廣西北海市濱海地帶咸化地下水化學特征

2016-02-15 06:18:02黃棟聲

低碳世界 2016年36期

黃棟聲，何軍

（1.廣西壯族自治區地質環境監測總站，廣西桂林541004；2.武漢地質礦產研究所，湖北武漢430205）

廣西北海市濱海地帶咸化地下水化學特征

黃棟聲1，何軍2

（1.廣西壯族自治區地質環境監測總站，廣西桂林541004；2.武漢地質礦產研究所，湖北武漢430205）

沿海地區地下水咸化主要有海水入侵和海水垂直入滲兩種方式。為查明廣西北海市濱海地區地下水咸化現狀和特征，對北海市濱海地區采集地下水樣品。

濱海地區；地下水咸化；水化學特征

地下水咸化是困擾當今世界上沿海城市發展最為常見的地質環境問題，依據成因機制可分為海水入侵和海水養殖垂向入滲。北海市地處廣西南部，呈北、西、南三面環海的半島狀地形，無大江大河傍靠，無就近利用地表水之條件，地下水是北海市當前城市供水的唯一水源（歐業成，2009）。自1983年起，特別是進入90年代以來，北海市城市建設迅速發展，人口增長較快，地下水的開采量以每年20～30%的速度增長，對地下水的開采量逐年增加，大規模無序地超量開采地下水，近岸地帶已形成降落漏斗，致使北部海岸帶出現了海水人侵（王舉平，1997；周訓，1997）。近年來，隨著沿海平原作為海水養殖場，抽取大量海水或高濃度鹵水進行養殖，將海水引入內陸，在未經防滲或者防滲措施較差的情況下，導致海水的垂直入滲，造成地下水的咸化，甚至局部區域地下水已完全變成鹵水（周訓，寧雪生，王舉平，1997）。北海市存在以上兩種方式的地下水咸化現象，以往的學者多關注與海水入侵及水文地球化學特征（常艷娥，黎廣釗，2011；姚錦梅等，2011），對于南部濱海地帶的高位養殖引發的地下水咸化關注較少，而且海水入侵和高位養殖與地下水的開采和養殖規模密切相關。本文通過采集北海市濱海地區的地下水樣，探討海水入侵和高位養殖區地下水化學特征，查明現今地下水咸化的范圍，將有助于合理利用和保護好北海市地下水資源。

1 研究區概況

北海市三面環海，大體上呈向西突出的半島狀（圖1），除西端的冠頭嶺基巖出露為巖岸外，南北兩側均為松散巖類海岸，市內絕大部分區域為濱海平原，地形平坦開闊，標高一般為5～25m。屬亞熱帶海洋性季風氣候，年平均降雨量1677mm，多集中在5～10月，地表溪流短而少。

在構造上該區屬南康盆地西南一偶。盆地基底為志留系、泥盆系砂巖、泥巖，西北及西部分布有較大范圍的花崗巖。上覆新近系、第四系互層狀的松散砂性土和粘性土，松散層厚度自北向南呈增厚之勢，厚度0～260m不等（圖2）。

松散砂性土為含水層，粘性土為相對隔水層，自上而下可分為潛水和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ層承壓含水層。潛水層：分布于全新統（Q4）及北海組（Q2b）中，含水層巖性以粗砂為主，厚度 0.59～3.80m，滲透系數為30.05～36.04m/d，單井涌水量6～130m3/d；Ⅰ承壓含水層：由湛江組（Q1z）地層組成，含水層巖性以礫砂、粗砂為主夾粘性土透鏡體，含水層埋深6～41m，厚8～30m，滲透系數為30～62m/d，彈性給水度4.2×10-4～9.3×10-4；Ⅱ承壓含水層：由南康組上段（Nn2）組成，含水層巖性主要為礫砂、粗砂夾粘土透鏡體，含水層埋深44～57m，厚22～94m，滲透系數15～46m/d，彈性給水度2.6×10-4～1.4×10-3；Ⅲ承壓含水層：由南康組下段（Nn1）組成，含水層巖性以粉細砂為主，夾粘性土透鏡體，厚72～123m，滲透系數為5～20m/d，鉆孔單位涌水量較小。上述自上而下的孔隙潛水層和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔隙承壓含水層，因其間的粘性土層為弱透水層，巖性及厚度極不穩定，具分岔復合、尖滅再現的現象，且存在“巖性天窗”，因而構成一個多含水層越流系統。

圖1 北海市濱海地區地下水采樣點分布圖

圖2 北海市簡易水文地質剖面圖（據文獻生態報告）

研究區孔隙潛水主要接受大氣降水補給，少量來自運河水的側向補給。承壓水通過上層潛水含水層的垂直補給，下層承壓水又通過上層承壓含水層的補給，其補給方式通常為越流滲透，局部通過“巖性天窗”直接補給。地下水的徑流，總體上由北向南、南西、南東海域或港灣作層狀滲流運動。地下水最終向海排泄，人工抽水也是地下水的重要排泄方式。潛水含水層因厚度小，Ⅲ承壓含水層埋藏深、透水性差、單井涌水量小，均不具集中供水意義。而Ⅰ、Ⅱ承壓含水層透水性強、單井涌水量大，而成為主要的供水含水層。

2 材料與方法

北海市北部的海角路一帶、南部的僑港-龍潭村一帶采集地下水樣共計31件，其中潛水樣12件、Ⅰ承壓水12件、Ⅱ承壓水6件、混合水樣1件，采樣時間為2011年，樣品采集為廣西地質環境監測總站完成。在為準確定量研究海水養殖區地下水化學特征及其變化規律，測試了地下水樣片中的主要陰陽離子，測試方法參照GB/T5750-2006和DZ/T0064-93等。pH值采用哈希HQ 40d（美國）便攜式測定儀現場測定；HCO3-于采樣的當天用滴定法測定；礦化度（TDS）采用重量法測定；Cl-采用硝酸銀容量法測定；SO42-采用BaCrO4分光光度法測量；K+和Na+采用火焰原子吸收分光光度法；Ca2+和Mg2+采用原子吸收分光光度法測量，測試單位為廣西水文地質工程地質勘察院實驗室。

3 結果與討論

3.1 地下水化學基本特征

根據地下水樣品的分析結果（表1），繪制了地下水樣品的piper三線圖（圖3）。北海市濱海地區地下水樣中陽離子以Na+為優勢離子，其次為Ca2+和Mg2+，其中潛水中Ca2+較Mg2+含量多，承壓水中正好相反。水樣陰離子明顯聚集于三角形的右下角，Cl-為優勢陰離子，其次為HCO3-，SO42-較為貧乏。按照舒卡列夫分類法對研究區水樣進行地下水化學類型的分析可知，研究區主要地下水化學類型為Cl-Na、Cl-Na·Ca、Cl·HCO3-Na·Ca型為主，少量為HCO3-Ca·Mg、Cl·SO4-Na·Ca。天然地下淡水以重碳酸根和堿土金屬（Ca2+和Mg2+）離子為主，地下水咸化后，地下水淡水與海水混合，Cl-含量增大，隨之Na和K的濃度也隨之增加，因此出現了較多的地下水為氯化物型。研究區礦化度較高的咸水和微咸水的化學類型均為Cl-Na或Cl-Na·Ca型，極少數地下水為硫酸鹽型水。

研究區地下水pH值多小于7，呈弱酸性，pH值≤5的水樣絕大多數靠近海岸帶，尤其是北部海邊比較多。從內陸至海岸，地下水的pH值總體上略呈減小趨勢。對于北海市濱海地帶地下水偏酸性的成因，周訓（2007）和歐業成（2009）等對其進行了研究，結果表明：大氣降水，土壤礦物與化學成分，含水層的巖性、介質成分和結構等，是偏酸性地下水形成的物質基礎，水循環狀況則是偏酸性地下水形成的動力條件。在這一系統中，第四系松散沉積物的礦物成分石英占50～80%，含少量粘土礦物，化學成分中SiO2占絕大多數。以難溶成分為主的沉積物和長期的淋濾作用使地下水具有低礦化度。天然狀態下偏酸性地下水的H+來源于由CO2溶解于水而形成的碳酸的離解、粘土層中的H2O+以及雨水中的酸性物質。地下含水系統中缺少可以中和酸的堿性物質，有利于H+集聚，使地下水pH值偏低。

3.2 地下水咸化特征

Cl-通常是濱海含水層地下水中的主要離子組分。另一方面，地下水中的是保守的，它在地下水礦化度較低時不形成氯化物鹽類沉淀，因而通過監岸帶地下水中Cl-含量的變化來監測和研究海水入侵是人們常用的方法（周訓，1997）。目前有兩種觀點，一種是以《地下水質量標準》（GB/T14848-1993）III類和生活飲用水衛生標準（GB5749-2006）中規定的250mg/l為依據，另一種是以當地的背景值作為參考。蘇喬等（2012）在研究萊州灣沿岸海水入侵時以250mg/l作為判斷的標準，而薛愚群等（1991）和尹澤生（尹澤生萊州灣濱海區域海水入侵研究北京海洋出版社1992.58～59）分別以200mg/l和300mg/l作為海水入侵界線。周訓（1997）和王舉平（1997）等根據歷史監測資料分析，以Cl-含量大于50mg/l作為北海市海水人侵的判別標準。

北海市地下水Cl-的含量總體由內陸向海域逐漸增大，其中以東南部的大冠沙一帶含量最高，潛水Cl-含量達2441.87mg/l，約為背景值的40倍。據樣品采集分析數據，潛水Cl-含量大于50mg/l的區域面積為47.42km2，即為北海市海水咸化的范圍（圖 4），Cl-含量大于 250mg/l的區域面積為16.54km2；承壓水Cl-含量大于50mg/l的區域面積為40.43km2（圖5），Cl-含量大于250mg/l的區域面積為10.99km2。