2011—2016年萊州市海水入侵發(fā)展趨勢分析

趙景麗, 鄧 躍, 徐艷東, 喻 龍

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2011—2016年萊州市海水入侵發(fā)展趨勢分析

趙景麗1, 鄧 躍2, 徐艷東1, 喻 龍3

(1. 山東省海洋資源與環(huán)境研究院, 山東省海洋生態(tài)修復重點實驗室, 山東 煙臺 264006; 2. 山東大學(威海) 海洋學院, 山東 威海 264209; 3. 煙臺市海洋環(huán)境監(jiān)測預報中心, 山東 煙臺 264003)

基于萊州市2個海水入侵監(jiān)測斷面2011—2016年的監(jiān)測數(shù)據(jù), 分析了研究區(qū)域地下水氯度、海水入侵距離和速率的發(fā)展變化趨勢, 探討了海水入侵距離與降水量的關系。分析結果表明: 研究區(qū)域2013年地下水氯度最高, 2011—2016年呈現(xiàn)波動變化; 離岸距離與地下水氯度服從冪函數(shù)分布, 海廟斷面海水入侵距離遠大于朱旺斷面且變化較大, 朱旺斷面海水入侵趨勢較為穩(wěn)定; 研究區(qū)域2014年海水入侵速度最快, 之后呈減輕趨勢, 海水入侵距離與降水量呈現(xiàn)明顯的負相關關系, 2014年降水量的急劇減少, 是當年海水入侵嚴重的主要因素之一。本研究為萊州市防災減災管理提供參考依據(jù)。

海水入侵; 地下水氯度; 海水入侵距離; 降水量; 萊州市

海水入侵是指在自然或人為因素影響下, 濱海地帶地下含水層的水動力條件發(fā)生改變, 破壞了淡水與海水之間的平衡狀態(tài), 導致海水或高礦化度的咸水沿含水層向內陸方向侵入的過程與現(xiàn)象[1]。海水入侵災害污染地下淡水資源, 造成生態(tài)環(huán)境惡化, 人畜飲用劣質水導致疾病增加, 工農業(yè)生產使用被污染的地下水加速工業(yè)管道、設備的腐蝕和老化, 農業(yè)因地下水變咸導致土壤鹽漬化而大量減產, 給海岸帶區(qū)域的生產生活造成了嚴重影響[2-3]。因此, 開展海水入侵災害的研究, 對提高海岸帶地區(qū)防災減災能力和經濟、社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

萊州市位于萊州灣東岸, 膠東半島西北部。全市總面積1 928 km2, 海岸線長108 km, 常住人口88萬, 是我國最早發(fā)現(xiàn)海水入侵的城市之一。自1976年發(fā)生海水入侵以來, 其海水入侵災害經歷了初始、發(fā)展、惡化、緩解等4個發(fā)展階段[4-7]。自1996年首次引入大菱鲆養(yǎng)殖之后, 養(yǎng)殖規(guī)模迅速擴大, 因大量抽取地下咸水(60萬~70萬m3/d), 導致咸水區(qū)地下水位下降, 咸淡水界面向咸水一側持續(xù)移動并最終保持穩(wěn)定, 海水入侵面積由1995年的273 km2, 降至2003年的234 km2, 與高峰相比減少了14.2%[8], 截至2010年, 萊州市海水入侵面積232 km2, 基本保持穩(wěn)定[9]。

本文基于萊州市2個海水入侵監(jiān)測斷面2011—2016年的監(jiān)測數(shù)據(jù), 掌握萊州市海岸帶海水入侵現(xiàn)狀, 分析評價萊州市海水入侵的時空分布特征及變化趨勢, 初步探討形成原因, 為后續(xù)的研究、海水入侵的治理和資源開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)采樣與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)采樣和監(jiān)測項目

利用現(xiàn)有農業(yè)用水井, 在朱旺村和海廟一帶區(qū)域分別布設2條監(jiān)測斷面, 監(jiān)測斷面垂直于海岸線方向布設, 兩斷面間距8.05 km。朱旺斷面布設監(jiān)測站位3個, 海廟斷面布設監(jiān)測站位4個, 站位布設原則上涵蓋海水入侵區(qū)、過渡帶和未入侵區(qū)。站位坐標見表1, 站位分布圖見圖1。

海水入侵采樣選在每年4月枯水期進行, 受降水量少的影響, 此時的海水入侵程度是一年中較為嚴重的時期。為避開潮汐影響, 采樣時間固定為上午10時至12時期間(非高低潮時刻)。監(jiān)測項目主要包括水位觀測、礦化度、氯度, 分析方法分別為測繩測量、重量法和硝酸銀滴定法。

表1 監(jiān)測站位坐標及離岸距離

1.2 數(shù)據(jù)分析和等級劃分標準

離岸距離與地下水氯度關系使用Matlab中的CFtool曲線擬合工具箱, 海水入侵距離與降水量相關性分析使用SPSS24.0軟件。

依據(jù)《海水入侵監(jiān)測與評價技術規(guī)程(試行)》(以下簡稱《規(guī)程》), 海水入侵程度等級劃分標準見表2。

2 結果與討論

2.1 地下水氯度變化

地下水氯度變化分析結果(圖2)表明: 空間上, 2個監(jiān)測斷面均存在不同程度的海水入侵現(xiàn)象, 氯度隨離岸距離的增大而迅速減少。2011—2016年海廟斷面氯度變化大于朱旺斷面, 監(jiān)測到的氯度最高值位于海廟斷面的Ⅱ-1站位, 2013年該站位的氯度為10 821.64 mg/L, 超標(海水入侵指標氯度等于250 mg/L) 43倍。

時間上, 研究區(qū)域2013年地下水氯度最高, 2011—2016年地下水氯度呈現(xiàn)波動變化。

圖1 萊州市海水入侵監(jiān)測站位分布圖

表2 海水入侵程度等級劃分標準[10]

2.2 海水入侵距離變化

為得到研究區(qū)域離岸距離與氯度的關系, 分別使用冪、指數(shù)、逆、線性函數(shù)對2011—2016年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合, 結果表明: 研究區(qū)域離岸距離與氯度呈反比關系且服從冪函數(shù)分布。受文章篇幅限制, 文中以海廟斷面2013年的數(shù)據(jù)為例, 展示幾種函數(shù)模型的擬合情況(圖3)。2011—2016年, 兩個監(jiān)測斷面離岸距離與氯度的關系均以冪函數(shù)擬合效果最好, 而傳統(tǒng)的線性插值擬合效果較差。離岸距離用()表示, 氯度用表示, 擬合公式見表3。

選取冪函數(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合, 依據(jù)《規(guī)程》中海水入侵程度等級劃分標準, 得到研究區(qū)域2011—2016年海水入侵距離匯總于表4, 統(tǒng)計量匯總于表5, 海水入侵距離隨時間變化曲線見圖4。

圖2 研究區(qū)域地下水氯度變化趨勢

圖3 2013年4月海廟斷面不同函數(shù)模型的擬合曲線

朱旺斷面海水入侵距離最大值發(fā)生在2015年, 平均入侵距離為2 061 m, 海廟斷面海水入侵距離最大值發(fā)生在2014年, 平均入侵距離為5 160 m, 海廟斷面海水入侵程度較朱旺斷面嚴重。2011—2016年, 海廟斷面海水入侵距離變化較大且入侵和嚴重入侵間距較大, 朱旺斷面則較為穩(wěn)定。

圖4中, 海廟斷面2014年和2015年海水入侵距離和嚴重入侵距離呈現(xiàn)負相關, 這是由于2011—2016年, 離岸最遠的監(jiān)測站位的氯度只有在2014年和2015年均超過了250 mg/L, 相應年份的海水入侵距離變大, 且這兩年各監(jiān)測站位處的氯度比較接近, 擬合曲線較陡, 相應的入侵和嚴重入侵間距增大。

表3 不同函數(shù)模型擬合公式及統(tǒng)計量對比

表4 研究區(qū)域2011—2016年海水入侵距離

表5 海水入侵距離計算統(tǒng)計量匯總

圖4 研究區(qū)域海水入侵距離變化趨勢

2.3 海水入侵速率變化

研究區(qū)域2012—2016年海水入侵速率匯總于表6。依據(jù)《規(guī)程》, 海水入侵距離變化在50 m以內, 認為海水入侵趨勢穩(wěn)定。總體上, 朱旺斷面海水入侵程度較輕, 且趨勢比較穩(wěn)定。研究區(qū)域2014年海水入侵速度最快, 之后呈減輕趨勢。

2.4 海水入侵距離與降水量關系

海水入侵的機理本質上是海岸帶咸淡水界面在地下水位的變化下水動力平衡被破壞。導致海水入侵現(xiàn)象的主要原因有氣候變化、海面上升和人為超采地下水等自然與人為因素[11-15]。降水作為地下水的主要補給來源, 對地下水位的變化起著決定作用, 持續(xù)的干旱氣候, 造成地下水位下降, 從而會引發(fā)海水入侵的發(fā)生和發(fā)展[16-17]。為了探討海水入侵距離與降水量的關系, 本文搜集了研究區(qū)域2012—2015年各年3月的平均月降水量數(shù)據(jù), 分別與兩個斷面的海水入侵距離作相關性分析, 結果如圖5和表7所示。海水入侵距離與降水量呈現(xiàn)明顯的負相關關系, 相關系數(shù)分別為朱旺斷面–0.972(<0.05), 海廟斷面–0.969 (<0.05)。分析結果表明: 研究區(qū)域2014年降水量急劇減少, 是當年海水入侵嚴重的主要因素之一。

表6 研究區(qū)域2012—2016年海水入侵速率

圖5 研究區(qū)域海水入侵距離與降水量變化趨勢

3 結論

1) 2011—2016年, 研究區(qū)域均存在不同程度的海水入侵現(xiàn)象。整體上海廟斷面地下水氯度要高于朱旺斷面, 2013年地下水氯度最高, 2011—2016年間呈現(xiàn)波動變化。

2) 研究區(qū)域離岸距離與地下水氯度服從冪函數(shù)分布。朱旺斷面和海廟斷面海水入侵距離最大值分別發(fā)生在2015年和2014年, 海廟斷面海水入侵距離遠大于朱旺斷面且變化較大, 朱旺斷面海水入侵趨勢較為穩(wěn)定; 研究區(qū)域2014年海水入侵速度最快, 之后呈減輕趨勢。

3) 研究區(qū)域海水入侵距離與降水量呈現(xiàn)明顯的負相關關系, 2014年降水量的急劇減少, 是當年海水入侵嚴重的主要因素之一。

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(本文編輯: 劉珊珊)

Development trend analysis of seawater intrusion in Laizhou from 2011 to 2016

ZHAO Jing-li1, DENG Yue2, XU Yan-dong1, YU Long3

(1. Shandong Provincial Key Laboratory of Restoration for Marine Ecology, Shandong Marine Resource and Environment Research Institute, Yantai 264006, China; 2. Department of Ocean Biology, Shandong University, Weihai, Weihai 264209, China; 3. Monitoring and Forecasting Center of Ocean Environment of Yantai, Yantai 264003, China)

Monitoring data of two seawater intrusion sections in Laizhou from 2011 to 2016 were used to analyze the development of groundwater chlorinity, seawater intrusion distance, and velocity and determine the relationship between seawater intrusion distance and precipitation. The results indicated that groundwater chlorinity reached the highest level in 2013 and fluctuated from 2011 to 2016, and the relationship between chlorinity and offshore distance followed the power function. The seawater intrusion distance of Haimiao section changed greatly and was much larger than that of Zhuwang section. The seawater intrusion trend was more stable in Zhuwang section. The seawater intrusion rate was the fastest in 2014 and then decreased. The seawater intrusion distance showed a negative correlation with precipitation. The sharp decline in precipitation might be one of the important reasons for the severe seawater intrusion in 2014. This result can be used as a reference for disaster prevention and reduction management in Laizhou.

seawater intrusion; groundwater chlorinity; seawater intrusion distance; precipitation; Laizhou

Dec. 28, 2016

趙景麗(1983-), 女, 河北唐山人, 助理研究員, 碩士, 主要從事海洋環(huán)境災害研究, 電話: 0535-6958167-8704, E-mail: jingli_805@163.com

P641.7

A

1000-3096(2017)09-0136-07

10.11759/hykx20161228001

2016-12-28;

2017-04-25

海洋公益性行業(yè)科研專項(201205025); 國家海洋局海域管理技術重點實驗室開放基金(201608); 水生動物營養(yǎng)與飼料“泰山學者”崗位基金(HYK201004)

[National Marine Public Welfare Research Project of China, No. 201205025; Key Laboratory of Sea-Area Management Technology, State Oceanic Administration, No.201608; Taishan Scholars Station of Aquatic Animal Nutrition and Feed, No. HYK201004]