一、海水入侵活动的背景条件与发展历史
1.海水入侵地区自然条件
秦皇岛市海水入侵活动主要发生在市区东南部的戴河、洋河河口地区。该地区为小型滨海冲洪积平原，其东南侧临渤海，北侧、西侧和西北侧为燕山余脉的低山丘陵。平原海拔高度为1～10m，自西北向东南倾斜。戴河、洋河自西北流入该区后，在平原东北边缘和中部注入渤海。沿河发育有河漫滩和1～3级堆积阶地。
平原基底和周缘山地丘陵地层为太古宇片麻岩类、古元古界混合花岗岩和侏罗系凝灰岩、安山岩。平原第四系地层以冲积、洪积为主；其次为河口堆积、海湾滨岸堆积、泻湖沼泽堆积、风积等。其岩性主要为粘质砂土、砂质粘土、淤泥质粘土、砂、砾石等，厚度一般为20～40m，最厚达80m左右。
平原地下水主要为第四系孔隙潜水。含水层岩性主要为中粗砂、砂砾石。厚度一般为5～25m。地下水补给来源主要为大气降水和山前地带的侧向渗透补给，其次为河流入渗、灌溉入渗和海水入侵补给。据有关研究成果，全区多年平均总补给量为5120×104m3，平均补给模数为45×104m3/km2，扣除灌溉入渗和海水入侵水量，地下水可开采量4860×104m3，平均可开采模数42×104m3/km2。地下水排泄途径主要是人工开采，其次为蒸发和向河道、海洋排泄。地下水动态受自然条件和人工开采活动控制。地下水位一般在0～5m（埋深2～10m），漏斗区水位0～10m（埋深2～15m），局部地下水埋深超过20m。地下水天然水质良好，矿化度小于lg/l，水化学类型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na、HCO3·Cl-Na·Ca型为主。受海水入侵影响，滨海岸地带矿化度为1～3g/l，水化学类型以Cl-Na型为主。
2.海水入侵地区社会经济概况及地下水开采活动
海水入侵地区行政归属秦皇岛市抚宁县的牛头崖镇、留守营镇、西河南镇和卢王庄乡，人口约7.5万。该区交通方便，京山铁路从其中部通过，公路四通八达。农业生产发达，共有耕地9.5万亩，其中90%为水浇地。主要作物为水稻、小麦、玉米、棉花、蔬菜。1993年农业总产值0.9亿元。工业以造纸业为主，有县和乡镇造纸厂20余个；其次有粮食加工、食品加工、木材加工、化肥等。1993年工业总产值为2.6亿元。该地区旅游资源得天独厚，除北缘的北戴河海滨旅游区外，南部正在建设的南戴河旅游开发区发展迅速。
伴随本区工农业生产和旅游事业的持续发展，地下水开采强度不断加大。在50年代末，为向北戴河疗养区供水，建成第一个集中开采的地下水水源地。70年代中期以后，农业和工业用水急剧增加，普遍出现地下水超采现象。到1993年，全区地下水总开采量达6318×104m3，其中工业、农业、人畜用水分别占总开采量39%、59%、2%。平均开采模数55×104m3/km2，超采率24%。不同地区地下水资源条件和开采强度不同，超采率不一。可大致分为5个地段，以东南部的留守营附近和东北部的枣园一带最严重（图16-1、表16-1）。
表16-1 秦皇岛市海水入侵地区地下水资源分布与开采现状表
据抚宁县水利局资料，1994。
地下水长期超采，使地下水位持续下降，形成一定范围的地下水降落漏斗和低于平均海平面的地下水位负值区，因而导致了海水入侵活动。
3.海水入侵发展历史与形成过程
秦皇岛市海水入侵活动发生在市区南部的洋河河口和戴河河口地区。据水化学监测资料，60年代以前，该地区地下水水质良好，氯离子含量130～170mg/1；水化学类型为HCO3-Na型。70年代初，个别水井出现咸化现象，显现海水入侵迹象。70年代末期以来，海水入侵活动迅速发展，到1986年，在南戴河—卜家营一带普遍发生海水入侵活动。入侵面积22km2，为海滨疗养区供水的枣园水源地有4眼井因水质恶化而停用，307眼农用机井也相继报废。1987年以后，海水入侵速度虽略有减缓，但仍以2km2/a左右的速率持续发展。到1991年，海水入侵面积达32.4km2，其中氯离子含量达500mg/1以上的中度、重度海水入侵面积达21.8km2，氯离子最高含量为1450mg/1。枣园水源地总计22眼供水井中有16眼水井因严重咸化而报废，其它供水井累计报废325眼（图16-2）。
图16-1 秦皇岛戴河、洋河河口地区水资源及开采强度分区图
1—分区界线及代号；2—研究区范围
图16-2 秦皇岛市戴河、洋河口地区海水入侵灾害分布图
1—海水入侵范围；2—地下水氯离子含量（mg/l）等值线；3—水化学类型界线；4—HCO3-Ca·Na;5—HCO3·Cl-Na·Ca;6—Cl·HCO3-Ca∆Na;7—Cl-Na
海水入侵活动是在一定的水文地质条件下因超强度开采地下水等原因，使滨海地带地下水与海水动力平衡遭到破坏后产生的灾害现象。研究区地下水含水层岩性为细砂、中粗砂、砾卵石。它们从陆地延伸到海底，所以与海水保持密切的水力联系。在天然环境下，地下水位高于平均海平面，并保持一定的水力势头，使地下水流向海洋。70年代后，本区地下水开采量不断增大，使地下水水位下降，形成低于平均海平面的地下水位负值区。到1984年，在枣园、蒋营、东河南和沟儿湾一带，地下水位降到—2m以下，最低达－8m。此后近10年期间，随着气候和采水强度变化，地下水位虽有升降，但始终保持在平均海平面以下。在这种情况下，海水和海底咸水不断向滨岸陆地方向扩侵，使滨海淡水资源遭到破坏，成为持久性灾害。
二、海水入侵活动的危险性评价
（一）危险性评价指标与危险性等级划分
水化学监测资料是评价海水入侵危险性的直接依据。其基本水化学指标是氯离子含量，参考指标是Na+Ca/Cl值、地下水矿化度及地下水水化学类型。
根据我国和世界一些国家生活饮用水水质标准（表16-2、16-3），将氯离子（氯化物）含量250mg/l确定为海水入侵灾害的临界值。同时考虑灌溉用水、工业用水对水质的要求，将海水入侵活动进一步划分为轻度、中度和重度入侵区（表16-4）。
表16-2 中部部分省（市、部门）生活饮用水水质标准对氯化物的要求
说明：（）为自来水。
表16-3 部分国家生活饮用水水质标准对氯离子的要求
（二）危险性分布
据研究区特征，划分为4个等级（表16-5、图16-3）。南新庄—西陆庄—卜家营—焦庄以西地区为无入侵区，以东地区为海水入侵区；且自西向东依次为轻度入侵区、中度入侵区、重度入侵区。各区均与海岸呈平行的条带状。
三、海水入侵灾害易损性评价
海水入侵活动的主要危害是破坏供水水源，从而导致采水设施报废，工农业生产受损，耕地土质劣化。因此，决定海水入侵灾害易损性的主要因素是供水井密度/眼/104m2、地下水供给强度/104m3/104m2、耕地类型及其对灌溉水质的敏感程度。依这三方面因素将易损性划分为3个等级（表16-6）。其分布情况如下（图16-4）。
表16-4 海水入侵危险性等级划分
图16-3 秦皇岛市戴河、洋河口地区海水入侵灾害危险性分布图
1—无入侵区；2—轻度入侵区；3—中度入侵区；4—重度入侵区
表16-5 秦皇岛市海水入侵灾害危险性分布表
表16-6 秦皇岛市海水入侵灾害易损性等级划分表
图16-4 秦皇岛市戴河、洋河河口地区海水入侵灾害易损性分布图
1—轻度易损区；2—中度易损区；3一重度易损区
重度易损区。仅分布在枣园附近，是向北戴河供水的集中开采区。海水入侵灾害破坏供水水源，使生产井和配套供水设施报废，造成严重损失。
中度易损区。分布在三个地区，即留守营—前韩家林地区、洋河套—西河南地区和卜家营—沟儿湾地区。这些地区除了农灌井外，还有分散的企业供水井。由于海水入侵灾害使这些供水设施报废，企业和农灌水源匮乏，农业生产和企业生产受到影响，因而造成比较严重的损失。
轻度易损区。重度易损区和中度易损区以外的地区，主要为水稻等种植区。其开采水井为农灌井。海水入侵灾害使水井报废，农作物减产，造成一定的经济损失。
四、海水入侵灾害的破坏损失评价
（一）海水入侵灾害的损失构成与核算方法
海水入侵灾害的直接后果是使地下淡水资源水质恶化，其产生的破坏损失主要包括：①开采井和配套供水设施报废损失，按各种设施的现实价值和失效程度核算；②采用劣质水供水或缩减供水造成的粮食减产与企业产品减产损失，按现实减产价值核算；③因开发新水源而增加的投资，按现实成本核算。
海水入侵灾害的损失分布一方面与灾害危险性、易损性分布同步变化；另一方面又经常出现灾害与损失异地分布的现象。造成这种现象的原因是地下水开采区与供水地距离较远，二者的危险性和易损性不一致。基于这种情况，对于小面积的海水入侵灾害只核算灾害的总体损失，对损失分布不做进一步分析。
（二）海水入侵灾害历史损失评价
在全面调查统计的基础上，采用现实成本逐项核算的办法确定历史损失（表16-7）。
秦皇岛总计损失为6234万元。海水入侵面积32.4km2，平均损失模数192万元/km2。
表16-7 秦皇岛市海水入侵灾害破坏损失核算表
（三）海水入侵灾害预测损失评价
海水入侵灾害破坏损失是在危险性评价基础上，对危害对象逐一调查统计后确定的。所以灾害预测损失的关键是危险性预测，即预测未来时期海水入侵活动的程度和范围。
可采用数学模拟手段进行危险性预测。具体方法是采用平面二维模型来模拟地下水水动力渗流场和盐分浓度场，据此判断预测期灾害危险性。
数学模型为：
1.水流方程
地质灾害灾情评估理论与实践
式中：W——地下水资源补给、排泄强度，包括大气降水、河渠渗漏补给强度及潜水蒸发和
开采强度/（m3/d）;
K——含水层水平渗透系数/（m/d）;
H——潜水水位/m;
Z——含水层底板标高/m;
D——研究区域；
B1、B2——研究区第一、二类边界；
H0（x,y）——初始时间水位/m;
H1（x,y）——人为第一类边界水位/m;
q（x,y,t）——二类边界流量/（m3/d）;
地质灾害灾情评估理论与实践
式中：C——潜水氯离子浓度/（mg/1）;
W——地下水补给排泄强度/（m3/d）;
m——含水层厚度，/m；
Dxx、Dxy、Dyy——氯离子深度弥散系数张量/（m2/d）;
Vx、Vy——地下水流速张量/（m/d）;
C0（x,y）——初始时刻氯离子浓度/（mg/l）;
C1（x,y）——一类边界氯离子浓度/（mg/l）;
c·q（x,y,t）——氯离子容量/（mg/l、m/d）。
3.水流方程与水质方程的藕合与求解
对于上述由连续方程与运行方程合成的水流与水质方程的藕合，取水头H作变数，利用达西定律：
地质灾害灾情评估理论与实践
把两个微分方程藕合起来，构成水质预测模型。对每个三角单元建立水量平衡和溶质质量守恒方程，联立后可得到任一时刻的水位和氯离子浓度值。
模拟预测程序如图16-5。
图16-5 海水入侵灾害危险性预测的数值模拟程序流程图
研究区模型参数见表16-8。
表16-8 秦皇岛海水入侵危险性预测模型参数表
以1992年5月实测地下水水位和氯离子浓度值为预测初始值。按照偏丰水年、平水年、偏估水年三种情况对未来10～20年左右时间内海水入侵危险性进行预测。
偏丰水年。年降水量为880mm，地下水年开采量为5400×104m3。地下水位较初始值升高，0m等值线大致在王各庄、牛店子、王家营一带。洋河套和留守营、前韩家林一带地下水降落漏斗缩小。海水入侵区范围向东收缩，大致移至白玉庄、蒋营、东河南、东苏撑子一带。灾害损失较现状减少约800～1000万元。
平水年。年降水量600mm左右，地下水年开采量约5550×104m3。地下水位较初始值略有下降，0m等值线大约在牛头崖、狮子河、卢王庄南、桑园一带。洋河套、留守营、前韩家林一带的地下水降落漏斗略有扩展。海水入侵活动范围稍有扩大，大致在王各庄、西陆庄、东河南、东苏撑子一带。灾害损失较现状增加200～400万元左右。
偏枯水年。年降水量450mm左右，地下水年开采量约6300×104m3。地下水位明显下降，0m等值线大致向西北移至京山铁路西北侧的北蒲兰、卢王庄一带。洋河套、留守营、前韩家林一带的地下水降落漏斗明显扩大。海水入侵范围向西北扩展到王各庄、都寨、洋河套、唐义庄一带。灾害损失较现状将增加1000～1500万元左右。
综合上述，今后本区海水入侵灾害变化的总趋势是在缓慢发展中，伴随地下水开采强度的大小而反复消长。在这种情况下，丰水年的地下水开采量减少，地下水位上升，海水入侵活动减缓，入侵范围略有收缩，损失有所减少；平水年地下水位持续缓慢下降，海水入侵活动缓慢发展，入侵范围略有扩大，损失有所增加；枯水年地下水开采量增加，地下水位明显下降，海水入侵活动发展，入侵范围明显扩大，损失相应增加。
五、防治工程评价
大部分海水入侵灾害都是因超强度开采（或疏干）地下水所引起的，所以，防治海水入侵灾害的根本途径是控制地下水开采强度，防止滨海地区水环境恶化。此外，在河口地区修建防潮闸等工程，阻止沿河上溯的潮水，也具有一定的辅助作用。
就研究区而言，上述两方面措施的实施办法是：根据地下水资源条件，把开采量控制在允许范围内，与现状开采强度相比，需减少约1.5×104m3/a左右。防潮闸宜建在洋河入海口附近，具体地点以洋河大桥下游约40m处为宜。据历史最高潮位，闸门高3m左右，建成后可蓄淡水约3×106m3。
上述措施的投入包括：防潮闸工程费用；因减少地下水开采量而引起的工农业减产或替代水资源费用。取得的收益主要是防止水资源继续恶化，基本满足供水要求。防治工程的投效比为：
Zf＝∆Zs/F+S
式中：Zf——防治效益比；
∆Zs——灾害损失增加值（预测损失与现状损失的差值）；
F——防潮闸工程费用；
S——削减地下水开采量造成的损失或替代水资源费用。
由于目前该地区尚没有提出灾害防治方案，所以难以评价防治效益。此外，由于目前我国水资源价格比较低，而水资源开发费用不断上升，所以海水入侵灾害防治工程的直接经济效益一般很小，有的甚至小于1。其主要效益是保护资源，并因此取得相应的社会效益和环境效益。