天津濱海核心區潛水分布及其特性研究

溫偉光 路 清 劉曉磊，2 王 輝，2 宋文靜，2

（1.天津市勘察設計院集團有限公司，天津 300191；2.天津泰勘工程技術咨詢有限公司，天津 300191）

0 引言

潛水是天津地區普遍存在的地下水類型之一，對生產生活、城市環境和發展影響很大；潛水水位上升會使地基土層含水量增加，降低承載力，造成建筑物沉降加大，局部道路損壞，影響地下建（構）筑物的使用功能和使用年限，潛水水位下降易引起海（咸）水入侵，使水質惡化、地面沉降加大。天津濱海新區位于渤海之濱，地質條件復雜，不良地質現象發育，古河道、溝坑、洼淀眾多，地基土層工程性質差。隨著城區的快速發展和海綿城市建設的興起，建設項目對場地地質環境條件提出了更高的要求，規劃和建設中，地下潛水水位、水質變化引起的工程問題越來越突出。

天津市勘察院1979年開始建立以天津市區為中心的潛水觀測系統，開展潛水觀測工作，對潛水水位動態發育分布規律、潛水水質以及腐蝕性等進行重點研究分析，為天津市及濱海新區的總體規劃、地下空間規劃以及各層次專項規劃編制提供了依據[1]。高志鵬等[2]根據地下水位埋深、降雨、蒸發、地下水開采等資料，定量分析了地下水位埋深的趨勢性變化、地下水位動態變化特征以及不同影響因素對地下水動態變化的影響；王凱燕等[3]選用了天津地區89 個觀測井的月地下水埋深，基于Mann-Kendall 法研究了地下水埋深的變化趨勢、探討了影響地下水埋深的相關因素；徐 源等[4]通過對天津濱海新區地下潛水水分析結果及土的易溶鹽試驗結果對比分析，評價了濱海新區地下潛水及土對建筑材料的腐蝕性，為工程建設中場地勘察及腐蝕性評價提供了參考。

自20世紀90年代，天津地區地下潛水的發育分布規律、水文地質結構、補徑排條件、水位動態變化影響因素分析、水質分析以及腐蝕性分析研究從未間斷[5-14]，研究成果對天津地區的城市建設和發展起到了重要作用，但多數研究具有顯著的時效性和區域性，對指導濱海核心區工程及海綿城市建設意義不明顯。濱海核心區為高度開放的現代化港口城市標志區、濱海新區綜合服務功能區和新興產業聚集區，對其開展地下潛水空間分布及其特性研究意義重大。

1 研究區概況

濱海核心區屬天津市濱海新區，西起濱海新區與東麗區、津南區交界線，東至渤海灣天津港，北起天津經濟開發西區，南至津晉高速（見圖1）。地貌形態有海積沖積低平原、海積低平原，地勢總體較平坦、起伏不大，坡度1/10000～1/5000，地面標高1.0～3.5 m。根據地下水賦存條件、水動力特征、水質特征及地下水開發利用條件等因素，濱海核心區潛水屬于淺層含水系統中第Ⅰ含水巖組，含水介質為沖積、海積的黏性土、粉土、淤泥質黏土和粉砂等，與下部承壓水以Q41h 層黏性土及Q41al 層頂部黏性土為相對隔水底板，底板埋深約15～24 m，水質以咸水和鹽水為主。

圖1 濱海核心區位置示意圖

2 潛水的發育分布情況

2.1 潛水含水層的空間分布

潛水一般指地面下第一個穩定隔水層以上飽水帶中具有自由水面的地下水；在濱海核心區內潛水含水層一般以第Ⅰ陸相層沼澤相沉積層（第⑦成因層）為隔水邊界。潛水水位埋藏深度較淺，多分布在Q43Nal 層、Q41al 層以及Q42m 層粉土等富水層中；其中Q43Nal 粉土富水層屬新近沉積層，為古河道洼淀沖積，是濱海地區成陸之后于河漫灘、沖積扇、古河道、洼地等所堆積的土層；Q41al 粉土富水層屬第Ⅰ陸相層，屬河床-河漫灘相沉積，是全新世晚期河流沖積形成的土層；Q42m 粉土富水層屬第Ⅰ海相層，屬淺海相沉積，是全新世中期第六次海侵（黃驊海侵）沉積的土層。濱海核心區潛水分布的主要土層見表1。

表1 濱海核心區潛水分布的主要土層

濱海核心區潛水含水層的透水性與富水層的空間發育分布密切相關，且潛水富水層的厚度決定了潛水含水層的調蓄能力。依據天津市海綿城市實踐路徑相關研究成果，繪制研究區潛水富水層新近沉積粉土③2、上部陸相沉積粉土④2及淺海相沉積粉土⑥3厚度分布圖（見圖2）。

圖2 濱海核心區潛水富水層分布及厚度分區圖

可以看出濱海核心區潛水富水層分布并不連續，在天津港、街心公園等地區缺失；厚度一般小于6 m，多數地區小于3 m。受缺失區影響，濱海核心區潛水富水層厚度分布無明顯規律，天津國際物流中心以及泰達公園以北地區潛水富水層厚度較大，一般大于3 m。

2.2 潛水含水層的透水性

由于潛水含水層具有獨特的孔隙儲水結構和孔隙支撐架構，且在一地深度范圍內飽水帶和包氣帶相互轉化，從而具有較強的吸水能力和給水能力，是典型的地下“海綿體”，可以起到補給和涵養地下水資源的作用。潛水含水層的透水性能直接決定了含水層的傳輸能力；通常表征潛水含水層透水性能的參數主要是滲透系數，可通過滲水試驗確定。

2.2.1 雙環滲水試驗原理

在一定的水文地質邊界以內，向地表松散土層進行注水，當滲入水量趨于穩定時，可按式（1）計算滲透系數k。

式中：k為滲透系數，m/d；Q為穩定的滲入水量，m3/d；F為試坑（內環）滲水面積，m2；Z為試坑（內環）中水層厚度，m；HK為毛細壓力，m；l為試驗結束時水的滲入深度，m。

2.2.2 雙環滲水試驗結果

為查清濱海地區潛水含水層的透水能力，統計了64 項工程的現場滲水試驗資料（見圖3）。濱海地區潛水含水層的滲透系數一般為0.1～0.6 m/d，最大為0.74 m/d。

圖3 濱海地區潛水含水層滲透系數統計

為更直觀地分析濱海核心區潛水含水層的透水性，基于上述現場滲水試驗資料，通過Kriging 插值得到濱海核心區潛水滲透系數等值線分區圖（見圖4）。

圖4 濱海核心區潛水含水層透水性分區圖

插值結果表明：濱海核心區潛水含水層滲透系數一般在0.1～0.6 m/d，與圖4 統計結果基本一致，為弱透水性。研究區潛水含水層透水性差別較大，總體上北部泰達物流園、天津國際物流中心等地潛水含水層透水性相對較大，滲透系數一般大于0.4 m/d；南部大部分地區潛水含水層透水性相對較小，滲透系數一般小于0.2 m/d。

3 潛水水位動態變化規律

選取天津市潛水水位觀測系統中位于濱海核心區的15 口潛水觀測井，整理2014-2018年實測最高、最低及平均水位數據，剔除異常值，分析研究區潛水水位動態變化規律。

3.1 潛水水位現狀

濱海核心區地貌形態主要為海積沖積低平原、海積低平原，地勢低平，地面標高一般為1.0～3.5 m，多鹽灘、鹽水沼澤和濕地。多年來受人為吹填造陸影響，濱海核心區地勢總體東高西低，東部天津港附近吹填地面標高多為3.0～4.0 m，對該區的地下潛水發育分布影響較大。一般來說，地形地貌是地下潛水動態變化的基礎條件，控制著地下水位的埋深；濱海核心區的地勢起伏與地下水位波動正相關，地勢高的區域通常地下水位較高，地勢低的區域通常地下水位低。圖5 為濱海核心區地貌分區與地下潛水平均水位分布圖，可以看出，濱海核心區2018年地下潛水地下水平均水位標高一般為0.2～3.0 m，除個別地區受局部地形影響外，其最高水位標高變化趨勢總體與地形地貌及地勢高低變化趨同。

圖5 濱海核心區地貌分區與地下潛水平均水位分布圖

此外，濱海核心區2018年地下潛水最高水位標高一般為0.4～3.8 m，受地形地貌及地面標高影響，除核心區東北部泰達物流園區域外，濱海核心區2018年地下水最高水位標高總體上自西向東逐漸增大；最高處位于天津港附近，局部大于3.8 m，最低處位于濱海核心區西南部郝家沽附近，多小于0.4 m。地下水最低水位標高一般為-0.2～2.8 m，除濱海西站東南部、泰達物流園周邊地下水最低水位標高變化無明顯規律外，總體上自西向東逐漸增大；最低處位于濱海核心區西南部郝家沽附近，多小于-0.2 m。

3.2 潛水水位年內動態變化情況

為查清濱海核心區潛水水位年內動態變化規律，統計2014-2018年5年間濱海核心區地下潛水最高、最低及平均水位值，并記錄出現月份（見表2）。

表2 濱海核心區2014-2018年潛水水位統計表

據表2 可知濱海核心區地下潛水水位隨季節變化呈現一定的動態變化規律，近5年最高水位均出現在豐水期的8月；最低水位多出現在2-3月。為直觀顯示該地區地下潛水水位的動態變化，查清大氣降水對潛水水位變化的影響，統計濱海核心區2014年大氣降雨量，并結合該區2014年15 口觀測井月平均觀測水位，繪制該區大氣降雨量與潛水水位動態變化關系圖（見圖6）?？芍獮I海核心區地下潛水受大氣降水影響明顯，水位動態基本與氣象周期一致，最高水位（2.01 m）出現在夏季豐水期的8月，最低水位（1.54 m）出現在2月；2014年年內最大變幅0.47 m。

圖6 大氣降雨量與潛水水位動態變化關系圖（2014年）

3.3 潛水水位年際變化情況

3.3.1 近5年（2014-2018年）濱海核心區潛水水位總體情況

濱海核心區近5年地下水最高水位標高一般為0.8～4.4 m，受地形地貌及地面標高影響，總體上自西向東逐漸增大；最高處位于天津港東部地區，多大于4.4 m，最低處位于濱海核心區西南角郝家沽附近，多小于0.8 m。最低水位標高一般為-0.6～2.2 m，除濱海西站東南部、泰達物流園西部地區地下水最低水位標高變化無明顯規律外，總體上自西向東逐漸增大；最高處位于天津港東部緊鄰渤海灣地區，多大于2.2 m，局部大于2.4 m，最低處位于濱海核心區西南郝家沽及其以西地區，多小于-0.6 m。地下水平均水位標高一般為0.2～3.2 m。

3.3.2 近5年（2014-2018年）濱海核心區潛水水位變化情況

對15 口潛水觀測井實測資料進行整理分析，統計了濱海核心區2014-2018年地下水水位年變幅以及近5年地下水水位最大變幅（見表3）。選取濱海核心區2014-2018年各年度最高水位標高、最低水位標高和平均水位標高，繪制濱海核心區2014-2018年潛水年際動態變化圖（見圖7）。

圖7 2014-2018年濱海核心區潛水年際動態變化圖

表3 2014-2018年濱海核心區潛水水位年變幅情況

通過表3 可以看出，2014-2018年濱海核心區潛水最高水位年際變幅一般為0.02～0.25 m，最低水位年際變幅一般為0.01～0.23 m，平均水位年際變幅一般為0.03～0.09 m，地下水位整體年際變化較??；最高水位、最低水位及平均水位的近5年最大變幅分別為0.36 m、0.24 m、0.17 m，整體變化不大，且無明顯變化規律。結合圖7 可以看出，近5年濱海核心區地下潛水水位年內變幅較大，自2015年以來濱海核心區地下潛水水位年內變幅一般均大于0.20 m，且地下水水位年內變幅有逐漸變大的趨勢。

此外，依據圖7 可以看出，除個別年份略有波動外，2014-2018年濱海核心區潛水最高水位整體有上漲趨勢，漲幅在0.3 m 左右；近5年最低水位及平均水位變化趨勢基本一致，整體上2013-2016年地下潛水水位略有上升，2017-2018年地下潛水水位逐漸下降；至2018年濱海核心區潛水最低水位及平均水位與2014年基本持平，分別為1.63 m 和1.87 m。

潛水水位動態變化是氣象、水文、地質、地形以及人類活動綜合影響的結果，主要受大氣降水、人工開采、地形地貌、區域巖性、氣象等因素的綜合影響。有研究表明[1]，天津地區潛水水位年動態變化與大氣降水量呈明顯的正相關，一般平均年潛水水位相對穩定，豐水年水位上升，枯水年水位下降，即近5年濱海核心區降水量的多少直接造成了本區域地下潛水水位的波動；據圖7，濱海核心區平均水位自2016年開始逐漸降低，這多與天津濱海地區淺層地下水開采量增加有關。此外，該區東部天津港、東疆港等地區的吹填造陸，直接提升了該區域的地面標高，可能是導致近5年最高水位標高逐漸增高的原因。

4 潛水水質情況

4.1 濱海核心區潛水水質

據2014-2018年濱海核心區各年實測水質簡分析資料，6 種離子（K++Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-）濃度以及總硬度、總堿度、總酸度、游離CO2、總礦化度和pH 指標的最大、最小及平均值見表4。

據表4 可知，有9 項指標含量（除HCO3-、總堿度、pH 值）的最小值出現在2016年，5 項指標含量（K++Na+、Mg2+、Cl-、SO42-、總礦化度）的最大值出現在2017-2018年，4 項指標含量（Ca2+、總硬度、總酸度、游離CO2）的最大值出現在2014-2015年，表明濱海核心區潛水水質以2016年為分界線，近5年簡分析主要指標整體上先減小后增大，水質狀況總體仍較差。造成濱海核心區水質較差的原因較多，其中大氣蒸發量和工業廢棄物的排放對其影響較大。

表4 2014—2018年濱海核心區潛水水質指標統計表

4.2 濱海核心區潛水腐蝕性評價

按《巖土工程勘察規范》（GB 50021-2001）有關腐蝕性評價要求，對混凝土結構和混凝土結構中鋼筋進行了腐蝕性評價[15]，評價結果見圖8、圖9。

圖8 干濕交替環境下潛水對砼的腐蝕性

圖9 干濕交替環境下潛水對砼中鋼筋的腐蝕性

可以看出，濱海核心區地下潛水在干濕交替環境下對混凝土結構的腐蝕性基本全部為弱腐蝕，僅在南開村附近零星存在微腐蝕地區；地下潛水對混凝土結構中鋼筋的腐蝕性多為中等腐蝕，僅泰達物流園西部及天津港南部地區為弱腐蝕。

5 結論

（1）濱海核心區潛水含水層一般以第Ⅰ陸相層沼澤相沉積層（第⑦成因層）為隔水邊界，潛水水位埋藏深度較淺，多分布在Q43Nal 層、Q41al 層以及Q42m 層粉土等富水層中，厚度一般小于6 m；其潛水含水層的滲透系數一般在0.1～0.6 m/d，為弱透水性。

（2）受大氣降水影響，濱海核心區潛水水位年內動態隨季節變化呈現一定規律；近5年最高水位均

出現在豐水期的8月，最低水位多出現在2-3月；除個別年份略有波動外，近5年年濱海核心區潛水最高水位整體有上漲趨勢，漲幅在0.3 m 左右。

（3）濱海核心區地下潛水水質近5年主要指標整體趨勢先減小后增大，水質狀況總體較差；其在干濕交替環境下對混凝土結構的腐蝕性基本全部為弱腐蝕，對混凝土結構中鋼筋的腐蝕性多為中等腐蝕。