莱州湾南岸海(咸)水入侵始于20世纪70年代末，当时仅在局部地区零星分布，面积较小。随着地区经济建设的飞速发展，尤其是20世纪80年代初，潍寒、昌邑、寿光等集中供水水源地相继投产使用，地下水开采量逐年增加，开采强度不断增大。同时，流经莱州湾南岸各主要河流中、上游地区修建了大量的地表水库、塘坝，地表水拦蓄利用率增大，进入河流中、下游冲洪积平原区的地表径流量不断减少，各主要河流长时间断流，地下水补给量锐减。莱州湾南岸地下水资源长期采补失衡的直接后果是地下水位持续下降，天然状态下地下淡水与海(咸)水之间所建立起的天然平衡状态被打破，地下水逆向流动，咸淡水界面向陆地移动，海(咸)水入侵由最初的点状到片状直至形成贯穿东西的连续入侵带，对当地生态环境质量、工农业生产和人民生活构成较大危害。
莱州湾南岸滨海地区蕴藏有丰富的地下卤水资源，是我国最大的海盐生产基地，目前盐田总面积达3.28万hm2，沿海地区有卤水井近7000眼，井深一般在40～70m之间，开采地下卤水约9000万m3/a。由于长期持续大量开采，使卤水水位呈现持续下降状态，卤水浓度也逐年下降。卤水开采对咸-卤水入侵有一定的缓解作用。
一、地质背景条件
莱州湾南岸在地貌上南依泰沂山区，东接胶东丘陵区，西临黄河三角洲平原，地形由南往北微倾，平均坡降0.47‰，地貌类型由南部的山前冲洪积平原过渡到中部的冲积海积平原和北部滨海海积平原，海岸类型为粉砂淤泥质海岸。该区冲洪积平原由多个扇缘交接型的冲洪积扇群所组成，其前缘为海积物或黄河冲积物所掩埋，含水层颗粒粗、厚度大，并具有多层结构。在垂向上呈现出自下而上含水层颗粒由粗变细的趋势，而在水平方向上则具有冲洪积扇的水文地质特征。主要含水层顶板埋深5～30m，岩性在扇区为各类砂及砂砾石，在扇间、扇缘地带则为粉细砂、粉砂及亚砂土夹姜石。
莱州湾南岸普遍存在一层中更新统砂质粘土弱透水层，埋深一般40～70m，层厚约20m;其上有3层海侵层(图7-5)，依次对应于地质历史时期自晚更新世以来的3次海侵事件。在3次海侵中都滞留了浓缩于地层中的古海水(咸-卤水)，与淡水含水层在水平方向上相连，是该区海(咸)水入侵的来源，发生于莱州湾南岸的海(咸)水入侵主要出现于晚更新世和全新世地层中。
图7-5 莱州湾南岸海积层剖面图
二、地下水化学环境特征
莱州湾南岸地下水化学环境特征受第四纪古地理环境、水文地质条件和地下水开采状况的制约，在水平方向上水化学场具有明显的分带性，从内陆到滨海呈现出淡水-微咸水-咸水-卤水的变化规律，地下水化学类型由南往北变化规律为HCO3型、HCO3-Cl型、Cl-SO4型、Cl型，矿化度从0.2g/L增加到220g/L。地下卤水分布于咸水区中部，呈东西带状分布，走向与海岸线近平行(图7-6)，卤水矿化度50～220g/L。
图7-6 莱州湾南岸固堤—央子地下水矿化度变化剖面图
在垂向上，由于区内地下水开采主要集中于200m深度以内。根据200m深度内水化学特征的不同将莱州湾南岸地下水化学环境分为全淡水区、淡-咸-淡水区、淡-咸水区、咸-淡水区、全咸水区5个类型(图7-7，图7-8)。
全淡水区位于研究区南部，为山前冲洪积平原北部地区，含水层主要由淄河、弥河、白浪河、虞河、潍河等河流冲洪积相砂砾石、砂构成，多层结构。地下水矿化度小于1.5g/L，水化学类型为HCO3-Cl型或HCO3型。
淡-咸-淡水区、淡-咸水区、咸-淡水区位于研究区中部，为冲洪积平原与海积平原交接地带，地下水水质较复杂，地下水矿化度高达50g/L以上;其中淡-咸水区位于昌邑市中部和寿光市中东部地区，上部淡水体厚度一般10～100m(图7-9)。
全咸水区位于研究区北部，为海积平原，该区中部80m深度内赋存有高浓度卤水，分布有较多的盐场。
三、咸-卤水入侵与地下水动力场变化的关系
1.地下水动力场变化
自20世纪70年代以来，随着莱州湾南岸地区地表水、地下水开发利用程度的不断提高，地下水动力场发生了很大变化。70年代末，地下水位埋深一般1～6m，流向与地形坡降、地表水系流向基本一致，即由南往北排向莱州湾及小清河。近20年来，山前冲洪积平原区地下水位大幅下降，水位埋深一般8～30m，最大水位下降幅度达20m以上，且在淡水区出现总面积约1493km2的水位负值漏斗，在咸-卤水区出现面积1047km2的卤水开采负值漏斗(图7-10)。地下水位降落漏斗的出现改变了全区地下水径
图7-7 地下水水化学结构类型分区图
图7-9 柳疃—青乡地下水矿化度变化剖面图
图7-10 1980～2002年地下水位降幅等值线图
2.咸-卤水入侵与地下水动力场变化关系
在莱州湾南岸无隔水体的情况下，由于咸-卤水密度ρb大于淡水密度ρf，咸水入侵到淡水体下是必然的，咸-卤水入侵的静力学模型如下:
设淡水、咸-卤水水位标高分别为hf、hb，咸-卤水入侵后咸、淡水界面在海平面以下的深度为z(图7-11)，则根据Ghyben-Herzberg模型得出以下公式:
山东省地质环境问题研究
图7-11 咸-卤水入侵的水静力学模型
根据区内咸-卤水水化学资料，咸-卤水密度取1.04g/cm3，淡水密度为1g/cm3，则上式可近似表达为
山东省地质环境问题研究
由此可见，咸、淡水界面在海平面下的深度与界面两侧淡水和咸-卤水之间的水位差成正比，咸、淡水界面在海平面下的深度约为咸、淡水水位差值的25倍。由于地下淡水的开采，其水位下降会导致咸、淡水界面大幅上升，淡水水位每下降1m，咸、淡水界面将上升25m。
咸、淡水界面北侧地下卤水开采造成咸-卤水水位下降，hb减小，将使咸、淡水界面两侧水位差增大，咸、淡水界面下移，使咸-卤水入侵向减缓趋势发展。
四、咸-卤水入侵空间分布
20世纪80年代以前，由于海(咸)水入侵规模极小，且全区性的地下水分析数据稀少，所以利用1980年和2002年水质分析资料圈定咸-卤水入侵范围。分析表明，入侵区地下水矿化度的变化特点主要表现为由小于1g/L增大为1～2g/L，浅层地下水1g/L矿化度等值线向内陆推移面积594.6km2，2g/L等值线向内陆推移面积127.1km2。水质分析资料研究表明，随着矿化度的增高，Cl－浓度增大(图7-12)，两者相互关系近似表达为
山东省地质环境问题研究
式中:D为矿化度(mg/L);L为Cl－浓度值(mg/L)。
由于Cl－是地下咸-卤水中最主要的稳定常量元素，反映咸-卤水入侵最为敏感，其次它对淡水的侵染及对农业生态的有害效应十分明显，且测试数据丰富，所以将Cl－作为判断咸-卤水入侵的指标，标准值为250mg/L。
图7-12 莱州湾南岸冲洪积平原区地下水矿化度与Cl－浓度关系图
在绘制出1980年、2002年地下水Cl－含量等值线图的基础上，圈出了咸-卤水入侵范围，区内咸-卤水入侵呈带状分布于研究区中部，入侵距离1.5～12.0km，入侵总面积696.8km2(图7-13)。
图7-13 莱州湾南岸咸-卤水入侵分布图
综合分析莱州湾南岸地层结构、咸水空间分布、地下水开采现状和地下水质监测资料，咸-卤水入侵深度主要位于80～100m。由于研究区分布有多层河流冲洪积砂层，颗粒粗、分布广、连续性较好，是咸-卤水入侵的主要通道，各砂层间多以粘土、砂质粘土弱透水层相隔，所以入侵类型主要为水平向顺层入侵(图7-14)，局部地下水强采区可发生一定程度的越流入侵。
图7-14 潍河下游地区咸-卤水入侵剖面图
图7-15 咸-卤水入侵过程模式图
五、咸-卤水入侵的发展进程
1.发展演化模式
咸、淡水界面在地质历史上形成以后，之所以能取得相对稳定的位置，是由于入海地下水流与向陆盐分弥散之间建立了一种平衡关系。当地下水流使界面向海移动的虚拟速度v与盐分弥散使咸、淡水界面向陆移动的虚拟速度u相等时，界面处于相对稳定状态。
地下淡水的开采导致漏斗的形成和发展，当漏斗边缘扩展至咸、淡水界面时，水力坡度I减小，v随之减小(图7-15)，而由于盐离子运移比水压变化传递速度小2～3个数量级，所以u几乎不变，咸、淡水界面向陆移动，咸水入侵开始，弥散减弱滞后于渗流减弱，是咸水入侵在初始阶段的动力。
在咸、淡水界面与漏斗下游一侧分水线B相遇后，界面所在部位的渗流指向漏斗中心，即不向海而向陆。向陆渗流与向陆弥散均使咸、淡水界面向陆移动，咸水入侵加剧。渗流局部反向是入侵在加剧阶段的主要动力，弥散滞后减弱仍为动力之一。
在咸、淡水界面移至漏斗下游一侧反向水力坡度最大的一线E以后，随着向漏斗中心移动，反向水力坡度逐渐减小，渗流与弥散虽仍同向，但入侵动力渗流的作用越来越小，咸水入侵进入减弱阶段。当顶端移至漏斗上游侧水力坡度恰为原始水力坡度I的一线F时，向海渗流与向陆渗流间重新建立平衡，咸水入侵终止。
由此可见，咸-卤水入侵过程可划分为初始阶段、急剧发展阶段、减缓阶段等3个阶段，各阶段的入侵速率有明显差别。
2.发展进程分析
研究区地下水质监测资料表明，莱州湾南岸咸-卤水入侵具有阶段性，各发展阶段分析如下:
(1)初始阶段(1976～1979年)
1973～1975年，研究区连年干旱，降水偏少，工农业需水量增加，地下水位下降，出现小范围的地下水位负值漏斗，总面积小于800km2，咸、淡水界面淡水一侧局部地段水质季节性变咸，相应的少量水井有水质变咸的记录。
(2)急剧发展阶段(1980～1990年)
1981～1989年，研究区进入长达9年的连续干旱期，几个集中供水水源地相继建成，地下水开采量急剧增长，地下水负值漏斗区面积迅速扩大，由1980年的792km2扩大到1990年的3232km2，年均增长244km2。咸-卤水入侵界线开始落入地下水位负值漏斗中，入侵速度明显加快，这期间咸-卤水入侵平均速度为292m/a。
(3)减缓阶段(1991～2002年)
1991～2002年，降水量有所增加，且区内调入了一定量的黄河水，地下水位负值漏斗面积有持续缩小趋势，由1990年的3232km2减小到2002年2561km2，年均减小56km2。咸-卤水入侵界线逐渐向负值漏斗轴线靠拢，局部地段越过中轴线，入侵速度减缓，其间咸-卤水入侵平均速度降为166m/a。
六、咸-卤水入侵发展趋势预测
研究区广饶-寿光漏斗区入侵界线已达到负值区中轴线，寿光市留吕镇附近已经越过了漏斗中轴线;昌邑漏斗区和广饶-寿光漏斗西端入侵界线离中轴线尽管还有一段距离，但入侵线也越过了漏斗下游一侧反向水力坡度最大点，这反映出目前莱州湾南岸咸-卤水入侵处于减缓阶段，未来的入侵速率将逐渐减弱，直至终止。只有在地下水开采布局发生变化，特别是地下水集中开采区位置变化，地下水位负值漏斗中心位置移动时，咸-卤水入侵线才会发生移动直至达到新的平衡点。
根据以上分析，咸-卤水入侵终止线位于负值漏斗上游水力坡度恰为原始水力坡度时的位置，据地下水监测资料，负值漏斗区地下水原始水力坡度为1.00‰～1.50‰，平均1.20‰，据此可确定咸-卤水入侵终止线的位置(图7-16)。由此可以得出以下结论:在维持地下水开采布局现状的情况下，区内咸-卤水入侵将进一步发展，如不及时采取防治措施，最终咸-卤水入侵面积将增加854.0km2，总入侵面积将达到1550.8km2，占研究区总面积的26%(表7-3)。今后咸-卤水入侵的发展主要集中于广饶、寿光西部和昌邑市，未来将向内陆入侵3～15km，其他地区已接近入侵终止线，扩展面积不会太大。
图7-16 莱州湾南岸咸-卤水入侵趋势预测图
表7-3 莱州湾南岸咸-卤水入侵预测结果表 单位:km2