膠州灣北岸不同水體水化學及氫氧同位素特征研究

馬健，黃勇，冀東，潘廣山，吳振，許春萌，劉明明

(1.山東省地質礦產勘查開發局第四地質大隊，濰坊 261021；2.山東省地礦局海岸帶地質環境保護重點實驗室，濰坊 261021；3.內蒙古國土資源勘查開發有限責任公司，呼和浩特 010020；4.青島市勘察測繪研究院，青島 266032；5.濰坊學院建筑工程學院，濰坊 261041；6.山東省海河淮河小清河流域水利服務中心，濟南 250014)

水是重要的自然資源，其化學組分受氣候、地形地貌、人類活動及水文地質條件等多種因素影響，在一定程度上能夠反映不同水體的形成和運移過程[1-2]。地表水和地下水具有密切的水力聯系，二者之間相互轉化，是陸域水循環的重要組成部分[3]。研究地表水和地下水的相互轉化關系，有助于合理開發利用水資源，對地表水與地下水污染協同防治和生態環境保護具有重要意義[4]。

在地表水—地下水轉換關系的研究中，氫氧同位素由于化學性質穩定的特點被廣泛應用[5]。許多學者通過對不同水體的水化學組成和同位素特征進行研究，揭示了水循環演化路徑，在對不同尺度流域下地表水—地下水轉化關系的研究方面取得了較好的效果[6-9]。馮瑞等[10]通過分析地下水化學組分和氫氧同位素，確定了飛鳳山固體廢物處置場地下水補給、徑流與排泄關系，揭示了處置場范圍內地下水的基本規律，其成果為處置場地下水截排工程提供科學依據。袁建飛等[11]通過分析西昌市南部典型區巖溶水、基巖裂隙水和地表水水化學組分和氫氧同位素特征，探討了地下水補給來源和徑流特征，識別了主要的水巖相互作用過程，研究成果對水資源開發利用具有借鑒意義。

膠州灣位于山東半島東南部海岸，集港口、旅游、外貿、輕紡、海洋科研等多種功能于一體，是黃海伸入內陸的優良天然港灣和青島發展的“搖籃”[12]。由于地理位置的特殊性，使其不僅屬于環境變化的敏感區域，也是生態系統的脆弱地帶[13]，因此，膠州灣地區的沉積環境演變歷來備受研究者關注[14-15]，但對其水化學和氫氧同位素特征研究較少。隨著膠州灣地區經濟社會的發展，研究區地表水和地下水資源開發利用程度增大，進而引發了海水入侵等生態環境問題。

為此，利用膠州灣北岸地區淺層地下水、河水及海水的水化學及氫氧同位素數據，對不同水體氫氧同位素和水化學特征進行研究，以期為膠州灣北岸地區的地表水和地下水資源的合理開發利用提供科學依據。

1 研究區概況

1.1 自然地理

研究區位于青島市紅島經濟區，南臨膠州灣，地形較平坦，長期接受沖積、沖洪積、洪積和海積作用，堆積物厚度一般10～20 m，局部達25 m以上。地貌按成因類型及形態特征分類屬于剝蝕丘陵、沖積平原和沖積-海岸平原區。

研究區內地表水主要由河流和人工改造水系組成。比較大的河流有洪江河、祥茂河及墨水河，主要人工改造水系有葫蘆巷和海月湖等。地下水的分布除受地層、構造等地質條件的控制外，還受大氣降水量、地形等自然因素的影響。地下水的來源主要由大氣降水補給、河流補給，其次為灌溉回歸補給。研究區地下水主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。其水力性質多為潛水，潛水面的形狀及徑流方向基本與地形一致，河流入海口附近易受海水流場影響。

1.2 水文地質條件

根據研究區含水巖組的分布特征、發育規模和發育特征，地下水類型主要劃分為第四系孔隙水和基巖裂隙水。

1.2.1 第四系孔隙水

研究區為濱海堆積平原，堆積物多為粉細砂、粉土及海相淤泥構成，富水性差，地下水主要為海水和大陸淡水混合形成，水位埋深0.5～10 m。水質為咸水，礦化度大于2 g/L。補給來源為大氣降水、上游徑流補給和地表水補給，排泄方式以蒸發和地下徑流排泄為主。

1.2.2 基巖裂隙水

研究區基巖裂隙水主要為噴出巖類裂隙水，風化帶為主要含水層，巖性以安山質凝灰角礫巖、集塊巖、安山玄武巖為主，風化裂隙發育不均勻，風化厚度30～45 m，涌水量一般小于100 m3/d。斷裂發育附近涌水量較大，水位埋深隨地形而異，受季節影響。

2 材料與方法

2.1 數據來源

采用的數據資料來自青島市勘察測繪研究院紅島灣新區海水入侵項目組，共選取水樣數據26組(圖1)，其中，淺層地下水18組(基巖裂隙水樣品6組、第四系孔隙水樣品12組)，河水樣品4組(祥茂河樣品2組、洪江河樣品1組、墨水河樣品1組)，膠州灣海水樣品3組。

圖1 研究區水文地質及采樣點位置

2.2 樣品采集

樣品采集時間為2020年8—9月，取樣采用500 mL聚乙烯塑料桶采樣，取樣時將取樣瓶用擬取水樣的水清洗2～3次。裝樣時留10～20 mL的空間，以防溫度改變將瓶塞頂開，造成水樣損壞或污染。取樣現場采用便攜式多參數水質儀對溫度、氧化還原電位、電導率等參數進行測定，填寫水樣標簽和水樣送樣單，并將水樣標簽貼于水樣瓶上。水樣取好后，蓋好瓶塞，用石蠟密封，防止漏水，及時送交試驗室。

2.3 分析方法

表1 采樣點主要成份測試結果

3 數據分析與討論

根據研究區水文地質條件，綜合運用統計學和Piper三線圖，分析不同水體的水化學特征和影響因素，并結合氫氧穩定同位素特征研究其補給來源和轉化關系。其中，水化學特征統計分析采用Excel和SPSS 21.0軟件進行，圖件利用MapGIS 6.7和Grapher 12軟件繪制。

3.1 水化學特征

3.1.1 水化學統計特征

表2 研究區水化學特征統計

3.1.2 水化學類型

Piper三線圖不僅能直觀反映不同水體中各離子組分含量及水化學特征，還能分析確定水體的水化學類型[16-17]。由研究區水化學Piper三線圖(圖2)可知，基巖裂隙水水化學類型以Cl-Ca和Cl-Na·Ca型為主，第四系孔隙水以Cl-Na和Cl·SO4-Na型為主，河水和膠州灣海水主要為Cl-Na型。由圖2可以看出，采樣點在菱形區域主要分為3個區域：基巖裂隙水分布區、第四系孔隙水與地表水混合區和第四系孔隙水分布區，這表明研究區地表水和第四系孔隙水水力聯系密切，存在明顯的轉化關系。此外，基巖裂隙水、第四系孔隙水沿Ca2++Mg2+軸依次分布，說明研究區第四系孔隙水受到了基巖裂隙水的補給。

圖2 研究區水化學Piper圖

3.2 氫氧同位素特征

3.2.1 河水、膠州灣海水和標準海水

由于全球海水處于長期流動狀態，標準海水的穩定同位素和主要化學組分相對穩定，δ2H值和δ18O值均為0，Cl-濃度為19 400 mg/L[18]。但對于海岸帶地區，受陸域河水排泄影響，海水的同位素數據及主要化學組分都會發生變化。膠州灣海水樣品的δ2H值范圍為-54.53‰～-30.36‰，δ18O值范圍為-7.24‰～-3.91‰，均低于標準海水的δ2H和δ18O值，說明膠州灣海水樣品受到了比海水δ2H和δ18O值都低的河水的混合影響。祥茂河、洪江河和墨水河采集樣品的δ2H值變化范圍為-74.23‰～-46.95‰，δ18O值為-9.91‰～-6.27‰，同位素數據整體較分散，說明不同河流河水成分具有差異性。

所采集的河水樣品、膠州灣海水樣品和標準海水樣品的δ2H-δ18O關系如圖3所示，實線為全球大氣降水線GMWL，其表達式為δ2H=8δ18O+10。可以看出，祥茂河河水δ2H和δ18O值明顯偏低且分布相對集中，距離大氣降水線較近，說明祥茂河河水的主要來源為大氣降水，這主要是由于取樣時處于雨季，降水頻繁，且入海河口處建有攔潮壩隔絕海水上溯所致。以祥茂河河水為一端元，標準海水為另一端元，而洪江河河水、墨水河河水和膠州灣海水處在中間，并且五者呈一條直線分布，說明洪江河、墨水河河水和膠州灣海水均為大氣降水與標準海水的混合水，這主要是由于潮汐作用影響，膠州灣的海水在高潮時沿墨水河和洪江河河道上溯造成，且墨水河河水受海水混合影響程度大于洪江河河水。

圖3 地表水δ2H-δ18O關系圖

膠州灣海水為河水和標準海水的混合水，按混合比例來說，以祥茂河河水(取平均值δ2H=-73.84‰，δ18O=-9.88‰)中混合的河水比例為100%，以標準海水(δ2H=0，δ18O=0)中混合的河水比例為0%，采用插值方法計算，則膠州灣海水樣品中S2混合的河水最多，約占73.56%，S3中混合的河水最少，約占40.35%[19-20]。

3.2.2 淺層地下水

為研究淺層地下水與大氣降水、地表水之間的關系，將研究區第四系孔隙水和基巖裂隙水氫氧同位素值投到δ2H-δ18O關系圖(圖4)上。可以看出，各采樣點均分布于大氣降水線的下方且整體分為呈線性關系的3個區域，即基巖裂隙水分布區、基巖裂隙水與第四系孔隙水混合區和第四系孔隙水分布區，表明研究區地下水主要補給為大氣降水，且基巖裂隙水和第四系孔隙水存在密切的水力聯系，第四系孔隙水接受基巖裂隙水的補給。基巖裂隙水樣品的δ2H值范圍為-62.82‰～-48.25‰，平均值為-54.67‰，δ18O值范圍為-8.70‰～-6.63‰，平均值為-7.53‰；第四系孔隙水樣品的δ2H值范圍為-53.48‰～-10.29‰，平均值為-36.51‰，δ18O值范圍為-7.62‰～-0.80‰，平均值為-4.75‰，第四系孔隙水δ2H和δ18O值與基巖裂隙水相比整體較為富集且偏離大氣降水線的距離較大，說明第四系孔隙水受蒸發效應較基巖裂隙水強烈。

圖4 淺層地下水δ2H-δ18O關系圖

(1)基巖裂隙水。從圖4可知，G1、G4樣品的δ2H和δ18O值較低且分布比較集中，說明這兩處裂隙水補給水源穩定，受大氣降水補給且補給路徑較短，使δ2H和δ18O組成貧化；G2、G3、G5和G6采樣點處于基巖裂隙水與第四系孔隙水混合區域內，δ2H和δ18O值富集且Cl-濃度相差較大，介于153～484 mg/L，說明其地下水來源除大氣降水外，還與第四系孔隙水存在水力聯系，受海水入侵的影響。

(2)第四系孔隙水。由圖4可以看出，第四系孔隙水δ2H和δ18O值差別較大，且分布范圍較離散，可能是由于第四系孔隙水部分采樣點距離地表水較近，受到地表水的滲漏補給影響所致；其全部水樣的δ2H和δ18O數據點相較于大氣降水線均向右偏離，存在不同程度的氧漂移現象，表明其在徑流過程中存在一定的蒸發作用。以基巖裂隙水(G1)為一端元，標準海水為另一端元，第四系孔隙水樣品處在中間位置，并且成直線分布，說明其地下水成因為大氣降水與海水的混合水，徑流過程中接受基巖裂隙水的補給并經歷過不同程度的蒸發作用。

蒸發作用的大小可以用氘盈余參數d(d=δ2H-8δ18O)來表征[21]。蒸發是影響氘盈余參數的一個重要因素，氘盈余參數主要受空氣相對溫度控制，其值越小，蒸發作用越強烈[22]。由表1數據計算可知，研究區第四系孔隙水氘盈余參數d值介于-4.78‰～8.3‰，平均值為1.51‰，遠小于全球大氣降水平均值(10‰)，表明第四系孔隙水徑流過程中蒸發作用強烈，個別點位氘盈余參數d接近全球大氣降水平均值，可能是受地表水體或基巖裂隙水補給所致。

4 結論

(2)研究區基巖裂隙水水化學類型以Cl-Ca和Cl-Na·Ca型為主，第四系孔隙水以Cl-Na和Cl·SO4-Na型為主，河水和膠州灣海水主要為Cl-Na型。Piper三線圖將水樣點分為基巖裂隙水分布區、第四系孔隙水與地表水混合區和第四系孔隙水分布區3個區域，表明研究區地表水和第四系孔隙水水力聯系密切，存在明顯的轉化關系。

(3)研究區祥茂河河水的主要來源為大氣降水；受潮汐作用影響，洪江河、墨水河河水為大氣降水與海水的混合水，且墨水河河水受海水混合影響程度大于洪江河河水；膠州灣海水為河水和標準海水的混合水，其中，祥茂河河口取樣點混合河水最多，約占73.56%。

(4)研究區基巖裂隙水來源除大氣降水外，還與第四系孔隙水存在密切的水力聯系，受海水入侵的影響；第四系孔隙水來源為大氣降水與海水的混合水，徑流過程中接受地表水體或基巖裂隙水的補給并經歷不同程度的蒸發作用。