莱州湾南岸海底地下水交换量研究

张汉雄　胡晓农　陈麟

摘要：相对于定性研究海水入侵的程度及规律，定量研究能更直观的给出海水入侵地区的SGD（Submarine groundwater discharge）以及流入量。选择潍坊昌邑市北部潮间带地区，布设3 km长监测剖面，通过监测地下水水位、水温、以及电导率数据，运用数学方法定量估算海底地下水交换量。同时，运用计算所得结果，对研究区海水入侵情况进行评估，为将来该地区地下水监测提供科学依据。计算结果表明，潮间带流入量明显大于流出量，海水呈现朝陆推进趋势。

关键词：莱州湾；海水入侵；海潮；海底地下水排泄

中图分类号：P641文献标志码：A文章编号：

16721683（2018）02017705

Abstract：Compared with the qualitative study of seawater intrusion，the quantitative study can give a more direct description of the submarine groundwater discharge and inflow in the seawater intrusion area.We set up a 3kmlong monitoring section in an intertidal zone located in the north of Changyi City of Weifang.According to the data of groundwater level，water temperature，and conductivity，we conducted a quantitative estimation of the submarine groundwater exchange capacity by mathematical methods.The results of the calculation were used to evaluate the trend of seawater intrusion in the study area，and to provide a scientific basis for future groundwater monitoring in the area.The results showed that the inflow in the intertidal zone was obviously larger than the outflow，so the sea water is showing a trend of landward intrusion.

Key words：Laizhou Bay；seawater intrusion；sea tide；submarine groundwater discharge

海底地下水排泄（Submarine Groundwater Discharge，简称SGD）是地下水水体向海洋沉积物与水界面运移的重要途径，也是有机物、营养物质、重金属离子以及天然同位素等内陆物质向海洋输送的重要通道，影响着近岸海洋生态系统的平衡以及海洋中各种元素的地球化学循环[1]。

从很早的时期开始，人们就对SGD进行了初步的研究，不过因为它的隐蔽性以及定位、测量、计算技术的相对落后，致使人们一直没有重视SGD对海岸生态水域环境的重要作用。在本世纪初，人们重新认识了SGD对海岸生态环境的重要影响，不断对这种缓慢、分散，但持续不断的物质输送途径进行研究[2]。与此同时Burnett等[3]突破了海洋和水文学家们对“海底地下水”定义的限制，重新把海底地下水定义为“从海底沉积物通过海床进入上覆水的所有流动水体”。根据此定义，SGD被分成了两类，首先包含了从海岸含水层进入海洋的内陆淡水（传统意义的地下水），其次为在海底不断倒灌排放、循环流动的海水。

全世界水量平衡估算显示，SGD通量大概为河水入海量的02%～10%左右。Moore等[4]进一步指出，在整个大西洋的研究区域上的SGD通量至少为106（m3/（km·d））。Charette等[5]在2009-2010年，使用镭同位素定量计算了美国佛罗里达Caloosahatchee河河口的SGD以及营养盐通量，指出SGD表现出明显的季节性，最低为2010年4月的85×104（m3/d），最高为2010年10月的13×106 （m3/d）。Tait等[6]利用不同的放射性同位素和地球物理的方法估算了南太平洋珊瑚礁泻湖的SGD。Su等[7]通过镭、氡同位素评估了Little Lagoon地区的SGD对造成水华的影响，認为当存在高SGD时，其带来的营养物质是导致水华的主要驱动；而在低SGD时，水华是多种原因造成的。

我国在SGD方面的研究开始较晚，但SGD的研究越来越受到重视。众多学者选取莱州湾典型剖面，有针对性地对莱州湾地区进行水化学研究，通过对莱州湾地区地下水各因素的分析，对莱州湾海（咸）水入侵过程有了进一步的了解[810]。李福林等[11]对莱州湾东岸的海底地下水的水化学特征进行了分析，揭示了海底含水层与陆地含水层中在空间上的联系，指出近岸带地下水已经受到了污染，影响了海洋的生态与环境。郭占荣等[12]使用镭同位素，通过“水平涡动扩散模型”评估了福建漳州市隆教湾的SGD通量；苏妮等[13]利用镭同位素地球化学示踪的方法，结合海南东北部沿岸水域镭同位素数据，计算了当地的SGD通量；黄磊[14]分别使用224Ra和226Ra同位素的“质量平衡模型”，通过量化每个源汇项，估算出九龙江河口区的SGD通量的平均值为201×108（m3/d），并发现海底地下水总排泄量中存在60%～90%的循环海水。马倩等[15]利用广义达西定律计算了莱州湾东部沿岸的SGD以及流入量，并发现渗出面向海方面的流出量明显下降。

本文在整理研究區野外数据的基础上，采用数学计算的方法[15]来综合分析莱州湾南岸近岸海岸带的SGD量，以期为该地区海水入侵监测提供科学依据。

1研究区概况及水文地质条件

研究区位于山东省潍坊昌邑市北部潮间带地区，属暖温带季风性半湿润气候。年平均降水量在6125～6601 mm范围内。研究剖面全长（观测井W1至W5，图1、图2）约3 km，在海岸线以外，由堤坝向海延伸，地理坐标位置在北纬36°43′-37°09′范围内，东经119°22′-119°37′之间。

研究剖面位于潮间带，受潮汐作用影响，当海水涨潮时，地下水由海向陆推进，即北向南方向，达到高潮时刻刚好可淹没剖面最南部观测井（W1）；当海水退潮时，地下水由陆向海推进，达到低潮时，观测井W1完全干涸、W2地表干涸。含水层属于滨海含水层，主要由上层潜水含水层与下层承压含水层组成。潜水含水层主要由细砂与中砂组成，平均厚5～8 m；承压含水层由中粗砂及砾石组成，平均厚度10 m。研究区地下水补径排关系主要受季节以及潮汐作用、人类因素等影响，潜水含水层主要受大气降雨、海洋侧向补给、地表水体的渗漏补给以及地下水侧向径流补给；承压含水层的补给来源主要为卤水体渗漏补给、层间越流补给以及海洋侧向补给。地下水排泄方式主要为人工开采、蒸发、以及海底地下水排泄等方式，其中人工开采对承压含水层影响最大。

研究区北部为渤海莱州湾，潮汐为不规则半日潮，潮差约2 m（图3）。受渤海海流和季风影响，研究区位于一个多风暴潮海域，尤其在秋季，当发生连续几日偏南风突然转为偏北风时，海水位会剧增暴涨，易形成风暴潮，并可向南岸的陆地浸淹达十余公里。而历史上曾多次波及地面高7 m地区，形成严重潮灾。

2数据采集

在山东潍坊昌邑市北部潮间带地区布设5个监测点，由南向北分布，依次为W1至W5，剖面长度约3 km。每个监测点设置三个监测井，井深分别为1 m、15 m和2 m。利用自动观测仪（CTDDiver）对地下水进行监测，监测各井中的水位、水温、电导率，监测频次1次/h。

监测井监测分为短期监测和长期监测两种。短期监测的起始时间为2014年8月11日22：00，截止时间为2014年8月17日18：00，历时120 h。长期监测的起始时间为2014年8月7日18：00，截止时间为2014年9月12日10：00，历时35 d

3地下水观测数据分析

3.1地下水水头分析

将观测水头转化为等效淡水水头，等效淡水水头公式表示为：[HJ1.6mm]

3.2地下水盐度分析

图5为各观测井盐度与海潮变化。各观测井中地下水的盐度整体上变化不明显，仅在部分时间段随着海潮的波动而出现小幅度的变化。由于研究区剖面南部盐场大量晒盐，导致各监测井中所测盐度均大于测得的海水平均盐度3268 g/L。大面积晒盐区域会造成卤水的渗漏进入地下水中。W3附近出现了一个高盐度区，分析原因认为在地下形成了一个地下水排泄通道，受盐场抽取卤水影响，部分卤水通过排泄通道向海排泄，在W3监测井位置形成高浓度区域。

4海底地下水排泄量计算

由观测数据可以得出，在观测期内，W2至W5井都是饱和的（除抽水晒盐影响外）。通过数学方法[15]，使用2014年1 m和2 m的监测数据，来估算

5结论

通过对研究区剖面观测数据以及计算结果分析得出以下结论。由于潮间带上较低的渗透系数以及较为平缓的坡度，潮间带剖面上存在渗出面。由内陆到海洋的方向的潮间带上，存在相对较高水头的地下水排泄到地表，即SGD。随着由陆向海SGD的逐步增加以及流入量增多，计算得出在潮间带观测井W2和观测井W5之间的总SGD和流入量分别为804 m2/d和1085 m2/d。通过计算可知，研究区流入量大于流出量，说明海水呈现向陆推进趋势。[HJ1.8mm]

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