丹東市地下水化學時空演變規律及成因分析

林 磊

(遼寧省丹東水文局,遼寧 丹東 118001)

地下水化學特征是指地下水的主要離子含量、pH值、電導率(EC)及礦化度(TDS),受人類活動狀況、水-巖作用進程、含水層介質特征及補給水類型影響,這是直接反映所處地質環境的重要參數[1]。

沿海地區經濟發展速度較快,人口規模和水資源消耗量大,受人類活動、鹽巖及海水等影響,土壤鹽漬化、地面沉降和地下水咸化等地質環境問題頻發,淡水資源短缺[2-6]。針對沿海地下水化學國內外學者開展了廣泛研究,如楊巧鳳等提出降水溶解蒸發鹽是咸水的主要形成原因;Qi等認為海水稀釋的鹵水為淺層咸水的主要組成部分。因此,沿海地區具有復雜多變的含水系統,系統分析地下水化學成因對,對掌握該地區水化學發展趨勢及現狀顯得非常重要。

丹東地處遼東半島東南部的鴨綠江畔,地下水受黃海海侵-海退及大洋河沖-洪積過程的影響形成相互疊層的淡水及咸水體,而已有研究較少涉及丹東市地下水化學時空演變特征及成因分析。因此,文章結合丹東市2011—2020年淺層地下水離子監測數據,采用離子比、Gibbs圖、Piper三線圖、Arc GIS空間插值、數理統計及相關性分析等方法全面分析其化學時空分布規律及成因,為掌握丹東市地下水化學演化趨勢及地下水合理開發、保護提供參考依據。

1 研究區概況

丹東市位于遼寧省東南部,南瀕黃海,總面積15222km2,海岸線長120km。本次研究區按行政分區為東港市和振興區,按流域分區屬鴨綠江干流及遼東沿海區域,地處E123°23′～125°43′,N39°43′31″～40°09′21″,該區屬于大陸性季風氣候,年均氣溫8～11℃,年日照時數2390～2592h,由于地形差異等因素的影響,降水的時空分布極不均勻,年降水量為893.0m。

研究區出露地層有第四系的松散堆積物和前震旦系的變質片麻巖類,侏羅系的安山巖、角礫巖、玄武巖、凝灰巖及震旦系的砂巖、枚巖、片巖。根據賦存條件可以將該區域地下水劃分成松散巖堆積物孔隙水、裂隙巖溶水和基巖裂隙水三大類。其中,以第四紀地層松散巖堆積物孔隙水為主,分布于刁家壩、廉家壩水庫下的大部平原區及東港市椅圈鎮至振興區安民鎮,椅圈一帶還有地下熱水分布。沖擊平原含水層厚度4～20m,巖性以礫石、砂卵石為主,表層為淤泥質亞黏土。南部、沼澤凹地、北部地下水埋深一般為0.5～1.5m、<0.5m、1.5～2.5m,個別地段>2.5m,受海潮頂托和降雨影響沿海一帶汛期地下水埋深接近地表。灌溉水與大氣降水為地下水補給來源,排泄方式有垂直蒸發及地下徑流,全區地下水流向與地表水總體一致,沿海平原自北向南流動。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

本研究網點布設共涉及3處常規地下水常規監測站和154處地下水代表井,2011—2020年每年對各監測井采集1次地下水樣,共采集1570個。地下水位觀測井點按水資源分區主要為鴨干(Ⅰ區),鴨～大(Ⅱ區)和大洋河(Ⅲ區),大～碧(Ⅳ區)。采樣前先對250mL聚乙烯瓶用樣品濕潤2～3次,然后使用65%HNO3酸化陽離子水樣,均勻混合后使水樣pH值<2,裝入瓶中封口密封,并移入冰箱(溫度4℃)保存,其中陰離子水樣維持原狀不做處理。地下水采樣、運輸、保存、檢測等符合《水質采樣技術指導》和《地下水質量檢驗方法》等相關規范要求。水樣的pH值、TDS使用玻璃電極法和稱量法測定,水樣的硝酸鹽、硫酸鹽及氯化物使用離子色譜法測定,水樣的鎂、鈣及鈉、鉀和重碳酸鹽使用EDTA滴定法、分光光度法與酸滴定法測定。

2.2 數據處理

對研究區地下水離子的標準誤差、最小值、最大值和均值利用SPSS22.0軟件進行統計分析。然后結合數據檢驗結果,對各離子均值使用反距離權重法做無偏差值,深入分析離子空間分布特征及其年際變化規律。根據Gibbs圖、離子比例系數圖、Piper三線圖和相關資料推測地下水化學控制因素及其成因,并進一步揭示其演變規律。

3 結果與分析

3.1 地下水理化參數

從表1可以看出,丹東市淺層地下水pH值位于7.00～9.15范圍,均值7.88,總體呈弱堿性,TDS位于280.12～24051.10mg/L范圍,均值2578.25mg/L。研究區地下水陽離子主要為Na+,Ⅰ、Ⅳ區排序為K+

表1 2011—2020年丹東市地下水理化參數值

續表1 2011—2020年丹東市地下水理化參數值

為明確研究區水化學類型運用舒卡列夫分類法進行分析,結果表明:Ⅰ區水主要分布于鴨綠江干流南部及低山丘陵區外圍,水化學類型為Na·Mg·Ca-SO4·HCO3·Cl和Ca-SO4·HCO3型;Ⅱ區主要分布于鴨～大兩岸,水化學類型為Na·Mg·HCO3·SO4和Na·Mg·HCO3型;Ⅲ區大部分處于咸淡水交界處,水化學類型較復雜主要為Na·Mg-Cl、Na·Mg-Cl·SO4、Na·Mg-Cl·HCO3型;Ⅳ區距海較近,主要位于齊家堡子、前陽鎮,水化學類型為Na-Cl、Na·Mg-Cl、Na·Mg-Cl·SO4型。總體而言,地下水化學類型從內陸的Ca-SO4·HCO3逐漸過渡到海的Na·Mg-Cl·HCO3、Na·Mg-HCO3·SO4型,近海除轉變成Na-Cl、Na·Mg-Cl型。

3.2 地下水化學時空變化

2011—2020年研究區地下水化學組分監測數據顯示各組分的年際變化較為明顯,在2012—2013年NO3-、SO42-、Cl-、Na+和TDS濃度明顯上升,2013—2020年呈波動下降趨勢,HCO3-濃度波動不斷上升,其最大值出現在2017。2013年地下水離子濃度明顯上升可能與區域海水入侵有關,地下咸淡水間的動態平衡受人類活動或自然影響發生破壞,海水入侵海水層使得沿海地下水TDS快速增大。

從空間分布格局上,2011—2020年研究區地下水各組分空間變異表現出一定方向性,其一致性較好,從陸向海SO42-、Ca2+、Mg2+、Cl-、Na+和TDS濃度增高,高值區位于大～碧段。從陸向海地下水離子濃度增加可能是由于潛水位埋深逐漸下降,沿海土壤積鹽及蒸發加重,在一定程度上脅迫植被的生長發育,植被減少導致蒸發量增加及地下水鹽化過程加劇,相應的離子濃度升高。研究期間NO3-濃度呈明顯變化特征,而人類活動產生的農藥化肥、廢物、廢水等是NO3-的主要來源,較強的人類活動提供了更多的NO3-來源,所以研究區NO3-濃度變化顯著。

3.3 地下水化學成因分析

3.3.1 水化學控制因素

將地下水化學組分控制因素按照Cl-/(Cl-+HCO3-)或Na+/(Na++Ca2+)與TDS的質量濃度比關系圖劃分成大氣降水、巖石風化和蒸發結晶。結果表明,Ⅰ、Ⅱ區地下水Na+/(Na++Ca2+)值位于0.10～0.98范圍,Cl-/(Cl-+HCO3-)值處于0.08～0.76范圍,由于Ⅰ、Ⅱ區內地層有火山碎屑巖、角礫巖和火山熔巖等,在風化作用和降水溶解下巖石被剝蝕成細小顆粒進入地下含水層,經長期演化、迭代成為主要來源,故巖石礦物風化是Ⅰ、Ⅱ區水化學環境的主要控制因素;Ⅲ、Ⅳ區地下水Na+/(Na++Ca2+)值位于0.21～0.96范圍,Cl-/(Cl-+HCO3-)值處于0.18～0.96范圍,由于距海較近,海水入侵對部分水樣造成影響使其表現出一定海水特征,但Ⅲ、Ⅳ區大部分水樣都位于蒸發結晶區,故蒸發濃縮是Ⅲ、Ⅳ區誰化學環境主要控制因素。因此,從陸向海淺層地下水化學控制類型由巖石風化型過渡到蒸發濃縮型,近海區存在一定海水特性。

3.3.2 離子來源

通過相關性分析可以明確地下水主要離子之間的相互關系及來源,其相關矩陣如表2所示。

表2 地下水化學離子相關矩陣

由表2可知,Mg2+、SO42-、Na+、Cl-與TDS之間的相關系數均>0.9,說明Mg2+、SO42-、Na+、Cl-在很大程度上決定了淺層地下水礦化度。有研究認為黃河三角洲地區的常見礦物資源及其表層沉積物中非黏土礦物的主要成分是NaCl和白云石、鈉長石,Mg2+、SO42-與Na+間以及SO42-、Mg2+、Na+與Cl-之間的相關性[11-14],故研究認為白云石、鈉長石和巖鹽等礦物的風化溶解可能是Mg2+、SO42-、Na+、Cl-離子的主要來源,而地下水中K+、Na+離子來源于蒸發巖鹽、硅酸鹽礦物溶解和大氣降水。

3.3.3 人為因素影響

為全面分析影響研究區地下水化學變化的因素,以城市化率、人口、GPD等經濟指標和淺層開采量、播種面積、生活污水、工業廢水為變量,采用SPSS22.0軟件進行相關性分析,如表3所示。

表3 地下水化學變化影響因素

由表3可知,各經濟指標與SO42-、Ca2+、Na+、TDS之間不相關(P<0.05),城市化率與Mg2+、Cl-之間呈正相關(P>0.05);人口與HCO3-呈極顯著正相關(P>0.01),播種面積、城市化率、GDP與HCO3-呈正相關(P>0.05),淺層開采量與HCO3-呈負相關(P>0.05);城市化率與NO3-呈極顯著正相關(P>0.01),人口、GDP與NO3-呈正相關(P>0.05),淺層開采量與NO3-呈顯著負相關(P>0.01);播種面積、人口與pH值呈極顯著負相關(P>0.01),城市化率、GDP與pH呈顯著負相關(P>0.05)。

人類活動對NO3-、Cl-的影響較大,故居民生活污水集中排放與NO3-、Cl-濃度變化有關。城市化率與、Cl-之間呈顯著正相關(P>0.05),這與現有研究成果保持一致,說明人為因素對NO3-、Cl-的年際變化影響顯著,且NO3-及Cl-的受影響程度隨城市化率的增加而增大;淺層開采量與地下水NO3-、HCO3-呈負相關(P>0.05),NO3-與HCO3-含量隨著開發量的減小逐漸升高,這是由于地下水位隨開采量的減少而升高,上部含水層中污染物及其它可溶鹽蒸發濃縮及淋溶作用加強,從而提高了NO3-與HCO3-含量。農業播種面積、人口與pH值呈極顯著負相關(P>0.01),說明淺層地下水pH值隨農業播種面積及人口的增加明顯減少,這是因為加大耕地植物生產量會提高土壤中CO2含量和有機酸來源,從而導致使得pH值減少。

4 結 論

1)研究區地下水主要是微咸水,總體呈弱堿性,陰陽離子以Cl-和Na+為主,地下水化學類型從內陸的Ca-SO4·HCO3逐漸過渡到海的Na·Mg-Cl·HCO3、Na·Mg-HCO3·SO4型,近海除轉變成Na-Cl、Na·Mg-Cl型。

2)從年際變化上,2012—2013年NO3-、SO42-、Cl-、Na+和TDS濃度明顯上升,2013—2020年呈波動下降趨勢,地下水各組分空間變異表現出一定方向性,其一致性較好,從陸向海SO42-、Ca2+、Mg2+、Cl-、Na+和TDS濃度增高,高值區位于大～碧段。

3)從陸向海淺層地下水化學控制類型由巖石風化型過渡到蒸發濃縮型,近海區存在一定海水特性。白云石、鈉長石和巖鹽等礦物的風化溶解可能是Mg2+、SO42-、Na+、Cl-離子的來源,而地下水中K+、Na+離子來源于礦物溶解和大氣降水。