文登區淺層地下水化學演化與海水入侵研究

郭明華 ,王 敬 ,戴長國 ,蔣 雷 ,張浩清,柳 超

(1.山東省第六地質礦產勘查院,山東 威海 264209; 2.山東省深部金礦探測大數據應用開發工程實驗室,山東 威海 264209; 3.山東省地礦局深部金礦勘查評價重點實驗室,山東 威海 264209; 4.青島理工大學環境與市政工程學院,山東 青島 266011)

海水入侵是由于自然或人類活動打破地下水咸淡水之間的動態平衡導致海水侵入濱海含水層的現象[1]。國內外學者常用解析法[2-4]和數值模擬法[5-7]研究海水入侵機理。但含水層的海水入侵現狀直接影響著海岸帶地下水資源的利用以及相關政策的制定,因此本研究重點在區域地下水的海水入侵現狀評價及其水化學演化。

Piper三線圖是常用的表示地下水化學組成的工具,廣泛地應用在地下水化學分析中[8-10]。但海水入侵是一個動態過程,Piper圖無法表示水化學類型變化的動態過程。水化學相演化圖(hydrochemical facies evolution diagram,HFE-D)把海水入侵過程中地下水的化學演化分為淡化階段和咸化階段,既能反映地下水的化學組成,又能清晰地反映海水入侵過程中的水化學演化所處的時期,能更直觀地描述水化學演化這一動態過程。HFED由Giménez-Forcada[11]提出,各國學者運用 HFE-D分別評價了意大利[12]、黃河三角洲地區[13]、伊朗[14]、印度[15]、西班牙[16]、越南[17]的地下化學演化,但HFE-D無法反映區域的海水入侵情況。

在對區域海水入侵現狀的評價中,Cl-、總礦化度TDS(total dissolved solids,TDS)是常用的化學指標。單一指標法[18]或幾種化學指標按照一定方法的組合[19]是評價海水入侵程度常用的方法。近年來,通過硼、鍶[20,21]、鋰[22]的同位素反映海水入侵問題也成為了研究熱點。但是海水在侵入含水層的過程中會發生一系列的水文地球化學反應: 咸淡水間的正向陽離子交換[23]、水巖之間反向陽離子交換[24]、 碳酸鹽溶解[25]等。因此,直接運用化學指標無法全面客觀地評價海水入侵問題。TOMASZKIEWICZ[26]等提出了海水入侵地下水質量指數 (groundwater quality index for seawater intrusion,GQISWI),把海水入侵過程中的各種地下水化學類型轉換成數值(0～100)。該方法雖然考慮了海水入侵過程中復雜的水文地球化學反應,但能直接用分數評價海水入侵程度,比單一指標評價法更全面,比數值模擬更簡便。TRABELSI等[27]運用 GQISWI評價了突尼斯海岸帶含水層的海水入侵程度; AYED[28]等運用GQISWI評價了突尼斯東南沿海含水層的海水入侵情況; LOTFATA等[29]運用GQISWI評價了美國海岸帶地下水的水質。

為確定研究區地下水的化學類型及其動態演化、評價研究區的海水入侵現狀、針對研究區離子濃度并結合經緯度坐標利用反距離加權插值算法并結合滲透系數對研究區域海水入侵程度進行劃分,作者采用HFE-D和 GQISWI共同分析海岸帶地下水的海水入侵現狀,兼顧了水化學組成的動態演化和區域海水入侵的現狀評價,為研究區地下水資源的開發利用提供了參考,也確定了海水入侵防治措施在該區域的必要性。另外,在國內文獻中尚未找到 HFE-D和 GQISWI的應用案例,本文為國內其他地區的海水入侵研究提供了參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概

本文選取山東省威海市文登區為研究對象。該區域面積 1 615 km2,南鄰黃海,屬于溫帶大陸性季風氣候。研究區降水總量少且分布不均,夏季降水約占全年70%。文登全區河流均為雨源型河流,在枯水季,除幾條主要河流中下游有很小徑流外,大都斷流。文登區地下水屬于淺層地下水,埋深 3～10 m。在溝谷中以裂縫下降泉的形式露出并進入河道,是區域內地表水在枯水期的主要補給水源。

母豬河是文登區內最大河流,其上游的米山水庫是區域主要的水源地,但這還無法完全滿足工農業和境內58萬居民的用水需求。因此,文登區對地下水依賴程度較大,同時人口增長也帶來更高的用水需求,這會導致地下水超采從而增加海水入侵風險。文中水質和地質數據源于山東第六地質礦產勘察院的 46個地下水監測井的鉆井數據(2013年—2014年)。本文用虛線把文登區劃分為南北兩部分,其中,小觀鎮、澤頭鎮、宋村鎮、侯家鎮和澤庫鎮屬于南部沿海區域,各鄉鎮及監測井位置如圖1所示。

圖1 監測井位置圖Fig.1 Location of monitoring wells

1.2 水化學演化圖

HFE-D的計算過程涉及的陽離子有 Na+、K+、Ca2+、Mg2+,陰離子有、、Cl-、。海水入侵中水文地球化學過程復雜,在簡化復雜過程時忽略了一些次要過程,因此 HFE-D的繪制過程只考慮占比最大的Na+、K+、Ca2+、、Cl-、。其中 Mg2+、K+不在圖中展示,僅在計算中使用。另外和均可代表淡水,在圖中表示一個指標即可[11]。本文選取作為淡水中的特征陰離子。

HFE-D中橫軸代表Ca2+和Na++K+濃度在總陽離子濃度中的百分比; 縱軸表示和 Cl-濃度在總陰離子濃度中的百分比。HFE-D把含水層發生海水入侵時的水化學演化分為侵入期和恢復期,分別表示咸化過程和淡化過程。在侵入期,Ca-HCO3型淡水在咸化的過程由于反向陽離子交換,先形成中間態的Ca-Cl型水,再逐漸演化成Na-Cl型海水,整個侵入期包括淡水與咸水的初始混合過程(Ⅰ)、反向陽離子交換過程(Ⅱ)、后期混合水徹底咸化過程(Ⅲ)。淡水恢復期時,Na-Cl海水與淡水混合生成過渡態的Na-型水,最終逐漸恢復成 Ca-HCO3型淡水,整個恢復期包括咸水與淡水初始混合過程(Ⅰ′)、正向陽離子交換過程(Ⅱ′)、后期混合水徹底淡化過程(Ⅲ′)。除了以上提到的淡水Ca-HCO3、海水Na-Cl、反向陽離子交換地下水Ca-Cl、正向陽離子交換水Na-HCO3,在HFE-D中,用“Mix”表示圖中百分比小于50%的離子,即圖2中的混合過程,完整的 HFE-D(圖2)中各分區的水化學組成分別是:

1: Na-HCO3,2: Na-MixHCO3,3: Na-MixCl,4:Na-Cl,5: MixNa-HCO3,6: MixNa-MixHCO3,7:MixNa-MixCl,8: MixNa-Cl,9: MixCa-HCO3,10:MixCa-MixHCO3,11: MixCa-MixCl,12: MixCa-Cl,13:Ca-HCO3,14: Ca-MixHCO3,15: Ca-MixCl,16: Ca-Cl。圖2中的混合線把水化學演化分為淡化和咸化過程,由監測數據中最接近100%Ca-HCO3和100%Na-Cl的點連接而成[23]。另外為了更清楚地表示水化學演化,HFE-D省略了坐標軸0～33.3%的部分。

圖2 水化學演化圖HFE-DFig.2 Hydrochemical facies evolution diagram

1.3 海水入侵地下水質量指數GQISWI

GQISWI是由地下水中各離子的濃度(meq/L)計算出的分數,能直接反映地下水的咸化程度。GQISWI考慮到海水占比和Piper圖。海水占比按照下式計算:

式中,各參數分別表示水樣,淡水和海水中的氯離子濃度(meq/L),可用0 meq/L和566 meq/ L分別表示淡水和海水中氯離子濃度[26]。為確保該分數值域在 0～100,做如下處理:

海水入侵過程中的陽離子交換會引起其他一系列的水文地球化學反應,如陽離子交換,方解石溶解,硫酸鹽還原等,涉及的離子有 Na+,K+,Ca2+,Mg2+,,Cl-,。Piper圖能相對全面地表示地下水的化學組成,在GQISWI中,根據海水入侵中各水文地球化學過程把Piper圖分成6個區域(圖3)[26],Ⅰ到Ⅵ分別表示 Ca-HCO3,Na-Cl,Ca-Na-HCO3,Ca-Mg-Cl,Ca-Cl,Na-HCO3型水[26]。Ca-HCO3型水是最高分100分代表淡水,Na-Cl水是最低分0分代表海水。GQIPiper是對地下水Piper圖的數值解釋,運用各離子濃度(meq /L)計算GQIPiper的方法見下式[26]:

圖3 Piper圖中GQIPiper(mix)和 GQIPiper(dom)的分區Fig.3 Domains of GQIPiper(mix) and GQIPiper(dom) in Piper diagram

在計算 GQISWI時使用到的是 GQIPiper(mix),Piper圖中其他過程用GQIPiper(dom)表示[26]。fsea能簡捷地評價當前海水入侵程度,但其僅僅考慮了氯離子濃度,并未考慮到海水侵入過程中復雜的水文地球化學反應。Piper圖能直觀地表示地下水的水文地球化學過程,但無法量化海水入侵程度。GQISWI把兩種方法結合起來,讓兩種方法優勢互補,計算方法如下[26]:

1.4 數據獲取

本研究所采用的數據均來自威海文登區地下實地勘測的離子濃度真實數據,離子主要包括 K+、Na+、Ca2+、Mg2+、、、Cl－,利用反距離加權插值(inverse distance weight,IDW)算法并結合滲透系數對數據進行擴充處理,IDW 算法是非規則分布點變成規則分布點常用的網格化方法之一。經過插值處理之后,最終的輸入數據共有900條,本研究擬對所有輸入數據進行水化學演化和海水入侵現狀分析討論。

2 結果與討論

2.1 水化學演化

用Piper三線圖表示文登區地下水的化學組成(圖4)。按照 GQISWI中對 Piper圖中水化學類型的劃分,文登中北部地區地下水多為 Ca-Mg-Cl型,部分地區為 Ca-HCO3型,結果表明該區域地下水以淡水為主; 南部由 Ca-Mg-Cl型水和 Na-Cl型水組成,其中Na-Cl型水多位于澤庫鎮和宋村鎮等沿海地區,結果表明以上區域含水層中海水占據了主導地位。

文登區地下水HFE-D如圖5所示。南部沿海地區的地下水多為 Na-Cl型海水,表明沿海地區地下水已經完成了從淡水到海水的演化,發生了嚴重的海水入侵現象。南部內陸地區多數位于混合線以下,表明該區域地下水正處于海水侵入階段,并且多數地區地下水已經完成由Ca-HCO3型向Ca-Cl型的演化,正在由Ca-Cl型向 Na-Cl型演化。HFE-D圖隱藏了坐標軸 0～33.3%段各離子濃度相對均衡的區域,導致文登北部部分地區的低礦化地下水未能在圖中展現,但圖5表明北部地區依舊有很多 Ca-Cl型水,這表明文登內陸地下水也完成了由Ca-HCO3型水向 Ca-Cl型水的演化,沿海地區的咸水有向內陸擴散的趨勢。另外,由圖4和圖5可知研究區只有極少數地區表現為Na-HCO3型水,表明研究區咸水并沒有明顯的淡化趨勢,可能的原因是文登區地下水補給不足。

圖5 文登區地下水HFE-DFig.5 Hydrochemical facies evolution diagram of Wendeng District

圖5中的斜線為保守混合線(conserve mixing line),該線為研究區域內咸化和淡化過程趨勢的分界軸,位于保守混合線上的點為基礎指數 50,即代表該點位沒有明顯的淡化或咸化過程趨勢。之后按照該研究區域內 900條數據的淡化和咸化過程趨勢進行距軸計算,即在基礎指數 50上進行相應的加減分計算,最終得到 HFE-D指數分布圖,如圖6所示。

HFE-D指數越高的區域表示該區域內淡化過程趨勢越強,HFE-D指數越低的區域表示該區域內咸化過程趨勢越強。由圖6可知研究區大部分區域的HFE-D指數在 50左右,說明研究區大部分區域沒有明顯的淡化或咸化過程趨勢,處于相對平衡狀態。研究區 HFE-D指數北部區域高于南部區域,說明研究區南部區域存在較為明顯的咸化過程趨勢。圖6中宋村鎮西部存在一個明顯的淡化過程趨勢區域,該區域位于母豬河、東母豬河交匯區域,該區域存在河道較寬、滲透系數較高的情況,因此大量淡水的流入會稀釋海水入侵后的水源,進而降低水中的含鹽度。另外研究區北部 HFE-D指數文登營鎮區域小于研究區其他區域,主要可能原因有兩點: 首先HFE-D未考慮天然地表水離子濃度的影響,文登營鎮區域天然地表水Cl-濃度較高; 其次文登營鎮西部為文登區主城區,東母豬河流經文登區主城區且該河流兩側建有材料、機械、環保設備等工廠,部分生產污水對地表水離子濃度產生一定影響,且人類活動導致形成隔水層,導致地下水難以得到充足的地表淡水補充,進一步導致相關離子濃度升高。

圖6 水化學演化HFE-D指數分布圖Fig.6 Distribution diagram of Hydrochemical facies evolution diagram index of water chemical evolution

2.2 海水入侵現狀

利用 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、、、Cl-的插值結果計算得到研究區的GQISWI分布,見圖7。結果表明研究區 GQISWI整體上從北到南逐漸降低,中部和北部地區 GQISWI多數在 80以上,地下水以Ca-HCO3和Ca-Cl類型為主。南部沿海地區的GQISWI多在60以下。其中,小觀鎮、侯家鎮、澤庫鎮和宋村鎮的部分地區 GQISWI低于 10,地下水化學類型以Na-Cl型為主。

由圖7可知研究區自南向北海水入侵現狀逐漸減緩,研究區南部的小觀鎮和澤庫鎮 GQISWI指數極低,屬于海水嚴重入侵區域。宋村鎮 GQISWI指數相對較低,屬于一般程度海水入侵區域。根據相關離子指數分布和GQISWI計算預測研究區南部的澤頭鎮和侯家鎮 GQISWI指數中等,應為輕度海水入侵區域,后期將通過進一步的監測數據采樣,驗證澤頭鎮和侯家鎮的海水入侵情況。

圖7 海水入侵現狀: GQISWI分布圖Fig.7 Status map of seawater intrusion: distribution of GQISWI

另外,從 GQISWI指數分布圖可知,文登營鎮及西側區域 GQISWI指數較高,說明海水入侵程度很輕微,這與圖6的結果產生一定的矛盾。這是由于在GQISWI指數計算的時候,考慮了地表淡水的天然離子濃度影響,說明 GQISWI指數法更能全面客觀地表述海水入侵現狀的情況。

3 結論與建議

Piper三線圖和 HFE-D結果表明文登區中北部地下水為Ca-Mg-Cl和Ca-HCO3型淡水; 南部沿海地區是Ca-Mg-Cl和Na-Cl型水,部分地區海水主導。HFE-D表明文登南部沿海地區地下水已經完成了由淡水到海水的演化,由于淡水補給不足,并且沒有明顯的淡化趨勢。南部內陸和部分北部地區地下淡水也多處于海水入侵期,因此咸水有進一步向北部內陸擴散的趨勢。由GQISWI分析結果可知研究區南部小觀鎮和澤庫鎮 GQISWI指數極低,屬于嚴重海水入侵區域; 宋村鎮 GQI指數相對較低,屬于一般程度海水入侵區域,根據相關離子指數分布和 GQISWI計算預測研究區南部的澤頭鎮和侯家鎮GQISWI指數中等,應為輕度海水入侵區域。 基于得到的海水入侵現狀圖取得了同樣的結果,傳統方法單純使用 Cl-和TDS插值計算并且使用單一指標評價。GQISWI則運用了Na+、K+、Ca2+等7種離子,這些離子都是海水入侵中發生的水文地球化學反應中涉及的離子,因此 GQISWI更能反映海水入侵現狀。此外 GQISWI考慮了海水入侵過程中一系列水文地球化學過程,因此它比一般化學指標評價法更全面客觀。HFE-D是能反映海水入侵這一動態過程的方法,能根據地下水中占主導的離子判斷該地區地下水的淡化或咸化趨勢。GQISWI和HFE-D這兩種方法結合既能全面客觀地評價海水入侵現狀,又能判斷出海水入侵的動態變化過程。研究結果有助于文登區確定地下水的開采策略和海水入侵的防治措施。HFE-D和GQISWI的應用為國內其他地區的海水入侵評價提供了參考。