黃河三角洲淺層地下水化學特征與演化

曹建榮, 徐興永, 于洪軍, 黃 翀

(1.聊城大學 環境與規劃學院, 山東 聊城 252059; 2.國家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島 266061; 3.中國科學院地理科學與資源研究所, 北京100101)

水資源是基礎自然資源, 是生態環境的控制性因素之一。同時又是戰略性經濟資源, 是一個國家綜合國力的重要組成部分。自20世紀70年代以來,隨著世界人口劇增, 經濟高速發展, 全球用水量急劇增長, 水污染日益嚴重。水資源, 尤其是地下水資源成為制約我國社會經濟可持續發展與生態環境建設最重要的因素之一[1-4]。長期以來, 氣候干旱和以水資源開發利用為核心的大強度人類經濟活動,不僅使河流水系的水質水量時空分布產生改變, 而且強烈干擾與之有密切水力聯系的地下含水層[5-6]。地下水環境的變化對區域經濟和生態平衡穩定起到了舉足輕重的作用[7]。而地下水水化學類型是地下水化學成分的集中體現, 是地下水循環途徑和整個水流系統特征的反映, 因此, 了解地下水水化學類型的分布規律, 不僅有助于認識區域地下水水文地球化學特征, 而且對深入研究區域地下水的循環特征、水動力場特征和環境演化過程均有重要意義[8]。而區域地下水水文地質特征和水文地球化學性質又決定了地下水運移演化的方向及規律, 所以, 對地下水水化學的時空變異特征與演變規律研究, 可以更好地揭示地下水與環境的相互作用機制,對區域生態系統的健康穩定有著極其重要的現實意義。

地下水作為黃河三角洲地區水循環的重要環節,對河口濕地自然保護區的存在與發展, 以及營養鹽經含水層向海輸運和粉砂淤泥質海岸的穩定性等,都有重要作用[4]。學者曾對黃河三角洲地區局地地下淡水、咸水的形成和演變[9]、典型區域地下水動態分析和空間變異性[10]、水化學特征及營養鹽人海通量[11-12]以及地下水與耕層土壤積鹽空間分異[13]、地下水主控水鹽因子[14]、地下水開發的適宜性評價[15]等做過相關研究。但由于黃河三角洲地區地下水主要是微咸水、咸水, 資源開發價值不大, 長期未得到關注。僅有的研究局限于村鎮區域或未深入剖析地下水的整體分布和形成演化過程, 尚未從全區的角度針對淺層地下水的空間分布、水化學特征、類型和演化規律進行詳細研究。為此, 本研究利用研究區域內逐月連續觀測的 19個測井, 2009~2010年的水位水質監測數據, 探討了該區域地下水化學成分特點、水化學類型及時空分布特征, 分析地下水埋深、pH值、主要離子間的相關性, 并根據黃河流路的變遷結合 Gibbs模型探索研究區的地下水遷移和演化規律。為合理利用地下水資源、開發利用和保護黃河三角洲濕地資源提供科學依據和管理思路, 也為黃河三角洲高效生態經濟區的開發建設和黃河下游生態調度等提供科學參考。

1 研究區概況

1.1 自然概況

研究區屬典型的溫帶半濕潤氣候, 并具明顯的大陸性氣候特點: 四季分明, 干濕明顯, 溫差大, 夏季炎熱, 冬季干冷; 多年平均降水量537.4 mm, 多年平均蒸發量1 470~2 246 mm, 多年平均氣溫為11.7℃,無霜期歷年平均217.8 d。該區屬于現代黃河三角洲范疇, 主要以現狀海岸線和1855年改道來的古海岸線為界, 總面積約5 077.7 km2, 包括東營市河口區和墾利縣絕大部分行政區域, 包含勝利油田及黃河三角洲國家級自然保護區。該區地勢平坦, 南高北低,西高東低, 海拔高度低于11 m, 自然比降為1/8000~1/12000。現代黃河三角洲屬于小清河以北黃泛平原區, 處于黃河尾閭河段的沖淤交替、以淤為主的狀態,按照地貌、沉積物和構造條件制約, 淺層地下水主要賦存于第四系上部的沖積、海積層中的松散沉積物孔隙含水層中, 粉砂和黏土質粉砂是地下水的賦存介質。

1.2 水文地質條件

研究區地貌類型主要為河道高地、決口扇、泛濫平原和洼地, 黃河作為該區的主要分水嶺把現行河道和剛廢棄的刁口流路形成三角叉狀, 整個現代三角洲可分為3個大的水文地質單元(圖1): A區、B區和 C區。宏觀上, 這 3個水文地質單元的地下水各有一主流方向, A區的主流方向為NNW; B區的主流方向為SEE; C區的主流方向為NEE。整個三角洲地下水流向呈扇型放射狀[16]。淺層地下水可分為 3種類型: 一種是分布于小清河以南的面狀分布的淺層地下淡水; 一種為三角洲近黃河大堤隨黃河水的不斷深入構成的帶狀地下淡水透鏡體和賦存于古河道主流帶、小扇頂或決口扇泛濫區的高透水性砂體,該水層薄且受季節變化控制, 補給主要為洪水期河水側向滲流及沼澤、湖泊、水庫、渠系、農田灌溉滲漏; 第三種則廣泛分布于全區的微咸水和咸水,面積最大, 為黃河尾閭擺動過程中經過長期蒸發積聚和沉淀濃縮而成的。

2 監測井布設和研究方法

為系統調查黃河三角洲地區淺層地下水, 2009年 4月, 在黃河三角洲地區布設海水入侵監測井19口(圖1)。監測井為專用井, 口徑統一為12 cm, 取水層位全部為潛水層, 鉆井深度在10 m左右。地下水位與水質每月監測一次。水位測量采用平尺水位計, 地下水樣采集深度為水面以下1 m。監測井主要分布于黃河兩岸、黃河故道和黃河灌區, 分別針對河流、古河道和灌區進行水位、水質(八大離子和Br-)、電導率(EC)、礦化度(TDS)監測。

圖1 黃河三角洲地下水監測井分布圖Fig.1 Groundwater monitoring wells in the Yellow River Delta

監測頻率為每月1次, 每次進行地下水埋深監測和水化學樣品分析, 密封后送入實驗室進行化學分析, 分析內容及方法為: TDS為殘渣烘干重量法, pH值由pHS-3C型數字式酸度計測定, 電導率由 YSI-EC300型電導率儀測定, Br–、C1–、 S O24-、Na+、K+、Ca2+、Mg+離子由 IC-2800離子色譜儀測定, CO32-和 H CO3-通過雙指示劑法測定, 測試指標總共12項。

3 結果與分析

3.1 地下水主要離子特征

3.1.1 地下水主要離子空間變化特征

黃河三角洲地下水統計特征見表1。從表1可見,黃河三角洲地下水 pH值變化不大, 變化范圍介于6.72~7.95, 平均值為 7.06; 電導率和礦化度的變化規律是一致的, 電導率的變化范圍為0.11~4.47 S/m,平均值為1.75S/m, 礦化度變化范圍為0.80~32.89 g/L,平均值為12.73 g/L。黃河三角洲地下水電導率和礦化度分別在黃河斷面DY-16樣井和DY-23樣井出現了峰值, DY-23樣井最高, 分別為4.47 S/m, 32.89g/L;選取地下水樣中K+、Na+、Ca2+、Mg2+四種主要陽離子和 Cl–、、、四種主要陰離子進行測定, 結果顯示: 4種陽離子中以 Na+含量最高, 變化范圍為243.60~11 752 mg/L, 平均值為4 137.59 mg/L,K+含量最低, 變化范圍 11.04~599.60 mg/L, 平均值僅為101.40 mg/L; 陰離子中以Cl–含量最高, 變化幅度為201.40~23 118 mg/L, 平均值為9 227.60 mg/L,其次為, 變化范圍為0.00~4 496.00 mg/L, 平均值為970.17 mg/L,含量最低。在同一斷面距離河道遠近方向上, pH值基本表現為先減小后增大的趨勢; 不同斷面隨距離河道遠近變化表現出的規律有所不同, 黃河故道斷面上和灌區pH較大。總之, 地下水以Na+、Cl–占絕對優勢; 礦化度較低的測井的離子濃度變幅較小, 反之,礦化度高的測井離子濃度變幅較大。

基于 ArcGIS9.3軟件, 采用克里金差值法(Kriging)得到黃河三角洲地下水埋深分布圖和礦化度分布圖(圖2、圖3)。黃河三角洲地區淺層地下水主要是微咸水、咸水和鹵水及一些地下淡水透鏡體,河積粉沙和潮汐沉積物是地下水賦存介質。地下水普遍埋藏較淺, 約為0~3 m。地下水埋深的分布規律(圖2): 總體上以魚洼為支點的現代黃河三角洲區域基本上遵循沿黃河河道附近地下水埋深較淺, 越遠離河道埋深越深; 濱海以及河間洼地由于海拔較低,為地下水淺埋區, 其他區域埋深相對較深。黃河三角洲淺層地下水礦化度的演化主要受到成陸時間、距海遠近和地下水埋深幾個要素的影響。地下水礦化度在空間上分布的總的規律為(圖3), 由內地向沿海方向地下水礦化度逐漸增加, 近內陸部分礦化度較低, 一般20 g/L左右; 沿海地帶地下水礦化度較高,局部地區甚至大于30 g/L, 其他大部分地區地下水礦化度大于10 g/L。此外, 礦化度較低的測井離子濃度變幅較小, 反之, 礦化度高的測井離子濃度變幅較大。礦化度變化幅度較大, 為1.21~21.05 g/L, 平均值為4.54 g/L。

表1 地下水水質分析結果Tab.1 The results of groundwater hydro chemical quality

圖2 黃河三角洲地下水埋深Fig.2 Groundwater Depth in the Yellow River Delta

圖3 黃河三角洲地下水礦化度Fig.3 Groundwater mineralization in the Yellow River Delta

3.1.2 地下水化學類型特征

礦化度是地下水各組分濃度變化的總指標, 可用來表征水文地球化學作用的過程, 同時也能很好地反映地下水中物質組分總體上的分布特征和變化趨勢, 按照地下水礦化度分類標準, 根據實驗分析結果, 黃河三角洲地下水大致可分為淡水、微咸水、咸水和鹵水 4種類型, 其中鹵水與第四紀鹵水密切相關[16]。

地下水化學類型的劃分采用舒卡列夫分類法,主要根據6種離子、、Cl–、Ca2+、Mg2+、Na+所占比重。黃河三角洲的淺層地下水可劃分為氯化物型、重碳酸鹽氯化物型、重碳酸鹽氯化物硫酸鹽型和硫酸鹽重碳酸鹽型四大類型, 主要包括了Na+-Cl–、Na+-Ca2+-Cl–、Na+-Cl–.、Na+-Cl–..、Na+-.Cl–.和Na+-.六種子類型。氯化物型主要分布于廣饒縣咸水入侵區和濱海區域, 重碳酸鹽氯化物型主要分布于黃河三角洲保護區內, 重碳酸鹽氯化物硫酸鹽型分布在廣饒縣咸水入侵區, 硫酸鹽重碳酸鹽型主要分布在靠近黃河流路附近; 對地下水水樣水化學參數進行統計分析, 研究區 Cl–和 Na+非常高, 其次是、Mg2+、Ca2+, K+和比較低, 而非常低, 陰、陽離子濃度平均值大小順序依次分別為: Cl–>>>, Na+>Mg2+>Ca2+>K+, 總體上, 以 Na+和Cl–為主, 呈現海(咸)水入侵區地下水的典型特征[16-17]。刁口河流路至2010年6月已停止行河34 a, 故道入海口兩側存在開放式海岸(海邊未筑防潮堤壩), 加之古河道發育地區表層沉積物粒度大, 形成了海水入侵的最有利通道。對各水樣主要離子質量濃度百分比的分析可知, 研究區黃河現行河道兩側(地下水補 給 區 )的 Na+-Mg2+-Ca2+-Cl–- SO24-、Mg2+-Na+-Ca2+-Cl–- S O24-、Na+-Mg2+-Cl–- S O24-- H CO3-等復雜類型水快速過渡到 Na+-Mg2+-Ca2+-Cl–(或 Mg2+-Na+-Ca2+-Cl–)及 Na+-Mg2+-Cl–型水, 并在海岸灘涂區(排泄區)演化成Na+-Cl–這一簡單類型的地下水, 因此形成了以Na+和Cl–為主的水質。

3.1.3 地下水水化學特征量相關分析

相關性分析可揭示地下水水化學參數的相似、相異性及來源的一致性和差異性。計算黃河三角洲各斷面地下水化學特征量的Pearson相關系數, 如表2所示。通過表2可以清晰地看出, 從整個研究區來看, Cl–、Na+、Ca2+、Mg2+與 TDS 的相關性極高, 說明該 4種離子是地下水礦化度高低的控制者。陽離子之間均呈現顯著的正相關, 其中以 Na+和 Mg2+的相關系數最高, 這表明地下水中鎂的來源及其在地下水中的分布與鈉相近, pH值與各離子和TDS呈現出負相關, 其中與 Ca2+的相關性最為顯著, 其次為Mg2+和 Cl–, 說明研究區氯化鹽的濃度對地下水 pH值有一定的影響。

表2 地下水化學特征量相關系數矩陣Tab.2 The correlation matrix of groundwater hydrochemical components

3.2 地下水化學演化規律及原因分析

3.2.1 地下水演化規律分析

地下水化學類型由地下水流經處經歷的巖石巖性、徑流速度、地球化學反應特征和人類活動等因素決定。通常地下水化學類型從補給區到排泄區有如下變化規律: HCO3-→ S O24-→Cl–[17]。繪制地下水Piper三線圖, 運用圖解法分析, 黃河三角洲地區地下水水化學特征與演變規律, 發現該研究區亦遵循此規律, 下游(三角洲出口)占絕對優勢的陰離子為Cl–和 S O24-。從2009年和2010年黃河三角洲地下水Pipe三線圖可以清晰看出, 研究區地下水化學類型較為復雜, 大部分離子分布在菱形區域右側頂點附近, 表明研究區非碳酸堿金屬(原生鹽度)超過 50%,地下水化學性質以堿金屬和強酸鹽為主[18]。2010年沿河道地下水化學類型由 Cl–-S O24-- H CO3--Na+型過渡 為 Cl–- S O24--Na+-Mg2+型再到 Cl––Na+型水; 而2010 年 則 由 Cl–- S O24--Na+型 過 渡 為 Cl–- S O24--Na+-Mg2+型再到 Cl––Na+型水, Cl–和 Mg2+含量增多,HCO3-、 S O24-和Ca2+減少, Na+含量變化不大。

在天然地下水水化學場形成和演化的漫長歷史進程中, 地殼中多種化合物溶于水隨著水文循環一起遷移, 經歷不同環境使其數量、組成及存在形態不斷變化, 兩方面因素影響著它的變化: 一是地層巖石、土壤中元素和化合物的物理化學性質; 二是各種環境因素, 如天然水的酸堿性質、氧化還原狀況、有機質的數量與組成, 以及各種自然環境條件等。根據2009~2010年黃河三角洲地下水化學類型的變化, Cl元素組成的礦物如巖鹽, 礦物溶質不會通過水巖相互作用添加或缺失, 通常認為 Cl–濃度的改變只是由于蒸發濃縮、原始降雨組成的補給水, 混合其他地下水不同濃度的 Cl–或基巖孔隙水中 Cl–的彌散作用而受到影響; S O24-和 Ca2+同時減少, 說明石膏的溶解對研究區水化學成分有一定的影響, Mg2+主要來源于含Mg礦物如白云石、泥灰巖等碳酸鹽類沉積物[19],研究區所有水樣 Mg2+/Ca2+>1, 根據海水中 Mg2+/Ca2+一般大于1的特征, 可能是在三角洲形成過程中,海水中含有的 Mg2+進入地表水或者土壤中所致; 從2009~2010年地下水化學類型的變化來看, Na+/Ca2+和 Mg2+/Ca2+的平均摩爾比分別為 6.16和 1.6, 考慮Ca2+的缺失還有部分原因是由蒸發-沉淀作用和離子交換作用引起。

圖4 黃河三角洲地下水piper三線圖Fig.4 Piper plots of the chemical analysis of groundwater in the Yellow River Delta

3.2.2 地下水演化機理分析

對于離子起源的自然影響因素, Gibbs[20]根據世界河流、湖泊及主要海洋水TDS與Na+/(Na++Ca2+)、TDS 與 Cl–/(Cl–+ H CO3-)關系圖區別出大氣降水、巖石風化和蒸發-結晶作用3種天然水化學成分的起源機制。通常, 高礦化度的河流(如干旱區的河流)又具有較高的 Na+/(Na++Ca2+)值或 Cl–/(Cl–+ H CO3-)值(接近于 1), 代表此種河水的點分布在圖的右上角, 反映了干旱地區蒸發結晶作用對河水的影響[21-22]。圖5的b、c圖可以清晰看出, 2009和2010年所采黃河三角洲地下水體化學組成大部分落在Gibbs模型內, 有個別點未落到模型內, 主要是因為采樣區受到人為干擾所致。大部分水化學組成位于模型的右上端, 甚至接近于海水分布范圍, 表明該地區地下水離子自然起源的優勢機制是蒸發沉淀及結晶作用, 但巖石風化作用亦起微弱影響; 另外根據離子測試分析結果, 大部分黃河三角洲淺層地下水樣中含有 Br–, 表明該地下水與海水有密不可分的水力聯系, Gibbs模型分析結果有1/3樣點接近于海水分布范圍, 尤其是黃河流路區刁口附近, 表明黃河三角洲淺層地下水形成不僅與黃河有密切水力聯系, 還與海洋作用有密切聯系。

引起研究區水質變化的另一個不容忽視的原因便是人類活動的影響。陳亞寧等[23]研究亦認為塔里木河干流年徑流量變化的主要驅動力是人類活動,即源流平原區和干流區大量引水灌溉以及各種水利設施對自然水循環的改變等。周孝明等[24]通過野外實地調查和相關資料分析, 發現塔里木河下游地表水文解體、地下水位下降、水質惡化、植被衰敗等生態系統退化的社會經濟影響因素, 認為產業結構不合理是導致流域下游地區水資源緊張、生態退化的根源; 人類生產和社會經濟發展使大氣化學成分(如 CO2、CH4等)發生變化, 從而引起氣溫升高、蒸發加大、水循環加快以及區域水循環改變等變化, 并且這種變化的時間尺度可持續幾十年到幾百年; 另外土地利用變化、農田灌溉、水渠挖鑿等作用于流域下墊面的影響對水循環的影響更為明顯。

圖5 黃河三角洲地下水水化學Gibbs分布模式圖Fig.5 Plots of the major ions within the Gibbs boomerang enevlope for groundwater in the Yellow River Delta

4 結論

(1) 黃河三角洲地下水 pH值變化不大, 變化范圍介于 6.97~8.67, 平均值為 7.97; 電導率和礦化度的變化規律是一致的, 電導率的變化范圍為 0.11~4.47 S/m, 礦化度變化范圍為0.7960~32.8900g/L。陽離子中以 Na+含量最高, K+含量最低; 陰離子中以Cl–含量最高, C O32-含量最低。不同斷面隨距離河道遠近變化表現出的規律有所不同, 在同一斷面距離河道遠近方向上, pH基本表現為先減小后增大的趨勢; 不同斷面隨距離河道遠近變化表現出的規律有所不同, 黃河故道斷面上和灌區pH較大。地下水礦化度在空間上分布的總的規律為, 由內地向沿海方向地下水礦化度逐漸增加, 還發現, 礦化度較低的測井的離子濃度變幅較小, 反之, 礦化度高的測井離子濃度變幅較大。

(2) 研究區 Cl–和 Na+非常高, 其次是 S O24-、Mg2+、Ca2+, K+和 H CO3-比較低, 而 C O32-非常低。黃河三角洲的潛水含水層是黃河攜泥沙沉積作用形成的, 因此在形成初期流路附近的地下水含鹽量低、水質較好; 隨著黃河的改道, 由于海水的上溯, 以及強烈的潛水蒸發, 地下水各種離子的濃度逐漸增加,部分濱海地區的地下水的含鹽量甚至超過海水; 長期的蒸發使得地下水的水位逐漸降低。當地下水的埋深達到一定深度, 地下水的補給和排泄達到平衡,此時地下水將不再被咸化而達到一種穩定的狀態。黃河三角洲地下水水質的演化規律為: 形成-咸化-穩定。

(3) 研究區由黃河現行河道兩側(地下水補給區)的 Na+-Mg2+-Ca2+-Cl–- S O24-、 Mg2+-Na+-Ca2+-Cl–-SO24-、Na+-Mg2+-Cl–- S O24-- H CO3-等復雜類型水快速過渡到 Na+-Mg2+-Ca2+-Cl–(或 Mg2+-Na+-Ca2+-Cl–)及Na+-Mg2+-Cl–型水, 并在海岸灘涂區(排泄區)演化成Na+-Cl–這一簡單類型的地下水, 因此形成了以 Na+為主的水質。2009和2010年的Gibbs圖表明, 該地區地下水離子自然起源的優勢機制是蒸發沉淀及結晶作用, 加上離子分析結果, 黃河三角洲地下水還與海洋有密切水力聯系, 與海洋作用關系密切。

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