萊州灣南岸淺層地下水咸化特征及其指示意義

劉宏偉，胡云壯，馬 震，張 競

(1. 中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170； 2. 中國地質(zhì)調(diào)查局泥質(zhì)海岸帶地質(zhì)環(huán)境重點實驗室，天津 300170)

世界上約60%的人口集中在海岸線60 km以內(nèi)的區(qū)域[1]，隨著人口數(shù)量的不斷增加，海岸帶可利用淡水資源顯得尤為緊缺。因居民生活用水和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需，海岸帶地下淡水被不斷開采和利用，引發(fā)海(咸)水入侵，產(chǎn)生地下水明顯咸化現(xiàn)象。同時，由于工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，地下水受人為污染造成的咸化也日趨明顯。我國萊州灣南岸地區(qū)受地下水開采、歷史海侵等因素影響，成為海岸帶地區(qū)地下水咸化最為嚴重和明顯的地區(qū)，已出現(xiàn)農(nóng)業(yè)減產(chǎn)、居民飲水困難、生態(tài)環(huán)境退化等環(huán)境負效應(yīng)。因此，開展該地區(qū)的地下水咸化評價研究工作勢在必行。

多年來眾多學(xué)者應(yīng)用水化學(xué)、地球物理等手段，采用單指標評價法、多指標綜合評價法、模糊數(shù)學(xué)評價法等評價了該區(qū)的海(咸)水入侵程度[2-5]。但以往研究成果均以地下水咸化是由海(咸)水入侵所致為前提，對農(nóng)業(yè)灌溉水、生活污水、工業(yè)廢水等因素考慮較少。層次分析法被廣泛應(yīng)用于災(zāi)害危險性評價[6-8]，也被有效應(yīng)用于地下水咸化研究[9]，該方法的優(yōu)點是在考慮不同來源地下水化學(xué)組分基礎(chǔ)上建立評價指標體系，可以綜合反映地下水咸化的咸化水平。

本次通過分析影響地下水咸化的主要水化學(xué)指標，了解萊州灣南岸淺層地下水咸化特征，進而識別地下水咸化的原因。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于萊州灣南岸第四紀覆蓋區(qū)(見圖1)，地理坐標范圍36°41′00″～ 37° 19′00″N，118° 32′00″ ～ 119° 35′ 00″E，為暖溫帶半濕潤季風型氣候區(qū)，地形南高北低，平均坡降為0.047%。第四系沉積物由南向北增厚，自南部約30 m 至北部超過200 m; 區(qū)內(nèi)發(fā)育彌河、濰河、白浪河等多條河流，南部地貌主要為沖積、沖洪積平原，北部地貌為海積平原; 含水層結(jié)構(gòu)南部單一結(jié)構(gòu)向北至中部過渡為多層結(jié)構(gòu)，巖性由砂礫石逐漸向砂、粉土和黏土等過渡。晚更新世以來受黃驊、獻縣、滄州等多次海侵影響促使海陸相地層相互疊置，海相地層內(nèi)賦存大量鹽度較高的咸鹵水[3,10]。

研究區(qū)的主要產(chǎn)業(yè)是農(nóng)業(yè)和工業(yè)，區(qū)內(nèi)中南部分布有大面積的蔬菜大棚，農(nóng)作物主要種植小麥、玉米和棉花等；在研究區(qū)南部分布有造紙廠、食品廠和紡織廠，在北部分布大量海洋化工企業(yè)。由于地下水的過量開采，海(咸)水入侵面積已超過2 000 km2[11]。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點Fig.1 Location of study area and sampling sites

2 水樣采集與測試

3 評價方法

本次使用層次分析法(AHP)建立地下水咸化評價指標體系框圖(見圖2)，采用“9標度法”建立兩兩因素判斷表，通過相對重要程度的比較和標度建立判斷矩陣。求得矩陣的最大特征值和特征向量后對特征向量進行歸一化處理，從而計算不同評價指標的權(quán)重值，并對判斷矩陣進行一致性檢驗。具體步驟參見文獻[12-14]。

圖2 地下水咸化評價指標體系框圖Fig.2 Flow diagram of groundwater salinization indexes

4 咸化特征

4.1 地下水咸化過程中總?cè)芙夤腆w(TDS)質(zhì)量濃度的變化

研究區(qū)北鄰渤海，地下水質(zhì)量受到海(咸)水入侵影響引起明顯咸化，入侵過程中地下水離子中變化最為明顯的是總?cè)芙夤腆w(TDS) 和Cl-離子[9]。其中，TDS是指水中全部溶質(zhì)的總和，是地下水含鹽量和咸化程度的直接指示指標；研究區(qū)內(nèi)TDS質(zhì)量濃度為0.19～119.85 g/L，中值為1.03 g/L，均值為8.27 g/L，標準差為23.24 g/L。受海(咸)水入侵、蒸發(fā)和水-巖相互作用等影響，研究區(qū)地下水TDS質(zhì)量濃度呈現(xiàn)自南向北增加的特征；部分地段受水文地質(zhì)條件和河水頂托等影響，呈現(xiàn)向沿海或者向山區(qū)凸出的現(xiàn)象(見圖3)。

圖3 地下水TDS質(zhì)量濃度分布Fig.3 TDS content in groundwater

依據(jù)TDS質(zhì)量濃度，可將地下水分為淡水(<1 g/L)、微咸水(1～3 g/L)、咸水(3～10 g/L)、鹽水(10～50 g/L)、鹵水(>50 g/L)[15]。借鑒此分類標準，結(jié)合研究區(qū)TDS濃度變化情況，本次將地下水咸化等級劃分為未咸化(<1 g/L)、輕度咸化(1～3 g/L)、中度咸化(3～10 g/L)和嚴重咸化(>10 g/L)4個等級。

4.2 地下水咸化過程中Cl-質(zhì)量濃度的變化

研究區(qū)Cl-質(zhì)量濃度為26.60～67 709.50 mg/L，中值為228.70 mg/L，均值為4 395.92 mg/L，標準差為13 247.74 mg/L；受海(咸)水入侵及人類排污等影響，在區(qū)域上Cl-質(zhì)量濃度差異明顯，尤其是南部和北部存在明顯濃度差；由南至北隨地貌類型的改變，Cl-質(zhì)量濃度逐漸升高，與TDS分布特征較為吻合(見圖4、圖5)。

圖4 地下水Cl-質(zhì)量濃度分布圖Fig.4 Cl- content in groundwater

Cl-可用來有效指示海(咸)水入侵和水質(zhì)咸化等級，但目前等級劃分的標準尚未統(tǒng)一，常見的為4級分類法[11]。趙建[16]、蘇喬[4]、劉宏偉[11]、付恩光[17]等均以Cl-質(zhì)量濃度250、600和1 500 mg/L為分界將研究區(qū)海(咸)水入侵劃分為4個等級。借鑒此分類標準，本次將Cl-離子質(zhì)量濃度劃分為<250、250～600、600～1 500、>1 500 mg/L 4個區(qū)間，分別對應(yīng)未咸化、輕度咸化、中度咸化和嚴重咸化4個地下水咸化等級。

4.3 鈉吸附比(SAR)、潛在鹽度分布特征

鈉吸附比(SAR)是衡量灌溉水或土壤溶液中鈉離子含量的重要指標，可以指示因灌溉水導(dǎo)致的土壤堿化程度[18]，同時SAR可以反映水巖(土)之間的陽離子交換作用，可被用于水質(zhì)咸化評價[9,17]。研究區(qū)SAR值域范圍為0.76～146.43，中值為4.47，均值為18.83，標準差為32.81；區(qū)域上呈現(xiàn)由中南部向沿海地段逐漸升高的趨勢，值域大于10的區(qū)域主要分布在臺頭鎮(zhèn)-侯鎮(zhèn)-固堤鎮(zhèn)沿線北部以及固堤鎮(zhèn)西南部地段(見圖5)。前者受到海(咸)水入侵影響顯著，后者受礦物溶解影響較為明顯。

圖5 地下水SAR值域分布Fig.5 SAR level in groundwater

宋新山[18]等以SAR值10、18和26為界限將灌溉水的危害程度分為低或無、中等、高和非常高4個等級。借鑒此分類標準，本次將SAR值域劃分為<10、10～18、18～26、>26這4個區(qū)間，分別對應(yīng)未咸化、輕度咸化、中度咸化和嚴重咸化4個地下水咸化等級。

圖6 地下水潛在鹽度值域分布Fig.6 Potential salinity level in groundwater

4.4 硝酸鹽、硫酸鹽變分布特征

地下水中硝酸鹽是指示人為污染來源的一項咸化指標，通常來源于家畜養(yǎng)殖、生活污水和工業(yè)污水中氨類廢棄物排放、大氣氮氧化合物干濕沉降以及農(nóng)業(yè)氮肥的使用[22,23]。研究區(qū)硝酸鹽質(zhì)量濃度為2.12～392.59 mg/L，中值為148.02 mg/L，均值為156.75 mg/L，標準差為108.89 mg/L；區(qū)域上呈現(xiàn)由北部沿海地段向南部逐漸降低的趨勢，高值區(qū)主要分布在研究區(qū)中部、西南部和東南部地段(見圖7)，受海(咸)水入侵影響微弱。

圖7 地下水硝酸鹽質(zhì)量濃度分布Fig.7 content in groundwater

地下水質(zhì)量標準[24]和生活飲用水衛(wèi)生標準[25]中對地下水硝酸鹽的限值為90 mg/L(以N計為20 mg/L)，符合地下水質(zhì)量分類中的Ⅲ類水標準，低于該限值的地下水適用于集中式飲用水源；地下水質(zhì)量分類中的Ⅳ類水對地下水硝酸鹽的限值為133 mg/L(以N計為30 mg/L)，低于該限值的地下水經(jīng)適當處理可用作生活飲用水，高于該限值的地下水不宜做為生活飲用水源。借鑒上述硝酸鹽界限值標準，并結(jié)合硝酸鹽高于133 mg/L的值域范圍(均值為260 mg/L)，本次將其劃分為<90、90～133、133～260、>260 mg/L這4個區(qū)間，分別對應(yīng)未咸化、輕度咸化、中度咸化和嚴重咸化4個地下水咸化等級(見圖7)。

圖8 地下水硫酸鹽質(zhì)量濃度分布Fig.8 content in groundwater

4.5 地下水咸化程度

表1 咸化指標等級分類標準Tab.1 Indicator values of different salinization indicators

表2 咸化指標比較判斷矩陣Tab.2 Correlation matrix of salinization indicators

表3 咸化指標貢獻權(quán)重Tab.3 Weight of different salinization indicators

利用Arcgis對各咸化指標值域進行歸一化，乘以相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)后進行柵格計算。各柵格計算的咸化指數(shù)值域為0.10～0.40，將其等差分組可以得到4級分區(qū)(見圖9)：未咸化區(qū)(0.10～0.175)、輕度咸化區(qū)(0.175～0.25)、中度咸化區(qū)(0.25～0.325)和嚴重咸化區(qū)(0.325～0.40)。結(jié)果顯示，研究區(qū)出現(xiàn)了不同程度的地下水咸化現(xiàn)象，呈現(xiàn)自南向北逐漸加重的規(guī)律。近海地區(qū)已達到嚴重咸化程度，大致分布在臺頭鎮(zhèn)北-侯鎮(zhèn)北-固堤鎮(zhèn)北-下營鎮(zhèn)南沿線以北區(qū)域，覆蓋面積約1 984.66 km2；中等咸化區(qū)大致分布在臺頭鎮(zhèn)-侯鎮(zhèn)-固堤鎮(zhèn)-柳疃鎮(zhèn)一線北側(cè)，覆蓋面積約598.68 km2；輕度咸化區(qū)分布在臺頭鎮(zhèn)南-侯鎮(zhèn)南-固堤鎮(zhèn)南-昌邑市區(qū)地段，覆蓋面積約548.79 km2；未咸化區(qū)主要分布于研究區(qū)南部，覆蓋面積約1 331.28 km2(見圖9)。

圖9 地下水咸化等級分區(qū)Fig.9 Map resulting of groundwater salinization evaluation

5 討 論

5.1 地下水咸化與海(咸)水入侵等影響因素的關(guān)系

地下水咸化等級分區(qū)與海(咸)水入侵程度[11]具有很好的響應(yīng)關(guān)系(見圖10)。地下水嚴重咸化區(qū)覆蓋了海(咸)水嚴重入侵區(qū)的大部分區(qū)域；地下水中度咸化界線與海(咸)水中等入侵區(qū)界線較為一致；除固堤鎮(zhèn)西-西北部和昌邑東南部等局部地段外，地下水輕度咸化界線與海(咸)水輕微入侵區(qū)界線近似平行分布。地下水咸化等級分區(qū)與海(咸)水入侵分區(qū)界線變化趨勢具有類同的特點，反映地下水咸化的主要影響因素是海(咸)水入侵；胡云壯等[28]研究顯示該區(qū)咸水混合的鹵水比例為20.4%～55.4%，微咸水中混合的鹵水比例為0.054%～4.5%，也為上述結(jié)論提供了佐證。侯鎮(zhèn)-固堤鎮(zhèn)一帶受化工產(chǎn)業(yè)園工業(yè)排污和農(nóng)業(yè)施肥等影響，昌邑城區(qū)南部受農(nóng)業(yè)施肥和家畜養(yǎng)殖等影響，引起硝酸鹽含量增高致使地下水進一步咸化(見圖7)；昌邑東南部企業(yè)工廠較少，主要因農(nóng)業(yè)施肥和礦物溶解等造成地下水咸化加劇(見圖7、圖8)。

圖10 地下水咸化與海(咸)水入侵程度對比Fig.10 Relationship between groundwater salinization and saltwater intrusion

5.2 地下水咸化對地層沉積相的指示

從地層沉積相來看(見圖11)，該區(qū)下三角洲平原沉積物為海相沉積，地層固有的鹽分含量較高；上三角洲平原分布有陸相沉積物造成地層含鹽量略低于下三角洲平原；湖積淺平洼地沉積物因蒸發(fā)濃縮作用等成因較沖洪積平原也呈現(xiàn)較高的含鹽量[29]。圖11顯示三角洲平原和湖積淺平洼地沉積物均處于中度咸化界線以北；地下水嚴重咸化區(qū)覆蓋了下三角洲平原，僅下營鎮(zhèn)南部、固堤鎮(zhèn)西部和臺頭鎮(zhèn)東北部部分上三角洲平原和湖積淺平洼地處于地下水中度咸化區(qū)；地下水未咸化區(qū)和輕度咸化區(qū)全部處于沖洪積平原。地層沉積相受蒸發(fā)濃縮、水巖(土)相互作用等過程影響，地下水咸化程度與地層沉積相很好的對應(yīng)關(guān)系說明該區(qū)地下水咸化對地層沉積相和水文地球化學(xué)作用具有很好的指示意義。

圖11 地下水咸化與地層沉積相分布對比Fig.11 Relationship between groundwater salinization and sedimentary facies

6 結(jié) 論

(1)研究區(qū)地下水可劃分為未咸化、輕度咸化、中度咸化和嚴重咸化4個區(qū)，已咸化區(qū)域占研究區(qū)面積的70.17%。其中，嚴重咸化區(qū)占比44.46%，中度咸化區(qū)占比13.41%，輕度咸化區(qū)占比12.30%。

(2)該區(qū)地下水咸化分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。總體呈現(xiàn)由南向北自內(nèi)陸向沿海逐漸增大的趨勢，區(qū)域上顯現(xiàn)中部-東部地區(qū)咸化范圍較大，西部相對較小的特征。

(3)該區(qū)地下水咸化的主要原因是海(咸)水入侵，其次受工業(yè)排污、農(nóng)業(yè)施肥和家畜養(yǎng)殖等因素影響。硝酸鹽含量分布顯示工業(yè)排污和農(nóng)業(yè)施肥對侯鎮(zhèn)-固堤鎮(zhèn)一帶地下水咸化影響較為明顯；硫酸鹽含量分布顯示農(nóng)業(yè)施肥和家畜養(yǎng)殖等對昌邑城區(qū)附近地下水咸化貢獻明顯。

(4)地下水咸化分區(qū)與地層沉積相特征的良好對應(yīng)關(guān)系，顯示該區(qū)地下水咸化對地層沉積相具有很好的指示作用。