湛江市硇洲岛海水入侵初步研究

　　[摘要]本文是在专项调查研究的基础上，论述了硇洲岛海水入侵发生的地质环境背景、地下水开发利用和海水入侵现状，重点分析了海水入侵的成因机理、入侵方式及影响因素，提出了调整产业结构、分层控制地下水开采量、回填“串层井”、蓄水补源、加强地下水资源管理等切合客观实际的防治对策。
　　[关键词]硇洲岛，香蕉，高位虾池，海水入侵，防治对策
　　
　　
　　1.前言
　　硇洲岛位于广东省湛江市东南40km的海域上，面积56km2，人口约4.6万。岛上没有河流和大中型水库，地下水是该岛唯一的供水水源。自20世纪90年代初临海地带个别民井开始出现水质变咸以来，已造成岛上沿海地带21个村庄近万人出现饮水困难，海水入侵面积已占全岛总面积的三分之一（达18km2），最大入侵距离达1.3km。特别是近年，随着海水入侵范围逐年扩大和逐渐向深部含水层渗透，引发了岛上居民对未来用水和生存环境的忧虑，已成为制约该岛社会经济发展和影响社会安定的重要因素。查明海水入侵现状和形成原因，采取针对性的防治对策拯救宝贵的地下淡水资源，已成为当地政府及岛上居民的共同心愿。2006年在广东省地质勘查局地质科学研究基金资助下，广东省地质局水文工程地质一大队开展了“湛江市硇洲岛海水入侵初步研究”工作，本文是在这次专项调查研究的基础上总结而成。
　　2.地质环境背景
　　2.1地形地貌
　　硇洲岛是中晚更新世时期由基性玄武岩浆喷发形成的一个火山岛屿，属玄武岩台地地貌。地形总体酷似一个浮出海面的“海龟”，以中部偏东的灯塔火山口为中心向四周缓降。地面高程一般10~50m，灯塔火山口（82.5m）是全岛的制高点。
　　2.2地层岩石
　　研究区地表除了环岛海边局部出露小面积的第四系全新统近现代海相堆积（Q4meol、Q4m），以及东南部点状出露第四系下更新统湛江组地层外，岛上绝大部分区域均被第四系上更新统湖光岩组（Q3h）喷溢相火山岩及其风化残积土覆盖，下伏地层为第四系下更新统湛江组（Q1Z）。据前人钻探揭露，深部为第三系下洋组（N2x）、涠洲组（N1w）松散～微固结岩层，基底为寒武系八村群（Єbc）地层。
　　2.3水文地质特征
　　硇洲岛位于雷琼断陷自流盆地东北部，自第三纪以来沉积了一套厚愈千米的第三、第四系砂性土和粘性土相间的松散—半固结沉积物，由于后期火山喷发导致地表普遍覆盖着一层数米—数十米的火山岩被。其中含水、透水的砂性土和孔洞裂隙发育的火山岩是本区主要含水层，粘性土层为相对隔水层。由于含水层与隔水层相互叠置，构成了雷州半岛地区独特的多层结构含水层组。根据地下水埋藏条件、水力特征以及本岛的实际情况，大致可将岛内的地下水分为浅层潜水—微承压水（埋藏深度一般＜50m）、中层承压水（50~200m）和深层承压水（＞200m）三大含水层组。
　　岛内的浅层地下水主要由火山岩孔洞裂隙水和湛江组上部微承压孔隙水组成，其补给、迳流、排泄自成体系，是一个完全独立的水文地质单元。天然条件下，浅层地下水获得降雨补给后，除一部分消耗于人工开采和越流补给中层地下水外，另一部分则随山势地形自高往低向四周迳流，最终以泉的形式流出地表或渗流入海。由于岛内大部分地区火山岩底板位于海平面之下，浅层地下水与海水存在着密切的水力联系，当陆域地下水位低于海平面时，就会造成海水倒灌（海水入侵）。中深层地下水含水层则与陆地同层位含水层相连，除接受岛内浅层地下水的越流补给外，还接受岛外来自大陆方向同层地下水的侧向补给，以及通过火山口和隔水层缺失的“天窗”获得上、下含水层的越流补给。
　　2.地下水开发利用及海水入侵现状
　　2.1地下水开发利用现状
　　据调查，硇洲岛大量开发利用地下水大致始于1992年，此前地下水开采井及开采量极少，农村生活饮用水多以一村一井或每户一口手摇井的形式开采浅层地下水供水，农业以旱作物为主，农业用水主要靠降雨及集雨水池塘供水灌溉，仅有几个企事业单位开采中深层地下水供水，由于地下水开采量远小于补给量，浅层地下水一直保持正态流动，没有发生过海水入侵现象。自从1992年开始大面积种植高耗水的香蕉，以及1996年9615号超强台风导致沿海滩涂对虾养殖场遭受重大损失、内迁发展“高位虾池”以来，香蕉和海水养殖已逐渐发展为支撑硇洲镇经济的两大支柱产业，岛内地下水开采井和开采量逐年增加。据不完全统计，目前岛内共有香蕉种植面积2.6万亩（占该岛种植总面积的86.7％），对虾养殖面积0.17万亩（其中高位虾池约400亩），各类开采井2240眼，开采井平均密度达40眼/km2，地下水开采量2346万m3/a。其中：农业灌溉井1346眼，开采量约1930万m3/a，占总开采量的82.3%；水产养殖开采井243眼，开采量约136万m3/a；人畜饮用及工业用水井651眼，开采量约280万m3/a。据计算，目前岛内浅层地下水和中层地下水的开采量均超过了地下水允许开采量（表1），总量超采近1倍，其中浅层地下水已严重超采。掠夺性超采造成该岛浅层水水位快速下降和在沿海地带形成大面积水位负值区，六竹—晏庭、潭北湾、潭北湖等地地下水位标高已低于海平面15m以上。
　　表1各层地下水开采程度一览表
　　地下水类型 浅层地下水 中层地下水 深层地下水 合计
　　允许开采量(万m3/a) 424 511 241 1176
　　实际开采量(万m3/a) 1600 646 100 2346
　　开采程度(%) 377.4 126.4 41.5 199.5
　　2.2海水入侵现状
　　硇洲岛海水入侵大致可按其入侵方式划分为水平入侵和垂向入侵两种类型。
　　2.2.1水平入侵及危害现状
　　据调查，硇洲岛发生海水入侵始于1992年大量种植香蕉之后，至2004年，其入侵范围仅局限于北海岸的晏庭、港头、后角、烟楼村及南部的英明村等几条临海村庄，海水入侵面积大约仅有5km2，入侵距离一般在300m以内。2004~2006年，由于气候特别干旱，期间不仅降雨量少、持续时间长，而且农灌用水量比任何年份都要大，地下水位随着开采量增加而逐渐下降，随着降落漏斗和低于海平面的负值区不断扩展，海水入侵范围快速向内陆延伸，形成了除硇洲镇所在地之外的环带状海水入侵区（图1），海水入侵总面积达18.0km2，约占硇洲岛陆地总面积的三分之一。平面入侵距离一般在500~1000m左右，最大达1300m。已造成沿海近岸地带约有21条自然村近万人因海水入侵水质咸化而导致饮用水困难，数百眼机井因无水可抽或水质变咸而报废，近千亩沿海低洼地段的农田变为盐碱化沼泽地，1000多亩耕地因灌溉水质咸化的地下水而土地板结，种植的香蕉大幅度减产，数百眼机井因无水可抽或水质咸化而报废。
　　根据浅层地下水的水质情况（氯离子含量）和使用功能，硇洲岛海水入侵的危害程度大致可划分为三个级别区：严重区分布面积约14.2km2，该区地下水中氯离子含量一般大于1.0g/L（南部英明村民井最高达8.9g/L），浅层地下水大部分已变为咸水，已完全失去利用价值；轻微区分布面积约3.8km2，该区地下水中氯离子含量一般在0.25~1.0g/L，浅层地下水多为苦咸味明显的微咸水，已失去部分利用功能；未受影响区位于硇洲岛中部，分布面积约38.0km2，浅层地下水水质几乎未受到海水入侵的影响。
　　
　　图1硇洲岛海水入侵现状图
　　2.2.2垂向入侵及危害现状
　　海水垂向入侵含水层主要由“高位虾池”渗漏及已发生海水入侵区内的“串层井”引起。海水养殖也是硇洲岛支柱产业之一，自从1996年沿海滩涂养殖虾池遭受9615号超强台风和海潮袭击后，有大量虾池迁入“内陆”（称之为高位虾池），据不完全统计，岛内共有“高位虾池”约400多亩，由于“高位虾池”池底和养殖废水在排放过程中出现渗漏，造成海水（咸水）污染浅层地下水范围进一步扩大，如北部六竹—六罗村及下大伦—担水村一带因受上游虾池的影响，氯离子含量增高以致失去了利用价值。在已遭受海水入侵地下水咸化区，有许多深度＜50m的浅层水开采井或因水质变咸不能用于灌溉或水位下降无水可抽，不得不加深或新打机井开采中层地下水，由于这些开采井密集、开采层位集中（井深80~100m）、没有进行分层止水，加上成井时为增加出水量普遍实行管外填砾、全孔下入滤水管，当这种沟通上下含水层的“串层井”或废弃机井停止抽水时，就成了海水入侵的管道，导致局部中层地下水出现了咸化，在不断往深部追逐开采更深层地下淡水的过程中也逐渐将海水引向深部，就形成了垂向海水入侵和恶性循环。
　　3.海水入侵原因分析
　　3.1海水入侵的成因机制
　　海水入侵是滨海地区人为超量开采地下水，引起地下水位大幅度下降，海水与淡水之间的水动力平衡被破坏，导致咸淡水界面向陆地方向移动的现象[1]。
　　以往水文地质调查结果表明，天然条件下，硇洲岛浅层地下水水位标高等值线以火山口为中心向四周海岸递减，自高往低迳流和排泄入海，地下水位高于海平面，使该岛地下水长期以来未发生海水入侵现象。但由于近年集中、超量开采浅层地下水，造成沿海地带地下水位大幅下降和出现大面积水位低于海平面的负值区，原始的水动力条件被打破后，便引发海水沿含水层向“内陆”倒灌，形成水平入侵。海水入侵区的浅层水咸化后，在不断往下加深开采中深层淡水的同时，导致了上部咸水通过“串层井”或“混采井”入侵下部含水层，从而形成了该岛第二种海水入侵方式——垂向入侵（图2）。在陆地上修建的“高位虾池”，不仅稀释海水和虾池补水需要开采大量的地下水及增加内陆地下水开采量，而且常因池底渗漏和排放咸废水造成附近及下游地区地下水咸化，成为本岛第三种入侵模式。
　　
　　图2硇洲岛海水入侵模式示意图
　　3.2影响海水入侵的主要因素
　　3.2.1水文地质条件
　　孔洞裂隙发育的火山岩含水层直接与海水接触且层位适宜，与海水之间存在着密切的水力联系，为海水水平入侵“内陆”提供了必要的通道，是海水入侵的物质基础和重要内因；中深层地下水含水层与隔水层互层叠置，而且浅层水与中层地下水之间存在稳定的粘土隔水层，如不被人为破坏可起到阻止海水（咸水）向下入侵中深层地下水的作用。
　　3.2.2地形地貌条件
　　硇洲岛属中部高四周低的龟背型地形，是浅层地下水向四周流动奠定了基础，一定程度上起到减缓海水入侵进程和缩小入侵范围的作用，地形和地下水位标高较高的中部火山岩高台地区没有发生海水入侵现象。北部地势相对平坦和有多个港湾向陆区延伸，是有利于海水入侵和范围扩展。
　　3.2.3气候条件
　　研究区的浅层地下水主要来源于大气降水补给，地下水位动态的季节性变化较为明显。一旦遭遇气候持续干旱年份或季节,一方面地下水补给量减少,另一方面地下水需求量和开采量大幅增加，就会导致地下水位快速下降，对海水入侵起加速作用。如2004～2006年该岛遭遇连续三年干旱（降雨量小于年均降雨量20％～40％）期间，随着地下水开采量大幅增加，海水入侵面积迅速增加至18km2。但在降雨量充沛或风调雨顺的年份，雨水补给地下水，又可起到抬升地下水位、降低地下水矿化度和缩小海水入侵范围的作用。据访，雨季及地下水开采量小的季节，水的咸度小，咸水入侵线有所退缩；干旱年份和用水量多的季节，特别是连续几天强力抽水时，抽水时间越长，咸度越大，入侵距离增加。
　　3.2.4人类活动
　　调查研究表明，硇洲岛海水入侵是不合理开采地下水引发的。主要表现于：大量种植高耗水的香蕉和采用漫灌方式灌溉，不仅不符合该岛水资源短缺的客观实际，而且造成了大量宝贵的地下水资源白白浪费；盲目利用沿海低地和在陆地兴建“高位虾池”发展海水养殖，不仅人为地将海水引入内陆、海岸线内迁，而且虾池及排水渠道渗漏造成地下水污染；地下水资源开发利用缺乏统一管理、规划，按需打井取水造成开采井密集和开采层位高度集中，以及地下水位大幅下降；打井质量低劣，没有分层止水，大批的浅—中层地下水混合开采井（“串层井”）变成海水入侵中深层地下水的通道。
　　4.防治对策
　　针对硇洲岛海水入侵特点和形成原因，符合该岛客观实际的海水入侵预防与治理对策可从如下几方面考虑：
　　4.1调整产业结构，全面推行节水灌溉
　　香蕉种植业是岛内用水大户，其用水量约占全岛总用水量77％，大幅减少香蕉灌溉用水量是防治海水入侵之根本。一方面通过调整农业种植结构，逐步减少香蕉种植面积和大力发展适应性作物（耐旱）实现部分减量，按目前灌溉定额和减少3000亩香蕉种植面积计算，可减少灌溉用水量约200万m3；另一方面可通过节水灌溉技术实现减量，根据邻区成功经验[4]推算，如果全岛实行喷灌、滴灌、微灌等节水灌溉新技术，每年大约可节水1000万m3。可见，调减用水量后，全岛地下水的开采量基本与允许开采量一致，平衡开采的目标是可以实现的。
　　4.2分层控制地下水开采量
　　硇洲岛的海水入侵是由于超量开采浅层地下水引起的，因此，要防止其入侵就必须调控各分层的地下水开采量，并将其限制在允许开采量范围之内。鉴于历史上开采不平衡，已造成不同含水层组的地下水资源潜力存在较大差异，因此调控方法、程度必须符合各开采层客观实际，分层控采措施主要有：
　　4.2.1大幅减采或禁采海水入侵区浅层地下水
　　在水位低于海平面的负值区及已发生海水入侵的沿海地区，通过关闭所有浅层地下水开采井，以实现水位逐渐恢复、地下水含盐度逐渐降低、降落漏斗和海水入侵区面积逐渐缩小、保持地下水位高于海平面和正态流向为调控目标；在未发生海水入侵的中部地区，通过调减浅层地下水开采量，可实现增加地下迳流量和控制海水入侵进一步扩展的目的。
　　4.2.2适量调减中层地下水开采量
　　目前中层地下水超采量不大，可通过封填海水入侵区内的“串层井”和调整开采层位、取水深度实现平衡开采。
　　4.2.3适当增加深层地下水开采量
　　由于深层地下水仍有一定的开采潜力，在浅、中层地下水已咸化的海水入侵严重区，可开发利用深层地下水作为集中供水水源，解决农村及城镇区居民的生活饮用水问题，一定程度也是减轻浅、中层地下水资源压力之举措。
　　4.3蓄水补源，增加地下水补给
　　充分利用岛内沟谷、洼地等有利的地形地貌条件兴建拦蓄雨水及地表径流的集雨蓄水库（山塘、水池），不仅可通过库底自然渗漏或修建回灌坑、渗井、渗渠等人工回灌工程增加地下水补给量，而且也可起到丰蓄枯用、改变农灌用水过度依赖地下水的局面和减轻地下水资源压力的目的。
　　4.4封填“串层井”，堵塞垂向入侵通道
　　为防止海水继续向下入侵深部含水层，必须封填已发生海水入侵区所有的“串层井”。建设在陆地上的“高位虾池”必须限期迁往海岸滩涂地带，对于近期未能外迁的，池底必须采取严格的防渗措施，并安装专门的管道保证养殖废水直排入海。
　　4.5科学管理，积极保护
　　4.5.1加强地下水资源管理
　　对全岛地下水资源开发利用必须实行统一规划、统一管理。尽快编制硇洲岛地下水资源开发利用与保护规划，制订与“水法”配套的地方性法规和制度，严格实行地下水资源开采总量控制和取水许可制度，把地下水开发利用纳入法制化、规范化和科学化管理的轨道，彻底改变目前的盲目打井、超采滥用、按需取水的局面。
　　4.5.2重新调整开采井布局
　　重新调整开采井布局和开采层位，是今后一定时期防止和治理海水入侵的一项重点工作。地下水开采必须坚持分散、分层开采，科学布置开采井的位置、井距、深度、取水层位，限制开采井密度和开采量。提高机井施工和成井工艺，规范打井行为，在海水入侵区新增机井必须将浅层水与中层水隔离（分层止水），严禁新建混合开采井（串层井），是防止海水垂向入侵中层地下水含水层的关键。
　　4.5.2建立地下水动态监测网络和预警系统
　　尽快建立地下水动态监测网络和预报预警系统,及时掌握地下水水位、水质变化情况及海水入侵灾害的演变趋势和危害程度，为及时调整开采方案和有效防治海水入侵提供科学的决策依据。
　　5.结语
　　⑴硇洲岛海水入侵面积已占该岛总面积的三分之一，而且具有逐渐入侵深部含水层的趋势，海水入侵及其危害是相当严重的。如若任其发展，岛内的淡水资源势必在不久的将来出现枯竭，人类生存环境和社会稳定及经济可持续发展将面临严重的威胁，防止和治理海水入侵已迫在眉睫。
　　⑵超采地下水是引发硇洲岛海水入侵的主要原因，大量种植香蕉和采用落后的灌溉方式是造成海水入侵之根源。在影响海水入侵的诸因素中，水文地质条件和地形地貌条件是海水入侵的基础因素，不合理的人类活动是海水入侵的诱发因素，气候条件是海水入侵的加剧因素。
　　⑶针对硇洲岛海水入侵特点和形成原因，符合该岛客观实际的海水入侵防治对策主要有：调整产业结构，全面推行节水灌溉；分层控制地下水开采量；蓄水补源，增加地下水补给；封填“串层井”，堵塞垂向入侵通道；科学管理，积极保护等。
　　参考文献
　　[1]刘杜娟，中国沿海地区海水入侵现状与分析，地质灾害与环境保护，2004年第15卷第1期；
　　[2]郭占荣黄奕普，海水入侵问题研究综述，水文，2003年第23卷第03期；
　　[3]李国敏，海岛地下淡水资源开发利用与海水入侵防治，海岸带地质环境与城市发展研讨会论文集，2004年；
　　[4]曹基富易志红，湛江市硇洲岛水资源开发利用现状及对策，地下水，2006年第28卷第02期。