上一时刻TDS的2.5倍，1.5 m位置相对上一时刻变淡；此时TDS含量顺序变为1.2 m＞0.9 m＞0.6 m＞0.3 m＞1.5 m；说明咸水向下方短距离迁移，向更深的位置浸染。
总体看，咸淡水界面垂向在0.3~1.5 m之间，横向上越过X5点不超过2.5 m；根据试验数据，咸水洼水位升高的时间持续约60 min，退潮至咸水洼水位完全恢复约100 min；即咸水入侵在60 min内完成，但从退潮开始至3 h后(图 4(d))，该点仍然受咸水影响，且下方某处水质更咸，至9 h才完全恢复；由此可知试验中咸水入侵速度快，水质变淡的速度慢。
4 结论通过对上述剖面在整个涨潮时地下水水位和水质的野外监测，利用水化学分析结合多元统计方法，得出以下结论：
1) 本次试验咸水入侵淡水出现在满潮时刻X5点，界面是以倒U字型侵入，以0.9 m位置为中心，垂向边界约为0.3~1.5 m，横向上越过X5点不超过2.5 m，且咸水在重力作用下向下方短距离迁移，向更深的位置浸染；该界面入侵速度快，回淡速度慢。
2) 该试验过程中涨半潮时水质最淡；X5点除埋深最浅的位置(0.3 m)，其他各深度天然状态下均为淡水，TDS含量小于1 g/L，水化学类型主要为重碳酸型水；咸水入侵后，地下水中Na+、Cl-显著增多，水化学类型由HCO3型水转换为Cl型水。
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