(1.山東省地質調查院，濟南250013，2。山東地質工程勘察院，濟南250014)
基金項目:國土資源調查項目:環渤海地區地下水資源與環境地質調查評價(200112400005)。
作者簡介:徐建國(1965—)，高級工程師，本科學歷，主要從事水文地質和環境地質調查工作。
萊州灣是壹個地下水超采、海水入侵、地下水汙染等環境地質問題嚴重的地區。淺層地下水資源的變化是造成這些問題的重要原因。淺層地下水資源的變化表現在水量和水質兩個方面。在水量方面，隨著氣候和水文地質條件的變化，淺層地下水資源發生了變化，豐水期和枯水期的自然資源量分別為19.73×108m3/a和12.70×108m3/a。水質方面，部分地區水質惡化，總硬度、氯離子、硫酸根離子、硝酸根離子等常規離子含量增加。淺層地下水飲用水水質從1980年的5142km2，超標到2000 ~ 2002年的5853km2。
關鍵詞:萊州灣；淺層地下水；鹽汙染；資源變化
0簡介
萊州灣北鄰渤海萊州灣，南臨泰山北麓山前平原，東臨膠東半島，西接魯中腹地。沿萊州灣海岸呈半圓形。全區包括龍口、招遠、萊州、昌邑、寒亭、壽光、廣饒等7個市(縣、區)和平度市的壹小部分，總面積約101658。
該地區是山東省東部經濟發展水平較高的地區。2002年人口463.9萬人，國民生產總值559.2億元，占全省的6.8%。隨著區域經濟建設的快速發展，特別是20世紀80年代初，韓偉、昌邑、壽光、龍口等集中供水水源地相繼投產，使得該地區地下水開采量逐年增加，開采強度不斷加大。全區淺層地下水可開采量為7.52×108m3/a，目前開采量為8.13× 108m3。超采0.62×108m3/a，造成地下水位持續下降、海(鹹)水入侵等環境地質問題，對當地生態環境質量、工農業生產和人民生活造成極大危害。究其原因，需水量的增加是重要因素之壹，但水資源的逐漸減少是另壹個重要原因。萊州灣地區重要的供水水源——淺層地下水的變化研究，將有助於制定合理的水資源開發利用規劃，對緩解水資源供需矛盾、改善生態環境具有重要意義。
1的地質環境
萊州灣地區地形地貌條件復雜。總體來說，半圓形研究區分為東、西兩部分，西部為山前沖洪積平原和濱海海相平原區，其中山前沖洪積平原由多個扇緣交叉沖洪積扇組組成，其前緣被海相沈積物或黃河沖積物所掩埋，含水層粗厚，具有多層結構。在垂直方向上，含水層顆粒自下而上趨於變細，而在水平方向上，具有沖洪積扇的水文地質特征。單井湧水量壹般為1000 ~ 5000 m3/d，水量豐富。東部屬於魯東丘陵區和沿海平原。該區地下水主要賦存於濱海平原第四系含水層和山間谷地平原第四系含水層中，裂隙地下水主要賦存於基巖風化裂隙中。第四系分布區單井湧水量壹般為500 ~ 1500m3/d，出水量相對較弱。山谷兩側單井湧水量1000m3/d，單井湧水量3000m3/d。
全區有小清河、淮河、彌河、膠萊河、白浪河、王河和湟水等20多條河流，屬於淮河流域的沿海水系。這些河流大多發源於南方的丘陵山區，在北方單獨流入大海。全區年平均降水量594.7mm，年平均地表徑流量12.94×108 m3(含上遊來遊客)。汛期徑流量占全年的70% ~ 85%，洪水暴漲暴落，難以調蓄，而枯水期徑流量很小，甚至長時間斷流，沒有水可用。
2降水量和地表水資源量的變化
2.1降水量變化
大氣降水作為萊州灣地區淺層地下水的主要補給源，具有周期性變化的特點，其變化是壹個相當復雜的隨機過程。降水過程是大氣環流和下墊面熱力條件相互作用的結果。壹次降水的形成和降水量受到許多隨機因素的幹擾，導致降水過程和降水的波動。
為了抑制或消除隨機因素的幹擾，從而提取出對降水周期性變化分析有用的信息，首先采用數字濾波算法對原始氣象觀測數據進行濾波，將濾波後的數據作為下壹步計算微分積的觀測數據，然後根據計算的微分積值做出微分積曲線，分析降水周期。分析過程如下。
2.1.1氣象站降水觀測數據采用移動平均法進行濾波。
移動平均法是壹維趨勢分析的算法之壹，也是壹種簡單的數字濾波方法。其作用是平滑數據組成的曲線，抑制或消除短周期成分和隨機幹擾，保留長周期趨勢，從而確定不同時期的趨勢值，計算公式如下:
山東省環境地質館藏
其中:δXi為氣象站降水觀測數據的滑動趨勢值；Xi是壹系列原始氣象觀測數據；為濾波算子，其中m為滑動點數(m值越大，去除的短周期成分越幹凈，曲線越平滑)。
2.1.2對降水觀測數據的滑動趨勢值進行差分積分析。
微分乘積分析是壹種常用於確定時間序列周期性變化的方法。所謂差積，就是每個點的觀測序列值與平均值的逐點差之和，即確定每個觀測點的偏差後，逐點累加，確定這個累加序列的周期性變化。計算結果繪制的曲線稱為微分積曲線，下降的弧線代表枯水段，上升的弧線代表豐水段，因此由枯水期和豐水期組成的降水曲線代表壹個降水循環。計算公式:
山東省環境地質館藏
其中Yj為每個觀測點的差積值；Xi是序列中每個點的原始觀測值；是序列的原始觀測值的平均值；n是序列觀察點的數量。
萊州灣氣象站缺少長系列的降水監測數據，但附近地區的降水監測數據可以用來分析該地區的降水變化規律。萊州灣附近的煙臺、青島、濟南氣象站有壹長串氣象監測數據。利用上述方法，利用三市80 ~ 110年的降水觀測資料分析了降水周期和降水變化趨勢，基本能反映萊州灣地區的降水特征。圖1基於煙臺氣象站1887 ~ 2001、青島氣象站1889 ~ 2001、濟南氣象站1916 ~ 2001的降水系列。
圖1氣象站年降水量10年滑動微分乘積曲線
從微分乘積曲線可以看出，三個城市的降水量變化幾乎是同步的，都經歷了壹個幹-豐-幹的循環。自1915以來，研究區經歷了壹個完整的降水周期，周期長度為86年，其中1915 ~ 1948為枯水期。研究區系統降水數據從1956開始，其中豐水期1956 ~ 65438+675mm/a，枯水期1980 ~ 2001為578mm/a，相差97mm/a(表66
表1降水和地表水資源變化壹覽表
2.2地表水體積的變化
萊州灣地區地表水資源隨著降水的周期性變化而變化。據統計分析，全區地表水資源由豐水期的15.22×108 m3/a減少到枯水期的9.89×108 m3/a，減少了35%(表1)。地表水可供水量在1960 ~ 1980豐水期為6.60×108m3/a，在1980 ~ 1993枯水期僅為3.3×108m3/a。
地表水資源減少的原因是降水減少和主要河流中上遊大量地表水蓄水工程的建設，使河流中下遊徑流量持續減少，部分河流常年斷流。
3水文地質條件的變化
自1980以來，萊州灣淺層地下水動態場發生了巨大變化。萊州灣西段從1980開始，埋深小於4m的面積從23297km2減少到65438+4637km2，減少了28%，而埋深大於10m的面積從1980的0km2增加到2000 km2。淺層地下水位負漏鬥面積為1470km2，占全區總面積的14.5%。萊州灣東部濱海平原於20世紀70年代末開始出現淺層地下水降落漏鬥。到1990，地下水負漏鬥總面積達到491km2，占濱海平原總面積的42.3%。漏鬥中心水位的高度壹般低於-10米，在接下來的10年裏，地下水位相對穩定地保持在壹個較低的水平。
水文地質參數研究結果表明，當地下水位超過4 ~ 6m時，淺層地下水的補給量會隨著地下水位的升高而減少。表2表明，近20年來萊州灣地區的降水入滲系數明顯下降。
表2降水入滲補給系數區域面積變化表
4淺層地下水資源的變化
淺層地下水資源是與降水、農田灌溉、地下水流場等因素密切相關的隨機變量。近20年來，隨著上述因素的變化，淺層地下水資源必然會發生變化。根據對降水、地表水和水文地質條件變化的分析，計算自然資源量，淺層地下水埋深1980年和2001年分別代表地下水埋深1956 ~ 1980年和1980 ~ 2001年。計算結果表明，自然資源由豐水期的19.73×108 m3/a減少到枯水期的12.7×108 m3/a，減少了35.6%(表3)。主要影響因素是占整個資源變化的降水入滲補給量的減少。
表3淺層地下水自然資源變化表(單位:108m3/a)
5淺層地下水質量的變化
萊州灣地區是壹個經濟發達、人類工程活動強烈的地區，主要表現為人口密度高、工礦企業密集、地下水開采強度大。此外，包氣帶和含水層巖性粗，地下水抗汙染能力差，是地下水汙染嚴重地區。地下水水質監測點化學常規成分對比數據顯示，該區淺層地下水汙染以鹽類汙染為主，即大部分監測點的鹽度、總硬度等常規成分明顯升高。鹽分汙染具有較強的時空分布特征，壹般呈平面狀或帶狀，其判別指標壹般為總硬度、氯離子、硫酸根離子和硝酸根離子。
5.1總硬度增加。
總硬度的增加是萊州灣地區淺層地下水水質變化的重要表現。必須有大量的鈣鎂來源才能增加地下水的硬度。該區土壤和風化殼富含碳酸鹽，部分鈣質結核碳酸鹽含量較高。土壤中富集的Ca2 ++和Mg2 ++是增加地下水硬度的主要來源。隨著該地區工業的快速發展和人口的增加，生活垃圾、工業垃圾，特別是含有大量有機物和可溶性鹽類的汙水，以溶液的形式滲入地下水，與土壤中的碳酸鹽發生化學反應，生成可溶性的鈣鎂鹽，使淺層地下水硬度增加。
在萊州灣地區，除南岸濱海區外，淺層地下水硬度超標區恰好是工業汙染源相對集中的人口密集區，也是淺層地下水漏鬥區。特別是近20年來，隨著工區工農業的快速發展，特別是鄉鎮企業的增多，汙水排放量越來越大，地表水汙水灌溉問題越來越嚴重，使得地下水硬度超標的範圍和程度逐年增加。1980左右，總硬度超標區位於萊州灣南岸沿海鹵水分布區和膠東半島部分河流入海口區，主要屬於原生硬度超標區。人為汙染造成的二次總硬度超標面積較小，呈塊狀分布於該區幾條主要排汙河的兩側，總面積為4965.8km2，至2002年左右，萊州灣沿岸總硬度超標面積為5704.9km2，增加速率為33.6km2/a(圖2)。
淺層地下水總硬度超標變化圖。
5.2氯離子含量增加
1980之前，該區地下水開采程度較低，Cl-超標區主要為壹級超標區，主要分布在萊州灣南岸沿海地區(圖3)。從1980到2002年的22年間，部分地區Cl-含量大幅度增加，超過飲用水標準250mg/L的分布面積從1980左右的3598.5km2增加到2002年左右的4767.7km2，增長率為53.1km2/a/a..工作區Cl-含量急劇增加的原因主要有兩個，壹是海水(鹹水)的入侵，二是生活和工業廢水的汙染。
圖3淺層地下水氯離子超標區變化圖
5.3硫酸根離子含量增加
1980左右，萊州灣超標區域總面積為2709.5km2，除萊州灣沿岸原有超標區域外，小清河沿岸和高密市部分區域含量超過生活飲用水衛生標準250mg/L，為地表水汙水灌溉所致。從1980到2002年的22年間，部分地區地下水含量大幅度增加。到2002年，超標面積達到3164.0km2，年均增加20.7km2，超標增長區主要位於小清河沿岸、界河流域、鄒平、淄博、高密(圖4)。
綜合分析淺層地下水幾種常見汙染指標，飲用水超標面積從1980年的65438+5142km2增加到2002年的5853km2，增加了13.8%，占萊州灣總面積的57.7%(圖5)。
6結論
萊州灣地區是山東省地下水環境變化最大的地區之壹。淺層地下水是該地區的主要供水水源，其變化體現在水量和水質兩個方面。水量的變化表現為補給條件的變化。首先，作為主要補給來源的降水和地表徑流明顯減少。從大氣降水變化特征分析發現，1980壹直處於枯水期，未來20 ~ 30年仍將處於枯水期。降水量的減少和主要河流上遊大量地表調蓄工程的建設，使萊州灣沖洪積平原和濱海海相平原地區淺層地下水的補給量減少了35.6%。淺層地下水水質的變化主要表現為鹽汙染，即常規成分的增加，這種水質的惡化具有面狀分布的特點。目前淺層地下水適宜飲用的分布面積僅占研究區總面積的42%，超標面積比20年前增加了13.8%。水資源供需矛盾是萊州灣地區的主要問題，解決這壹問題的主要途徑是吸引遊客補水和加強環境保護與治理。
圖4淺層地下水硫酸根離子超標面積變化圖
淺層地下水飲用水超標面積變化圖。
參考
鄧惠萍，趙明華. 2001。氣候變化對萊州灣水資源脆弱性的影響。自然資源學報，16(1):9 ~ 11。
許，康鳳新。2001.山東省地下水資源可持續開發利用研究。北京:海洋出版社。