关于咸水利用方法的探讨及前景分析—— 以青县咸水区为例

王振华，赵金召，付仕科，胡博文

河北省地矿局国土资源勘查中心，河北 石家庄 050081

0 前言

青县主要赋存和开采利用的地下水为第四系松散岩类孔隙水[1-3]。区内第四系沉积厚度一般在280～550 m[4]，以第四纪沉积物的岩性为基础，以水文地质条件为依据，将第四系含水层组[1]，自上而下划分为4个含水层组，即第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水层组，根据承压性质，第Ⅰ含水层和第Ⅱ含水层上部，为浅层水，第Ⅱ含水层下部和第Ⅲ、Ⅳ含水层为深层水。

青县属于冲海积东部平原[5]，该区域在历史上就是“九河下梢，苦海沿边、盐碱旱涝、低产多灾”的土地盐碱严重、生态环境脆弱地区[6]，有过数次海进海退历程，遗留下很多原生咸水，经过沉积下渗，导致地下水第Ⅰ含水层组和第Ⅱ含水层组全部为咸水，而且开发利用程度很低。该区地下咸水体分布广泛，咸水[7，8]位浅埋，开采程度很低，一直处在“死”水状态，这是造成该区生态环境脆弱，旱涝碱咸长期存在而不能根治的主要原因。

由于近些年农业灌溉[9-11]大量抽取深层地下水，造成了规模较大的地下水开采漏斗，造成了严重的地面沉降和一定数量的地裂缝，对当地的地质环境造成了不可逆的影响。为了缓解大型地下水漏斗及区域地面沉降问题，河北省水利系统实施了深层水压采，造成农灌供水不足，供需矛盾激烈。为了缓解上述问题，有必要解决浅层咸水的开发利用程度低的问题。通过科学合理开发利用浅层咸水，加大地下咸水体的开发，加快咸水体的循环、调控浅层地下水位、实现“排咸、补淡”，消除咸水影响，腾出浅层淡水储存空间，增持水资源量，减轻深层水资源的超采现状，改善咸水区的生态环境，促进生态文明建设。

1 咸水地质条件[12]

第Ⅰ含水层组为潜水-微承压水，底界埋深23.7～65.6 m，相当于全新统（Qh）或上更新统欧庄组（Qp3o）上段底界。含水层岩性为洪泛积、冲洪积间有沼积、海积沉积的粉砂、细砂层，北东向条带状分布。自西向东含水层颗粒变细，厚度变薄。一般厚5.7～22.7 m，在故河道地带含水层常见厚度为20～26.87 m。多呈双层或多层含水结构。地下水水位埋深由西向东逐渐变浅，在1.31～5 m。一般为全淡水或上部淡水、下部咸水类型，以上淡下咸居多，个别区域为全咸水。根据水质分析及地面物探解译资料，咸水顶界面埋深多在0～30 m。全淡水、微咸水和半咸水主要发育于故河道或现代河道两侧，运河以东地区广泛分布大于5 g/L的咸水，全咸水区主要分布于青县东部马厂镇一带。

第Ⅱ含水层组为承压水，底界埋深在123.7～175.6 m，相当于中更新统（Qp3o）底界。含水层岩性以冲洪积、洪泛积、湖积、沼积的细砂、中细砂为主，呈北东向条带状、舌状展布，一般厚8～40 m，呈双层、多层含水结构。与第Ⅰ含水层之间一般都分布有较厚的粘土层或粉质粘土层，故垂直入渗补给条件较差，侧向径流缓慢。受干旱古气候、海侵等影响，滨海平原区地下水径流缓慢，垂向蒸发作用显著增强，并成为主要的排泄途径，加之受海积地层的影响，土层中盐分很高。大量的资料表明：沉积物颗粒越细，越容易保存易溶盐。地下水补给过程中的淋滤作用，形成了目前的咸水区[13-14]。

该组地下水以咸水为主，仅在故河道或现代河道两侧零星分布淡水。自西向东表现为咸水含水层厚度增加的趋势（见图1）。该含水层组地下水矿化度多在5～12 g/L，最高可达17 g/L。青县咸水垂向结构（见图2）。

图1 沧州地区咸水分布纵剖面示意图Fig.1 Profile of salt water distribution in Cangzhou

图2 青县浅层咸水垂向分布结构图Fig.2 Vertical distribution of shallow salt water in Qingxian County

2 地下水开采现状

2.1 深层淡水超采现状

根据青县水资源公报，2017年青县地下水开采量为4 807.62 万m3，其中农业用水开采量为2 419.62万m3，占比50.33%，生活用水1 596 万m3，占比33.20%，工业用水开采量为792 万m3，占比16.47%，由此可见农业用水开采量占地下水开采量的主要部分。其中深层淡水开采量为4 778 万m3，平均开采强度为4.81 万m3/km2·a。

青县深层地下水漏斗位于青县中部及西南部，与南部沧县漏斗相连，漏斗区南部未闭合，漏斗中心位于清洲镇双庙堤（见图3）。2017年6月份中心水位埋深94.47 m，水位标高-89.48 m。2017年9月份中心水位埋深78.2 m，标高-73.95 m[6]。

图3 深层水漏斗分布及地下水流向（2017年6月水位数据）Fig.3 Distribution of deep water funnel and groundwater flow direction（June 2017 water level data）

2.2 浅层咸水开采现状

据调查，青县现状浅层水开发利用程度很低，仅在运河两侧和黑龙港古河道区域存在利用浅层微咸水（2～3 g/L）、咸水（3～5 g/L），据资料[4]，青县2017年浅层水开采总量为29.62 万m3，平均开采强度为0.03 万m3/km2，而且大部分区域处于不开采状态，据实际调查近些年开采强度有降低趋势。

通过深浅层开采强度对比，深层地下水开采强度是浅层咸水开采强度的160倍。

根据青县水资源公报，通过统计2011—2017年的地下水开采量及深浅层水占比（见表1），得出地下水开采量中深层水占比逐年上升，浅层水占比逐年下降（见图3）。

图4 青县深浅层水占地下水开采总量的比例（2011—2017年）Fig.4 The ratio of deep and shallow water to total groundwater extraction in Qing County（2011 to 2017）

表1 青县2011-2017年地下水开采量及深浅层水占比统计表Table 1 Statistical table of groundwater extraction and ratio of deep and shallow water in Qing County from 2011 to 2017

3 浅层咸水资源优势

3.1 浅层咸水资源丰富

浅层咸水区在青县全域分布，面积大，分布广，储量大[15]，2017年以水均衡法计算出的水资源量为6 768.22 万m3，可开采量为4 737.75 万m3，咸水资源丰富。

3.2 易开采、补充快[16]

青县浅层咸水埋深较小，埋深1～5 m，由于水位埋深小，易开采且能耗小。每年汛期降雨直接补给，浅层地下水水位都会很快回升，根据2017年6月和12月统测数据显示水位年内回升0.2～1.0 m，在8月中旬至9月下旬汛期结束后达到年最高水位，浅层咸水资源得到很大程度的补充。

4 浅层水利用方向分析

4.1 咸水的净化处理解决咸水区农村人畜饮水困难

随着近些年的发展，水处理技术日臻成熟，可以将浅层潜水抽出后进行净化后供人畜饮用。主要处理过程包括粗过滤、精过滤、反渗透技术、离子交换技术[17]，使咸水水质达到饮用标准。

目前青县有共有14处的净水制水厂，其利用水源多为深层淡水，其中青县农场水厂位于全咸区，利用深层咸水净化后集中供水，解决咸水区农村人畜饮用水困难。可以将利用水源推广至浅层水，增加咸水开采量，减少深层水开采量，据资料[4]青县马厂镇杨官店村有利用浅层咸水降盐净化售水站的成功范例，采取打一眼咸水浅机井，安装一套水处理设备，利用电渗析和反渗透技术，可把含盐量3～5 g/L的苦咸水，通过淡化工艺脱盐、降氟、净化等，变成小于1.0 g/L的淡水，达到国家规定的饮用水标准，每套设备可解决1 000～1 500人的安全饮水问题[24]。此方式可以推广来解决咸水地区的饮用水困难的问题。

4.2 咸淡水混合灌溉

咸淡水按照一定比例混合，使其达到农业灌溉用水要求，咸淡水混合后，改善并降低咸水矿化度含量，达到增大利用浅层咸水资源同时减少开采深层地下水资源的目的。根据河北省平原区土壤性质、耕作措施及气候条件等因素，咸淡水混合后矿化度控制在3 g/L以下，对农作物的生长安全和土壤环境影响较小[18]。

其利用方式是在每一眼深机井旁增打一眼咸水或微咸水浅井，并安装配套相应设备，利用浅层咸水和深层淡水按一定的比例进行混合灌溉，根据不同的农作物耐盐性[19-20]，混合比例需要随之调整[21]，以罐混式、竖塔混合式、管道直混式3种方式[22]进行农业灌溉[18]。这种方法在青县部分村庄已经开始尝试性利用，混合方式多为管道直混式。其优点是：

（1）投资规模小

在原有深机井的基础上建设咸淡水混浇工程每个井组仅需1万元左右，不到深井投资的10%。

（2）能耗减小，节省开支

由于浅层水水位埋深在1.31～5 m之间，深层水水位埋深在50～90 m之间，提取浅层咸水能耗仅为等量深层水的1/45～1/10。

（3）缩短灌溉周期

扩大机井的灌溉面积，每组咸淡混浇工程每小时可增加供水量20～30 m3，大大节约灌溉时间，缩短灌溉周期3～5 d[16]。扩大了机井灌溉控制面积，每组工程可增加灌溉面积50亩左右[16]。

（4）增产

咸淡水混合灌溉可疏松土壤，防止板结，对棉花生长有调节作用，抑制了疯长，防止枯萎病，提高了产量。部分地方反映对粮食作物也有增产作用[16]。

该方法若能大范围应用，将大大缓解深层地下水压采后农灌供水不足的矛盾，保障农业用水的需求。

4.3 生态景观用水

京津冀是秋冬季节雾霾严重区域，一年四季需要喷洒道路和低空喷洒水雾抑制扬尘，此外浇灌城市草坪绿地、补充湖塘水体等生态景观用水，消耗大量的水资源，根据青县水资源公报（2017年），青县生态景观需水量大约在100 万m3/年，可以全部利用浅层咸水，达到增加开采浅层咸水的目的。

4.4 工业循环冷却用水

青县有大规模的钢铁加工产业和石油化工产业，需要大量的循环冷却水，可以全部利用浅层咸水，将节省大量的淡水资源。青县马场镇的塑胶产业园中已有数家这样的应用案例。青县淡水资源先天性严重匮乏，而咸水资源丰富[10]，所以发展咸水循环冷却具有良好的前景和广阔的空间。

4.5 实行城镇生活节水，建立咸水中水管网

目前青县城镇生活用水主要为深层地下水和南水北调水源，如果将咸水、微咸水用于居民生活，可替代生活用自来水的一半[10]。地下咸水作为中水利用，可变废为宝，根据2017年青县采取的31个浅层水水样分析，浅层水除了溶解性总固体高，盐分含量高，不宜饮用外，其它检测项均超标不严重，表明浅层咸水没有受到严重污染，一般符合卫生标准，不需处理，可直接作为中水使用，进行洗涤、拖地、冲厕、洗车、消防、游泳池用水，可以作为深层水的替代水源[21]。目前，沧州市个别小区已有成功的利用经验[10]。

4.6 供暖管网用水

冬季供暖管网用水量较大，损耗也较大，该部分用水也可以全部利用浅层咸水。

5 浅层咸水开发益处前景分析

5.1 缓解深层地下水超采问题及其引发的其他地质环境问题

通过增加浅层咸水开采量来达到减少深层水开采量的目的，促进深层水的恢复，减小深层地下水降落漏斗，减轻地面沉降和地裂缝问题等地质环境问题，减缓深层地下水超采对地质环境的影响。

沧州地区是地面沉降地质灾害严重发育区，是河北平原地面沉降发生最早的地区之一[23]，而工作区内发生的地面沉降主要由深层地下水超量开采引起[11][24]。根据2017年度全省地面沉降调查与监测资料（河北省环境地质监测院），累计沉降量大于1 000 mm的分布区域与深层地下水漏斗分布基本一致，累计沉降量越大的区域越靠近漏斗中心，见图5。

图5 青县累计地面沉降量等值线与深层地下水漏斗分布区对比图Fig.5 Comparison between contour lines of cumulative land subsidence and funnel distribution of deep groundwater in Qing County

充分利用咸水，减少淡水开采量，对改善当地地下水生态环境发挥重要作用。在地下水超采区大力开展浅层咸水利用，对减缓咸水底界面下移[25]、含水层疏干等方面问题，都能发挥积极作用[18]。

5.2 缓解农灌供水矛盾

农田灌溉用水占到深层地下水开采量的80%，深层水压采政策实施以来，农灌水供需关系存在激烈的矛盾，需大于供，若开采浅层咸水与深层淡水配合用于灌溉，将大大减轻农田灌溉需水与供水的矛盾。

5.3 增加降雨入渗的淡水储存空间

目前青县浅层水处于很低的开采程度，浅层水量巨大，以致青县县域内所有沟渠和坑塘渗出积存大量的浅层地下水，降雨入渗的淡水缺少存储的空间。加大浅层咸水的开发力度，使其水位下降，腾出储水空间，增加地下淡水“库容”[6]，有利于接受降水的补给，既调节汛期洪沥水，又利于雨水回补地下水源，加强咸淡水的循环交换，使地下咸水逐渐淡化，增加地下水资源量，同时也减小咸淡水之间的水头差，减缓咸水入侵深层淡水，实现生态环境的良性循环[26]。

5.4 减轻盐碱灾害

目前青县仍有不少盐碱灾害，浅层咸水通过毛细作用对水泥、砖和建筑物结构都造成严重破坏。加大浅层咸水开采，使其水位降低，将减少工作区内盐渍化程度，利于改良土壤，减轻对建筑物的腐蚀。

6 结论与建议

6.1 结论

（1）在深层淡水严重超采引发一系列地质环境问题的背景下，以青县为例提出和分析了净化处理、混合灌溉、生态景观用水、工业冷却用水、城镇建设咸水中水管网、供暖管网用水的咸水利用方向，在理论上论述了增加咸水开发的可能性，为有咸水分布区的咸水利用指出了方向，最终达到指导实践增大咸水开发利用程度的目的。

（2）开发咸水的益处多多：缓解深层水地下水漏斗，减轻深层水开采对地质环境的影响，如减缓地面沉降和地裂缝地质灾害的发育；在河北省实施地下水压采政策的背景下，将缓解农田灌溉水的供需矛盾，保障农业用水的供给，保障农业的良好发展；增加降雨入渗的浅层淡水储存空间，加强咸淡水的循环交换，使地下咸水逐渐淡化，增加地下水资源量，同时也减小咸淡水之间的水头差，减缓咸水入侵深层淡水，实现生态环境的良性循环；开发利用浅层咸水将能减轻有咸水分布区的盐碱灾害。

（3）增加咸水利用量，减轻深层淡水开采强度，对改善地下水生态环境发挥重要作用。尤其是在地下水超采区大力开展咸水利用，对减缓咸水底界面下移、含水层疏干等方面的问题，都能发挥积极作用。

6.2 建议

建议有咸水分布区的地方政府要把对浅层咸水的利用重视起来，使用政策引导，逐步增大浅层咸水的利用。随着水处理、膜渗透、耐盐性农作物的培育等方面科技的进步，期望在以后提出咸水利用更多、更好的理论和方法。