濰坊北部超采區地下水化學成分演變特征分析

曹 濱，唐培軍，焦裕飛，郭亞萍，林洪孝，王 剛

(1.山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018；2.濰坊市水文局，山東 濰坊 261031)

長期大量開采地下水會導致地下水降落漏斗的形成，使地下水的水力坡度加大、流動速度加快，導致水化學環境發生改變；另外，地下水的超采使垂直入滲補給范圍加大，致使更多的污染物進入含水層，加重了地下水污染[1]。在地下水水化學方面，很多學者進行了相關研究。姜體勝[2]運用數學統計方法和Piper三線研究了北京市南口地區地下水水化學時空變化，認為補給源、地下水動力場的改變和水污染等影響了研究區地下水水化學特征；陳洲[3]等對巖溶區星子河流域水化學離子特征及其時空變化進行分析，認為存在明顯的降水稀釋效應。M.E. Zabala[4]等對matanza-riachuelo流域地下水化學基線進行評估，通過對地下水化學的識別分析其主要來源和過程。

本文以濰坊市超采區為例，綜合運用Radial plot圖、Box-whisker圖和Piper三線圖示法對研究區淺層地下水離子、水化學類型變化趨勢進行分析，并通過MODFLOW和surfer描述地下水總硬度、TDS的時空分布情況。通過分析認識超采區地下水化學演變特征，探求地下水超采對地下水化學成分的影響，為超采區水位恢復和水資源保護提供科學依據[5]。

1 研究區概況

濰坊的超采區位于濰坊市北部，主要分布于壽光、寒亭、昌邑三市(區)。濰坊北部北靠萊州灣，受歐亞大陸和太平洋的共同影響，屬溫暖帶季風性半濕潤大陸性氣候，春季多風少雨，夏季炎熱多雨，秋季涼爽干旱，冬季寒冷少雪[6,7]。降雨主要集中在6-9月份，多年平均降水量為582.1 mm；多年平均蒸發量為1 189.63 mm，年內4-9月蒸發量較大。由于濰坊地下水超采區和水質監測井均集中在壽光、寒亭、昌邑三市(區)南部，因此，采用咸淡水邊界以南作為研究區。研究區的北部以三市(區)中部的咸淡水分界線作為邊界，南部以三市(區)行政邊界為界，如圖1。地下水化學成分觀測井選擇研究區漏斗及其周邊15個井的水位監測資料，包括寒亭區2個、昌邑市6個、壽光市8個，測定時間為每年1月16日、5月16日、7月16日和11月16日，主要監測項目有：地下水位、pH、Cl-、SO2-4、HCO-3、Na+、K+、Ca2+、Mg2+等。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location map of the study area

2 地下水化學成分變化趨勢

2.1 離子變化趨勢分析

地下水中含量較多的離子有7種，即Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3等[8]。21世紀以來，濰坊市超采區的漏斗不斷發展至今。因此，為綜合反映超采區內地下水化學成分的變化情況，選取超采區內所有水質監測點，選擇具有代表性的2000和2012年，運用Radial plot圖對地下水中的主要離子含量進行分析，結果如圖2。由圖知，2000年HCO-3含量最高，SO2-4最少；2012年與2000年相比，HCO-3明顯減少，SO2-4、Cl-、Ca2+、Mg2+含量增加，Na+、K+變化不大。各離子含量發生改變，可見研究區受自然條件和人類活動的影響而改變了其主要地球化學離子自然含量特征[9]。

圖2 主要離子隨時間變化趨勢Fig.2 The trends of major ions by the time

為定量分析超采區內離子含量的變化，選取超采區內所有水質監測點2000和2012年水質資料，分別繪制box-whisker圖，并剔除異常值，如圖3。在box-whisker圖中，主要包含5個數據節點，將一組數據從大到小排列，分別計算出其最大值，上四分位數(Q1)，中位數(Q2)，下四分位數(Q3)，最小值。

由圖知，2012年離子濃度與2000年相比，SO2-4雖含量較少，但變化最為明顯，以中位數進行對比，2012比2000年增加了1倍；Ca2+、Mg2+和Cl-的離子濃度分別增加了25.4%、34.8%、33.9%； HCO-3較2000年有所減少，減少了28.2%；Na+、K+變化不大。

2.2 水化學類型變化趨勢分析

由piper三線圖可知，2000年監測點主要落入5區。左側三角形代表陽離子含量，2000年的監測點分布較為分散，主要集中在中部。其中Ca2+分布在20%～90%，Na++K+集中在40%～80% ，Mg2+的含量在10%～60%之間。右側三角形表示陰離子含量，2000年監測點分布相對集中，其中HCO-3含量最多，大于70%，Cl-在20%～50%，SO2-4低于30%，說明地下水中的陰離子以HCO-3為主。因此，2000年濰坊超采區地下水化學類型以Na+-K+-HCO-3、Ca2+-Mg2+-HCO-3型為主。

2012年水樣點主要落入1區。監測點的陽離子分布仍分散，但由中部變為左下方。Ca2+含量介于20%～80%，Na++K+在40%以上，Mg2+含量低于60%。2012年監測點的陰離子與2000年比較為分散，散落在下方，Cl-含量介于20%～80%，HCO-3最多，超過60%，SO2-4含量低于40%。2012年濰坊超采區地下水化學類型以Na+-K+-HCO-3-Cl-和Ca2+-Mg2+-HCO-3-Cl-型為主。

圖3 離子含量圖Fig.3 Diagram of ion content diagram

圖4 Piper三線圖Fig.4 Piper diagram

2.3 總硬度變化趨勢分析

總硬度是研究地下水水質的重要指標之一，由于地下水超采、水污染導致水動力場和水化學環境改變，從而導致硬度發生變化[10]。研究區2000、2012年硬度時空變化情況見圖5。

圖5 總硬度等值線圖Fig.5 The contour map of hardness

由圖5可知，2000年總硬度以壽光和昌邑北部最大，達到160 mg/L，總體趨勢是由西到東遞減，昌邑市由南到北遞增。到2012年研究區西部的硬度分布由向西南遞增轉變為向西北方向遞增，昌邑市總體分布變化不大。從整體看，研究區硬度較2000年明顯升高，寒亭區和昌邑北部達到190 mg/L。

由于濰坊北部地下水的長期過量開采，降落漏斗不斷發展，地下水的硬度增加。地下水超采導致包氣帶厚度增大，使部分含水層轉換為包氣帶，鈣鎂礦物被氧化、溶解；含水層厚度變薄，對鹽分的稀釋能力減弱，系統內的水鹽平衡被打破，導致地下水硬度增高；同時，隨著包氣帶厚度增大，入滲途徑隨之增多，滲入水中的Ca2+、Mg2+濃度增加，地下水硬度升高[11]。

2.4 TDS變化趨勢分析

TDS(溶解性固體)能反映水體組分的總體分布特征和變化趨勢，是研究地下水水化學特征和水質好壞的一個重要指標，根據其高低可以將地下水分為淡水(TDS <1g/L)、微咸水(1g/L

圖6 TDS等值線圖Fig.6 The contour map of TDS

2012年TDS含量較2000年有增多趨勢。昌邑、寒亭TDS明顯增多，昌邑部分地區TDS超過1g/L，為微咸水。壽光TDS有所降低，分布情況為由東向西遞減。主要原因仍是漏斗區大量開采導致的地下水水位持續下降，大氣降水等垂直入滲補給途徑加長，含水層變薄，對鹽分的稀釋能力減弱，加大了對Ca2+、Mg2+、Na+、Cl-等離子的淋濾過程，從而使地下水中溶解性總固體濃度增加[14]。同時，研究區TDS的變化與地下水污染密切相關。根據2012年濰坊市地下水質評價結果，2012年壽光達到Ⅲ類水標準，有害成分均未超標，水質較好；寒亭和昌邑為Ⅳ類水，主要化學組分多數有不同程度的增加，水質變差[15]。地下水污染狀況與各市(區)TDS變化趨勢相同。由于地下水開采量增加，地下水漏斗不斷擴展，導致地下水徑流條件的改變，地表廢棄物經淋濾隨漏斗降深的加大滲入地下，加劇地下水的污染程度，引起水質惡化，導致地下水中TDS含量增加。

3 地下水化學成分動態演化特征分析

隨著地下水降落漏斗的加大、加深，不僅引起地下水位的波動，地下水化學成分也隨之發生變化。為進一步探求濰坊北部超采區地下水化學成分的波動情況，繪制地下水位和離子的變化曲線，以分析其相關性。由于濰坊市2009年后關閉部分監測井，采用新的監測井進行監測，因此，在考慮地下水化學成分時選用2000-2008年的長系列井。在長系列井中，156A號井既是水位監測點又是水質監測點，可以較好地反映水化學成分隨水位的變化情況，因此，采用156A號井2000-2008年資料進行繪制，并通過SPSS分析其相關性。

Na+、K+、Cl-、HCO-3變化趨勢與地下水位基本一致：2003-2005年地下水位有所回升，離子濃度升高，之后水位下降，離子濃度也呈下降趨勢；說明156A號井附近地下水礦化度較低，形成以Na+、K+、Cl-、HCO-3為主的低礦化的地下水，其含量隨著水位波動而發生變化。同時，由相關分析得，Na+、K+、Cl-、HCO-3之間相關性顯著，說明超采區地下水受到蒸發濃縮作用，易溶鹽類累積，離子濃度發生變化。

從整體上看，Ca2+、Mg2+、SO2-4離子含量隨著地下水位的降低而升高；2001年、2003及2007年地下水位下降，Ca2+、Mg2+、SO2-4濃度呈上升趨勢。由圖8知，與其他離子相比，SO2-4含量少，說明156A井附近硫酸鹽污染程度小，水質較好，但隨著地下水位的下降，SO2-4也呈現一定的上升趨勢。結合表1知，Ca2+、SO2-4離子間存在較好的相關性，相關系數為0.720，又因研究區位于華北地層區，含有泥巖、砂巖、礫巖等沉積巖，因此可初步推測研究區的沉積巖中含有少量石膏(CaSO4·2H2O)。Ca2+、Mg2+、SO2-4濃度受地下水超采的影響，地下水開采量越大，地下水位越低，含鈣鎂礦物和石膏等礦物的溶解越多，入滲量越大，Ca2+、Mg2+、SO2-4濃度越高。

4 結 論

(1)通過濰坊超采區2000年與2012年地下水化學成分對比，SO2-4、Cl-顯著增加，Na+、K+、HCO-3含量減少。

圖7 156A#井地下水水位、Na+、K+、Cl-、HCO-3變化趨勢圖Fig.7 The trend chart of groundwater level and Na+、K+、Cl-、HCO-3 in 156A well

圖8 156A井地下水水位、Ca2+、Mg2+、SO2-4變化趨勢圖Fig.8 The trend chart of groundwater level and Ca2+、Mg2+、SO2-4 in 156A well

rCa2+Mg2+Na++K+Cl-SO2-4HCO-3Ca2+Mg2+0.813**Na++K+0.6200.472Cl-0.761*0.5630.881**SO2-40.720*0.5040.3830.529HCO-30.669**0.6190.880**0.708**0.255

注：**和*表示顯著水平為0.01和 0.05。

(2)濰坊北部2000年研究區淺層地下水水化學類型以Na+-K+-HCO-3、Ca2+-Mg2+-HCO-3型為主，隨著地下水降落漏斗的加劇，水化學類型發生改變，2012年以Na+-K+-HCO-3-Cl-和Ca2+-Mg2+-HCO-3-Cl-型為主。

(3)研究區過量開采地下水改變了地下水的流場，增大了入滲補給，鈣鎂礦物被氧化、溶解，同時區域地下水污染加劇，導致總硬度和TDS濃度的增加。

(4)從地下水化學成分的年際變化來看：①Na+、K+、Cl-、HCO-3含量變化與地下水位波動基本一致，離子濃度隨地下水位的變化發生改變；②Ca2+、Mg2+、SO2-4的含量隨著地下水位的降低而升高：地下水超采導致含鈣鎂礦物和石膏等礦物的溶解增多，入滲量增大，離子濃度升高。

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