黃河三角洲水鹽演化及補(bǔ)給來源
——基于水化學(xué)與同位素分析

張?zhí)?王奎鋒,3,王 強(qiáng),李 靜,王 薇

(1. 山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013；2. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3. 山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

自1850s引黃灌溉起，在黃河中下游以及黃河三角洲的灌溉和黃河水滲漏的區(qū)域，地下鹽水逐漸被淡水所替換，淡水和鹽水所維持的動態(tài)邊界線逐漸向東邊的入?？谕埔啤５叵滤呌诘?，成為了潛在的水源[1-2]。然而，持續(xù)的灌溉和沒有相應(yīng)配套的排水設(shè)施使得地下水位線上升，打亂了先前的土壤和淺層含水層之間的水鹽平衡[3]。同時(shí)，隨著近年來工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人類活動的加劇，使得地表水以及淺層地下水污染越來越嚴(yán)重[4]，水資源的載荷較大。地下水的嚴(yán)重超采導(dǎo)致了海水面向內(nèi)地延伸，河口地區(qū)淺層地下水礦化度較高，“水質(zhì)型缺水”狀況嚴(yán)重[5]，成為制約該地區(qū)穩(wěn)定發(fā)展的因素。黃河是該區(qū)域內(nèi)唯一的淡水資源。為緩解入?？谏鷳B(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)的生態(tài)退化、面積萎縮、生物多樣化衰減等生態(tài)失衡問題，每年的6-7月份均進(jìn)行黃河三角洲的生態(tài)調(diào)水。研究水化學(xué)特征與各水體補(bǔ)給來源和演化規(guī)律，能夠?yàn)閰^(qū)域地表水和地下水交換及海水入侵研究提供數(shù)據(jù)支持。

就全球而言，河口地區(qū)處于海洋和大陸交界，影響水環(huán)境的因素和過程復(fù)雜，其水化學(xué)特征與過程成為研究的熱點(diǎn)。國內(nèi)外許多學(xué)者在河口地區(qū)及周邊區(qū)域開展了對地表水與淺層地下水的研究[6-7]。Halim[8]研究了孟加拉國西南河口地區(qū)地下水特征，認(rèn)為造成地下水成為Na-Cl型微咸水的原因是海水影響和水文地球化學(xué)過程。淺層地下水研究中，章斌[9]在研究閩江河口兩岸的地下水形成演化規(guī)律時(shí)，發(fā)現(xiàn)閩江河口兩岸的淺層地下水主要接受降水補(bǔ)給，北岸地下水還接受山區(qū)基巖裂隙水補(bǔ)給，南岸淺層地下水在枯水期還接受經(jīng)過蒸發(fā)作用的灌溉水補(bǔ)給。Bahkaly[10]利用BRT技術(shù)評價(jià)阿拉伯半島西北部馬奇納地區(qū)淺層地下水鹽分時(shí)發(fā)現(xiàn)，淺層地下水受海岸距離、干河床以及地表石膏出露量密切影響。同時(shí)，穩(wěn)定同位素δD、δ18O是近些年來水文科學(xué)用來研究地表水、淺層地下水與大氣降水以及其他水體的補(bǔ)給來源、運(yùn)移和演化規(guī)律的有效方法[11]。水分子的穩(wěn)定同位素δD-δ18O用來示蹤陸地地表水和地下水形成、補(bǔ)給、地下水的滯留時(shí)間、污染源和滲漏等應(yīng)用已有大量的研究[12-13]。受同位素分餾作用控制，水循環(huán)過程中各水分的氫氧同位素組成具有時(shí)空分布異質(zhì)性。然而基于同位素技術(shù)的黃河三角洲地區(qū)水鹽演化及補(bǔ)給來源的分析，鮮見報(bào)道。氫氧穩(wěn)定同位素不僅能夠指示水的形成、運(yùn)移和演化信息，而且提供不同水源之間的混合信息[14-16]，能夠?yàn)槎垦芯繀^(qū)域地表水和地下水的補(bǔ)給來源提供科學(xué)依據(jù)。

本文在對黃河三角洲地區(qū)地表水和淺層地下水采樣分析的基礎(chǔ)上，采用Piper圖等水化學(xué)方法對比淺層地下水和地表水主要離子濃度分布特征，試圖找出研究區(qū)淺層地下水與地表水系，尤其是黃河水的水力聯(lián)系；同時(shí)運(yùn)用δD、δ18O、Cl/Br穩(wěn)定同位素等示蹤性元素揭示淺層地下水的補(bǔ)給來源，其結(jié)果與由地表水—地下水水化學(xué)方法得出的結(jié)論相互補(bǔ)充。針對獨(dú)特的氣候條件、地質(zhì)構(gòu)造和引黃灌區(qū)實(shí)施，對該地區(qū)地表水與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究，能夠?yàn)樘岣咴邳S河三角洲的水資源管理以及水—鹽保護(hù)提供參考信息，進(jìn)而為黃河三角洲健康地下水循環(huán)及合理開采利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河三角洲位于渤海南岸，黃河入?？诒眰?cè)。東、北兩面臨海，西與沾化縣為鄰，南與利津縣接壤，東南面與墾利縣毗鄰。地跨北緯37°45′～38°10′，東經(jīng)118°07′～119°05′(圖1)，是黃河沖積平原(屬魯北平原)，地貌類型屬于典型的河口三角洲地貌，但微地貌變化較大。氣候?qū)俦睖貛О霛駶櫞箨懠撅L(fēng)性氣候，冬暖夏熱，四季分明，雨熱同季，平均降雨量為546.7 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 280 mm。河口地區(qū)具有豐富的石油、天然氣等礦產(chǎn)資源，同時(shí)也具有完備的黃河三角洲濕地資源，經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略地位顯著。

圖1 研究區(qū)的位置、主要水系以及采樣點(diǎn)分布Fig.1 The spatial distribution of sampling sites and the surrounding drainage system

1.2 樣品采集與測定

每年的生態(tài)調(diào)水是為黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)生態(tài)補(bǔ)水的最好機(jī)會，補(bǔ)水時(shí)段及補(bǔ)水比例為：春季補(bǔ)1/3，汛期補(bǔ)2/3。6-7月份被認(rèn)為是濕地補(bǔ)水的關(guān)鍵時(shí)期之一，6月下旬研究區(qū)生態(tài)調(diào)水3 000多萬m3。考慮到，一方面能夠表征區(qū)域獨(dú)特來水的影響，同時(shí)經(jīng)一個(gè)月左右區(qū)域內(nèi)水資源基本穩(wěn)定，因此，于2017年7月，在黃河三角洲主要河道(黃河、黃河故道、馬新河、沾利河、挑河等)和入?？诟浇杉乇硭蜏\層地下水樣，采樣點(diǎn)空間分布如圖1所示。水樣用380 mL的塑料瓶裝滿，采集時(shí)用河水將瓶子沖洗3遍，保證無氣泡密封、常溫、避光保存。淺層地下水的采樣主要通過居民家自吸泵取出井水于采集桶中，野外井深15 m，保存方法與地表水采集相同。水化學(xué)指標(biāo)由國土資源部濟(jì)南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心測定，穩(wěn)定同位素δD-δ18O分析由中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所理化分析中心同位素分析實(shí)驗(yàn)室測定。穩(wěn)定同位素δD-δ18O分析采用環(huán)境同位素質(zhì)譜儀TIWA-45EP，測定精度分別為±1×10-3和±0.3×10-3，測定結(jié)果以相對于維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水(Vienna standard mean oceanic water，VSMOW)的千分偏差形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃河三角洲年內(nèi)地下水位變化

圖2 長期定位監(jiān)測點(diǎn)的地下水位年內(nèi)變化Fig.2 Groundwater level in long-term location monitoring points

分析黃河三角洲定位觀測井(圖1)的水位年內(nèi)變化，農(nóng)田和濕地的地下水埋深相似且穩(wěn)定(圖2)，六月份放水之后，由于區(qū)域內(nèi)地形平緩以及排水不佳，地下水水位迅速上升；海岸地下水位——五號樁則全年保持穩(wěn)定不變。地下水水位在6月開始上升，在7-9月到達(dá)頂點(diǎn)，隨后在10月到第二年2月下降至最低。相反，五號樁海岸的地下水位全年變化很小。由此得到結(jié)論：(1)該地區(qū)地下水位年內(nèi)變化大是引黃調(diào)水對不同生態(tài)系統(tǒng)的影響，從一次調(diào)水的結(jié)束到下一次調(diào)水的開始，地下水側(cè)向再次分配和蒸發(fā)導(dǎo)致了水位線下落；(2)因?yàn)楹０哆h(yuǎn)離內(nèi)陸的黃河，引黃水對海岸附近的地下水沒有造成太多變化，再加上海水起著定水頭的作用，故海岸的地下水位年內(nèi)變化不大。

2.2 地表水與淺層地下水水化學(xué)特征

總?cè)芙夤腆w(TDS)表征水中溶解組分的總量，包括離子、分子及絡(luò)合物。分析河口地區(qū)地表水與淺層地下水的TDS空間分布(圖4)，總體上，地表水與淺層地下水的TDS處于較高的水平，普遍>5 g·L-1，為咸水和鹵水的范疇[18-19]。從距離海岸線的位置上看，地表水監(jiān)測點(diǎn)距離海岸線越小，TDS指標(biāo)越大，而淺層地下水則表現(xiàn)相反的特征。

圖3 河口地區(qū)地表水與淺層地下水水化學(xué)Piper圖Fig.3 Piper graph of surface water and shallow groundwater of the coastal region

圖4 河口地區(qū)地表水與淺層地下水礦化度的特征Fig.4 The spatial characteristics of salinity in surface water and shallow groundwater in the coastal region

隨著對大氣沉降物中Cl/Br值研究的深入，利用Cl/Br值來評估地下水的自然過程和人類污染已經(jīng)變得普遍[20]。本研究中，對河口地區(qū)地表水和淺層地下水鹽分來源進(jìn)行劃分，其鹽分特征主要包括5個(gè)方面：(1)含Br農(nóng)藥污染，包括測點(diǎn)DB4、DB6、DX8、DX13 (Cl/Br=200～500，Cl=300～2 000)；(2)城市垃圾污染，包括測點(diǎn)DX10、DX16(Cl/Br=750～1 000，Cl=300～2 000)；(3)光鹵石滲濾，包括測點(diǎn)DX17、DB3、DB5(Cl/Br=400～590，Cl=20 000～60 000)；(4)鉀鹽體滲濾，包括測點(diǎn)DX4、DX5、DX6、DX10、DB1、DB7、DB8、DB9 (Cl/Br=250～350，Cl=20 000～70 000);(5)其他點(diǎn)則屬于更為復(fù)雜的鹽分來源。淺層地下水中鹽分的來源一方面受到人類活動和城市污染物影響，另一部分則是海水入侵導(dǎo)致含鹽量增加。地表水對地下水的補(bǔ)給和地下水蒸發(fā)是淺層地下水形成高含鉀鹽鹵水的原因，也表征了人類活動和海水作用對水體鹽分來源的貢獻(xiàn)較大[21]。

注：地下水的主要鹽分來源為：1.原始鹽分(1.a海水；1.b海水入侵；1.c巖鹽混入)；2.補(bǔ)給水(2.a包括海岸區(qū)域；2.b內(nèi)陸補(bǔ)給；2.c海岸干旱區(qū)域；2.d海岸污染)；3.自然巖鹽蒸發(fā)(3.a石膏；3.b巖鹽滲濾)；4.火山巖分；5.工農(nóng)業(yè)、城市污染(5.a含Br農(nóng)藥污染；5.b工業(yè)鹽分滲出；5.c固體垃圾污染；5.d城市污水污染；5.e腐爛物污染)；6.礦體鉀鹽滲濾(6.a光鹵石滲出；6.b鉀鹽滲出)[18]。 Note: The main sources of groundwater salt are: 1. Original salt (1.a seawater; 1.b seawater intrusion; 1.c rock salt mixed); 2. Make-up water (2.a including coastal area; 2.b inland supply; 2.c coastal arid area; 2.d Coastal pollution); 3. Natural rock salt evaporation (3.a gypsum; 3.b rock salt percolation); 4. Volcanic rock; 5. industrial and agricultural, urban pollution (5.a Pollution with Br pesticides; 5.b Industrial salt oozing; 5.c Solid waste pollution; 5.d Urban sewage pollution; 5.e Decomposition pollution); 6. Ore body potassium salt percolation (6.a Carnallite exudation; 6.b Potassium salt exudation) [18].圖5 地表水與淺層地下水主要鹽分 來源Br/Cl-Cl的關(guān)系Fig.5 Br/Cl-Cl relationship of salinity of surface water and shallow groundwater

2.3 地表水、淺層地下水穩(wěn)定同位素關(guān)系

圖6 地表水、淺層地下水穩(wěn)定同位素δD-δ18O的關(guān)系Fig.6 Stable isotope δD-δ18O relationship of surface water and shallow groundwater

地表水δD-δ18O的變化范圍是δD-40‰～-6‰，而δ18O變化范圍是-4.4‰～-0.2‰(圖6)，δD-δ18O關(guān)系為δD=6.28δ18O-7.7，R2=0.57，地表水偏離全球大氣水線較大。絕大部分的樣點(diǎn)處在全球大氣水線下方，說明水源補(bǔ)給來自大氣降水的部分不明顯[22]。只有很少量的樣點(diǎn)，比如處在自然保護(hù)區(qū)的黃河故道的DB10，δD為-11‰，δ18O為-3.5‰，雖然在全球大氣水線的上方，但是距離較遠(yuǎn)，原因可能是因?yàn)椴蓸悠谔幱谟昙?，體現(xiàn)了δD-δ18O的季節(jié)性變化導(dǎo)致的貧化，或者是由于水汽的二次冷凝降水導(dǎo)致[23]。另外，右上方靠近δD-δ18O0值的樣點(diǎn)有地表水DB03、DB05與海水采樣點(diǎn)DB09，表明這幾個(gè)樣點(diǎn)的地表水和地下水屬于海水混合。因此，通過同位素?cái)?shù)據(jù)分析，地表水可以分為兩個(gè)特征區(qū)，分別是靠近海水0點(diǎn)的海水混合區(qū)，其同位素變化范圍是δD-10‰～-6‰，而δ18O變化范圍是-0.6‰～-0.2‰，以及中間部分由人類活動排泄物以及地表徑流補(bǔ)給的地表混合區(qū)，其同位素變化范圍是δD-40‰～-26‰，而δ18O變化范圍是-4.4‰～-2.5‰。

淺層地下水δD-δ18O的變化范圍是δD-57‰～-35‰，而δ18O變化范圍是-7.8‰～-3.2‰，δD-δ18O關(guān)系為δD=4.09δ18O-23.12，R2=0.78。無論地表水還是淺層地下水的斜率都小于降水線的斜率，說明在河口地區(qū)降水對當(dāng)?shù)厮吹难a(bǔ)給不明顯，而海水以及河水補(bǔ)給較明顯。同時(shí)，根據(jù)采樣點(diǎn)的分布，地下水同位素分布位于海水與黃河水之間，樣點(diǎn)既遠(yuǎn)離了全球大氣水線又遠(yuǎn)離河海水位置，表明這些地表水在流經(jīng)當(dāng)?shù)氐臅r(shí)候受人類活動污染物排泄的可能性較大，為地表混合區(qū)[24]?？拷笙路綐狱c(diǎn)慢慢靠近大氣水線，說明此區(qū)域?yàn)榻邓搅飨聺B至淺層地下水的降水混合區(qū)。

2.4 淺層地下水的補(bǔ)給來源

為了進(jìn)一步驗(yàn)證和確定各地表水和淺層地下水的來源，對研究區(qū)地表水和淺層地下水進(jìn)行了穩(wěn)定同位素δD-δ18O-Cl關(guān)系分析。根據(jù)Hiroshiro[25]對日本海岸地下水海水入侵的研究報(bào)道，地下水由于海水混合作用的影響，表現(xiàn)為δD-δ18O組分隨著Cl含量的增加而具有富集效應(yīng)。如圖7所示，除了虛線橢圓圈出的左上方的DX08、DX16、DX13和DB04，還有右下方DX04、DX05、DX06、DX10樣點(diǎn)，其余的樣點(diǎn)中無論是地表水還是淺層地下水都表現(xiàn)出隨著Cl含量的增加，水體中穩(wěn)定同位素δD-δ18O含量升高，說明這些地區(qū)受海水混合作用明顯。海水對地表水的混合作用表現(xiàn)為海水倒灌，使得地表淡水資源被海水混合侵占；海水對淺層地下水的混合作用表現(xiàn)為海水入侵，由于地下水的嚴(yán)重超采，使得地下海水面一直向內(nèi)陸延伸。

圖7 地表水、淺層地下水δD-δ18O-Cl的關(guān)系Fig.7 The relationship of δD-δ18O-Cl of surface water and shallow groundwater

再者，對比圖6的混合分區(qū)可以發(fā)現(xiàn)，所有被虛線橢圓圈出樣點(diǎn)，無論地表水還是淺層地下水都處在第二分區(qū)：地表混合區(qū)。對于地表水而言，礦化度較低，而同位素δD-δ18O組分較為富集，原因應(yīng)該是降水和地下水對淡水河流的補(bǔ)給；而對于淺層地下水而言，形成此δD-δ18O-Cl關(guān)系的原因較為復(fù)雜，主要可以總結(jié)為兩部分:(1)產(chǎn)生水體鹽分富集，δD-δ18O組分變化不顯著的情況，采樣點(diǎn)位于農(nóng)村田地周圍，廣泛采用污水灌溉使得此地區(qū)淺層地下水鹽分增加，導(dǎo)致淺層地下水水質(zhì)退化。(2)產(chǎn)生δD-δ18O組分富集，水體鹽分變化不顯著的情況，降水和地表徑流對地下水的直接補(bǔ)給導(dǎo)致δD-δ18O組分的增加，而淺層地下水的鹽分沒有發(fā)生變化是因?yàn)槌鞘形廴竞臀鬯毓嗟挠绊慬24]。

黃河三角洲河口地區(qū)水化學(xué)和同位素?cái)?shù)據(jù)表明，地下水中的地表水補(bǔ)給比例與引黃調(diào)水有顯著關(guān)系，這可能與調(diào)水期間引黃水下滲非飽和土壤帶，并補(bǔ)給地下水有關(guān)。Piper圖中的水化學(xué)類型和穩(wěn)定同位素結(jié)果表明地下水主要由淡水端元——黃河和咸水端元——海水混合組成，根據(jù)穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)構(gòu)建的二元混合模型能定量計(jì)算調(diào)水期間黃河水對地下水的補(bǔ)給比例，其質(zhì)量守恒方程為：

Cg=Cyfy+Csfs

(1)

fy+fs=1

(2)

式中,Cg為取樣點(diǎn)地下水中的δ18O或者δD值；Cy為取樣點(diǎn)黃河水中的δ18O或者δD值；Cs為取樣點(diǎn)海水中的δ18O或者δD值；fy為地下水中黃河水所占比例；fs為地下水中海水所占比例。

調(diào)水后地表水對淺層地下水的補(bǔ)給高值區(qū)主要分布在農(nóng)田和近海濕地(表2)，黃河端元比例最大值出現(xiàn)在DX09(48%～63%)，DX11(51%～62%)和DX14(49%～61%)，這些點(diǎn)都分布在靠近黃河，易接受地表水的垂向快速補(bǔ)給，相反海岸灘涂帶地下水的補(bǔ)給比例最低，這可能與海岸含水層滲透系數(shù)相較農(nóng)田和濕地最低有關(guān)(海岸滲透系數(shù)Ksat為0.02 m·d-1[26])。這個(gè)空間上補(bǔ)給比例變化的規(guī)律類似Wang等在珠江三角洲的研究結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)地表水的貢獻(xiàn)比例從海岸帶不到1%到內(nèi)陸地區(qū)的74%遞變[27]。而這種源于地表水補(bǔ)給的比例主要依賴于水文地質(zhì)條件(比如滲透系數(shù)Ksat和地下水水位線變化等)。Faye等在Saloum三角洲發(fā)現(xiàn)河中的咸水入侵海岸含水層僅有7%的貢獻(xiàn)比例，這可能是因?yàn)榈叵滤惶幱趧討B(tài)平衡以及含水層的弱透水性[28]。

3 結(jié) 論

1)河口地區(qū)水資源壓力較大，地表水與淺層地下水都具有較高的礦化度，且淺層地下水整體礦化度較高。淺層地下水水化學(xué)類型為Cl-Na·K，是典型的海水混合或者鹵水；地表水由于工農(nóng)業(yè)和城市污染，水化學(xué)類型向Cl·SO4-Na·K·Ca變化，水化學(xué)類型變得復(fù)雜。

3)穩(wěn)定同位素的分析得出,河口地區(qū)地表水水體的鹽分補(bǔ)給來源于海水混合以及城市農(nóng)業(yè)污染，而淺層地下水的輸入則來自海水入侵以及降水、地表水的下滲補(bǔ)給。

表2 地表水對地下水的補(bǔ)給比例

4)海水混合與工農(nóng)業(yè)污染是驅(qū)動河口地區(qū)地表水演化的主要因素，在海水混合區(qū)，氫氧穩(wěn)定同位素組成和鹽度在空間上表現(xiàn)與鹽度呈現(xiàn)良好的相關(guān)關(guān)系。在地表混合區(qū)，人類活動貢獻(xiàn)了鹽分類型；海水入侵和地表污染物下滲則是驅(qū)動淺層地下水演化的主要因素。