長江口北翼海濱地區(qū)海水入侵的地球化學特征初步研究

喬吉果，龍江平，許冬，周根元，翟萬林

（1.國家海洋局海底科學重點實驗室 國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.國家海洋局東海預報中心，上海 200081）

長江口北翼海濱地區(qū)海水入侵的地球化學特征初步研究

喬吉果1，龍江平1，許冬1，周根元2，翟萬林1

（1.國家海洋局海底科學重點實驗室 國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.國家海洋局東海預報中心，上海 200081）

利用2009年2月和8月兩次在長江口北部濱海地區(qū)地下水調查取得水化學數據，綜合運用數理統(tǒng)計法、Piper三線圖法,分析長江口北翼濱海平原海水入侵區(qū)淺層地下水的地球化學特征，識別不同季節(jié)淺層地下水水化學類型的特征。研究結果表明：（1）研究區(qū)地下水主要靠大氣降水及地表水體滲透補給，季節(jié)變化對區(qū)域內地下水水化學空間變異性影響較大。（2）Na+、K+、Cl-變異系數較大，而 HCO3-、CO32-絕對含量大，它們是決定海濱海水入侵地區(qū)地下水水化學類型的主要離子。（3）由陸向海方向，區(qū)域內水化學類型由主要從Mg-Ca-HCO3、Na-Mg-HCO3型經Mg-Ca-HCO3-Cl、Na- HCO3-Cl型向Na-Cl-SO4、Na-Cl型演變；大氣降水、水-巖離子交換、殘存海水上移、海陸地下水交互作用是控制地下水演變的主要因素。

濱海地區(qū)；海水入侵；水化學特征；長江口

Abstract: According to the investigation of water chemistry data in the northern coastal region of the Yangtze River Estuary both in August and February of 2009 by Second Institute of Oceanography, through comprehesively using the mathematical statistics method and the Piper Method，the paper completely analyzed the chemical characteristics of shallow groundwater in the Yangtze River Estuary, North Wing，and identified the water chemistry of shallow groundwater impact in different seasons.The results show that: (1) groundwater mainly depends on the supply of precipitation and surface water infiltration recharge；seasonal changes has greater impact on the spatial variability in water chemistry of groundwater in the region of the study area.(2) Na++ K+, Cl-has greater coefficient of variation， but HCO+COhas absolutely content in large, and they are all to determine major ion water chemistry types in the coastal seawater intrusion of groundwater.(3) from the coastside to land， the chemical type of water mainly turns from the Mg-Ca-HCO3, Na-Mg-HCO3type by Mg-Ca-HCO3-Cl, Na-HCO3-Cl type to Na-Cl-SO4, Na -Cltype evolution; atmospheric precipitation, water - rock ion exchange, residual water moving and the interaction of groundwater and sea are the main factors controlling the evolution of groundwater.

Keywords: coastal areas; seawater intrusion; chemistry characteristics; the Yangtze River estuary

世界上的濱海地區(qū)幾乎都是人口高度密集區(qū)。據估算，全球 2／3的人口集中在濱海地區(qū)，大量的用水需求對地下水資源造成了巨大的壓力。由于人類過量開采地下水，使淡水與海水之間的平衡狀態(tài)遭受破壞，結果導致海水或與海水有直接動力聯系的高礦化度地下水沿含水層向陸地方向運移，使咸淡水界面不斷向陸地方向移動，從而使淡水資源咸化[1-2]。目前世界上很多國家沿海地區(qū)均發(fā)現有不同程度的水質咸化問題，給當地居民生活用水及經濟發(fā)展造成極大危害[3-5]。長江口北翼濱海地區(qū)是中國較早發(fā)現海水入侵現象的沿海地區(qū)之一[6-8]，研究區(qū)皆為第四紀松散堆積物，堆積物成因以淺海三角洲、河湖相為主，并夾雜有淺海沉積物。地勢呈現西北高東南低，有啟海平原區(qū)、通呂水脊區(qū)和馬蹄形海積平原區(qū)組成[9-11]（圖1）。11世紀初，研究區(qū)大部分處在海平面之下（圖1），不斷接受長江和黃河沉積，逐漸形成現今海積地貌。研究區(qū)地面高程一般為2～4 m，每逢特大洪水及潮汛往往使廣大地區(qū)置于高潮位之下；每年都有 4～5個月經受咸潮入侵[8、12]。研究區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和，雨量適中，每年的5～10月為豐水季節(jié)[12]，在全年降水量的80%左右，圖2顯示2000年至2008年各月平均降雨量[13]。隨著近幾年社會經濟發(fā)展，沿海地區(qū)地下水開采量日益增加及地表水質污染，致使區(qū)域水質咸化程度加劇。三峽工程建設后，河水流速減緩，使河流水頭壓減小，使海水沿長江口向內上溯，使地下水質咸化，嚴重影響社會經濟發(fā)展和人民生產生活[8]。本文選擇長江口北翼濱海區(qū)為研究對象，依據國家海洋局第二海洋研究所2009年2月和8月兩次在該區(qū)57孔民用井采取水樣分析結果，重點探討濱海地區(qū)枯水期（2月）和豐水期（8月）地下水水化學特征及變化規(guī)律，為該區(qū)地下水利用和保護提供科學依據。

1 水樣采集與方法

1.1 采樣方法

2009年2月、8月對長江口北濱海地區(qū)進行淺層地下水水質調查，篩選出 57口民用井進行水質取樣(圖1)，各井點基本上都為20世紀90年代后開挖的民用井，井深多為4～6 m。TDS現場采水樣進行測定，樣品在2天內采集完。用500 mL的聚乙烯瓶為采樣瓶，采樣瓶在取樣前用蒸餾水清洗，再用所采水樣潤洗2-3次，用孔徑0.45 μm的濾膜過濾后送至國土資源部杭州礦產資源監(jiān)督檢測中心進行水化學離子分析,基本上在2-3天內完成水樣測試。

圖1[9]長江口北翼濱海地區(qū)井點位置Fig.1[9]Location of the well in the coastal region of the northern changjiang

圖2 2000年-2008年各月平均降雨量Fig.2 Average monthly rainfall distribution for study area from 2000 to 2008

1.2 測試項目、分析方法

測試項目包括：K+、Na+、Mg2+、Ca2+、、、、、Cl-和總溶解固體量(TDS)。其中：K+、Na+測試方法為火焰原子吸收分光光度法，精密度（K+±1.63%；Na+±0.58%）；Mg2+，Ca2+測定運用TU1810紫外可見分光光度計測定；、、、運用Leeman Prodigy全譜直讀光譜儀（4001-D）測定；Cl-濃度測試方法為硝酸銀滴定法；TDS現場運用DDBJ-350型便攜式電導率儀現場測定，精密度為±1.0%。所有離子檢測依據地下水質檢驗方法DZ/T0064（1-80）-93標準進行。檢測溫度控制在25℃，檢測濕度在50% RH。

2 結果與討論

2.1 濱海地區(qū)地下水水化學特征

變異系數（Cv）是通常用來表征水文變量長期變化的穩(wěn)定程度。通常認為變異系數 0≤Cv≤10%時為弱變異，10%＜Cv≤100%為中等變異，當Cv＞100%為強變異[14]。通過對 2009年枯水季（2月）和豐水季（8月）地下水水樣有關水化學值進行統(tǒng)計特征分析（表1），結果表明：(1)無論是枯水季節(jié)還是豐水季節(jié)，Ca2+、Mg2+絕對含量較低，而Na++K+絕對含量很高，占據陽離子總量60%以上；Cl-、+絕對含量很高，是區(qū)域內主要陰離子，反應了濱海地區(qū)除了受陸地淡水系統(tǒng)影響外，還受海水入侵影響?？菟靖麟x子濃度值均大于豐水期離子值，可能由于降雨量不同造成的（圖2）；2009年2月份降雨量為20.6 mm，8月份降雨量為151 mm，加上區(qū)域內由西北向東南傾斜的地勢，濱海地區(qū)淺層地下水離子濃度在地表徑流作用下快速被稀釋，相對豐水季（8月）含量降低。季節(jié)變化對淺層地下水水化學濃度含量影響較大。（2）Mg2+、Ca2+、、+變異系數相對較小，反應它們在含水層中含量相對穩(wěn)定，同時也說明地下水咸化作用也較弱。+平均值為601.39 mg/L，標準差146.30 mg/L，而變異系數Cv只有24.33%，說明它在潛水中絕對含量較大，應作為淺水層主要陰離子。Na++K+、Cl-變異系數較大，反應它們在淺層水中含量變化大，是水體中對環(huán)境變化較為敏感的因子，是決定區(qū)域內水體咸化的主要因子。（3）淺層地下水TDS變異系數較大，說明水體中溶解物質含量變化較大。枯水期值大豐水期，反應它們在季節(jié)變化過程由于受降雨及含水層介質等因素影響。（4）一般情況下，純海水各個組分濃度含量基本穩(wěn)定，海水中濃度比為 0.0467，而該地區(qū)枯水季濃度平均值為0.2658，豐水季為0.3412，高濃度主要分布通州和呂四井點。S元素可能由于微生物循環(huán)造成，也有可能是由于人類生產生活污染造成的。濃度高低常用來做為地下水是否受人類活動影響造成地下水污染指標[15]。異常高的濃度值主要出現在呂四及通州區(qū)內靠近海岸的井點。高濃度的值表明這些井點附近受到禽畜污水、化肥等污染源污染。（5）運用Cl-為指標，判斷該地區(qū)內水質好壞?？菟荆?月）Cl-平均值459.83 mg/L,標準差618.90 mg/L。雨季平均值為328.33 mg/L，標準差471.61 mg/L，枯水季水質差于豐水季，主要受降雨影響。

表1 監(jiān)測井2009年2月和8月地下水水化學參數統(tǒng)計特征值Tab.1 Statistics eigenvalue of hydrochemical parameters of shallow groundwaters during the low - high water

2.2 濱海地區(qū)地下水離子水化學相關性分析

相關分析是研究兩組變量間相互關系的一種數理統(tǒng)計方法[16]。相關系數是測定變量間相互依存程度的統(tǒng)計指標。本論文運用SPSS軟件分析了2009年枯水期（2月）和豐水期（8月）研究區(qū)淺層地下水水化學參數，得到Pearson相關系數矩陣（表2）。分析結果表明：（1）研究區(qū)枯水季中Na++K+、Mg2+、Cl-與 TDS之間相關性較高，Ca2+、與 TDS相關性較低。豐水期除了 Mg2+、+與 TDS相關性較大外，其余離子與TDS相關性均較小。它們之間相互關系幾乎無規(guī)律可循。主要原因是由于淺層地下水直接與外界環(huán)境相連接，處于一個相對開放的水體系統(tǒng)。除了受大氣降水、地表徑流、含水層巖性、孔隙度等自然因素影響外還受人工活動影響?？菟竟?jié)降雨量減少，同時河流入海徑流量減少，導致地下水補給量不足，致使海水向陸入侵，加劇該地區(qū)淺層地下水水質咸化。（2）無論枯水期還是豐水期，Cl-和地下水主要離子 Na++K+、Mg2+、呈較強的相關性，表明該地區(qū)地下水化學成分明顯受到海水入侵影響。Na++K+與Ca2+較差的相關性，主要是由于該地區(qū)正處于濱海海陸交界處，長期受海水和陸地淡水相互作用，很容易受外界環(huán)境影響造成含水層中水—巖離子發(fā)生交換[17]。當海水入侵到淡水含水層中時，陽離子按照下列模式發(fā)生交換，即Na++1/2Ca-X2 Na-X+1/2 Ca2+，陸淡水主要是通過 Ca2+使粘土和礦物顆粒上的負電荷達到飽和，而海咸水主要是通過Na+使粘土顆粒上的負電荷達到飽和。這些反應過程幾乎是瞬時完成的。當淡水被海咸水取代時，固相放棄了吸附的Ca2+,部分的Mg2+,而用Na+或K+來代替[18-19]。也就是說，在淡水被海咸水代替時海咸水硬度升高了。而當海咸水被淡水取代時，固相放棄了吸附的Na+，被Ca2+和Mg2+所替換，這樣淡水失去了Ca2+和Mg2+，海水入侵過程中陽離子交換基本是這樣完成的。用T= Cl/HCO3來判斷地下水是否受到海水入侵影響[18，20]，本文根據2月份數據進行海水入侵程度分類，T值范圍在0.1-4.0之間，與濃度有較強的線性相關（圖3）。將0≤T≤0.5為不受影響區(qū)，0.5≤T≤6.6為輕微影響區(qū)，T≥6.6為嚴重影響區(qū)[18,20]。該地區(qū)65%井點T值小于0.5，屬于不受海水影響區(qū)；35%值介于0.5～6.6之間，屬于海水輕微影響；并沒有出現大于6.6值。結果表明濱海地區(qū)大部分地下淡水和海水之間并無明顯交互現象。依據我國生活飲用水衛(wèi)生標準（GB5749-85）和農田灌溉水質標準（GB5084-92）均要求氯化物含量不高于 250 mg/L[21～23]做標準判定是否遭受海水入侵，根據此標準，將有40%的井點受到海水入侵影響，其中1%左右井點屬于嚴重影響, 基本都分布在距海岸最近地區(qū)。

圖3 2月份淺層地下水 Cl-/HC比率與Cl-濃度關系Fig.3 Ionic ratio of Cl-/HCversus Cl-concentration in the groundwater in February

2.3 濱海地區(qū)地下水文化學特征變化規(guī)律

天然水域地下水化學特征主要由溶解、水—巖離子交換、水—氣交換等因素決定。而靠近海岸帶的濱海海水入侵地區(qū)，除了受以上因素影響外，還受到海水影響，海水侵染地下水系統(tǒng)，造成陸地淡水水頭壓發(fā)生變化，使沿海地區(qū)地下水系統(tǒng)遭受污染。從陸向海延伸過程地下水離子類型有如下變化規(guī)律：地下水由淡逐漸咸化，地下水系統(tǒng)中最明顯的特征是水體中Cl-含量急劇增加[24]。另外Mg2+和在海水中含量也是比較高的，濱海地區(qū)地下水受海水入侵影響相應的Mg2+和SO42-含量增高。根據淺層地下水水化學類型Piper圖（圖3，圖4）。從圖中可以清晰的看出，①枯水期+毫克當量百分數多集中在 10%～80%之間，Cl-毫克當量百分數分布在 10%～80%之間，并有兩部分集中分布，一部分集中在 20%～40%，另一部分在70%～80%左右。毫克當量百分數大部分少于20%。在豐水期（8月），+毫克當量百分比在 20%～70%之間，Cl-毫克當量百分數介于10%～80%之間，沒有明顯的兩個相對集中區(qū)；毫克當量百分數介于 0～40%之間，Cl-濃度含量較高，說明該地區(qū)受到海水入侵影響；對比枯水期和豐水期各離子濃度含量變化，分析可知該地區(qū)接受大氣降水量不同導致各離子含量變化（圖2）。②由陸向海方向，淺層水化學類型變化很大，主要從Mg-Ca-HCO3、Na-Mg- HCO3型（TDS＜800 mg/L）向Mg-Ca-HCO3-Cl、Na-HCO3-Cl型（800 mg/L ≤ TDS ＜1 200 mg/L）轉化，在靠近海岸部分地下水類型主要以Na-Cl、Na-SO4-Cl型（TDS≥1 200 mg/L）為主。

圖4 枯水期（2月）淺層地下水水化學類型Fig.4 Piper diagram showing water chemistry of shallow groundwaters during the low water period

圖5 豐水期（8月）淺層地下水水化學類型Fig.5 Piper diagram showing water chemistry of shallow groundwaters during the high water period

表2 監(jiān)測井2009年2月、8月淺層地下水水化學參數相關系數矩陣Tab.2 Correlation matrices of hydrochemical parameters of shallow groundwaters during the low - high water period

這種化學類型轉變模式可能是地下水化學成分受海水—淡水簡單混合及陽離子交換所控制[17,26]。長江口北翼濱海平原區(qū)地勢呈西北高東南低，在距海較遠的淡水帶，地下水徑流條件較好，基本不受潮汐等海洋因素影響，地下水在含水層中停留時間短，水流交換迅速，含水層中的Na+、K+、Cl-等離子不斷淋濾并不斷被地下徑流帶走，離子以Mg2+、+、Ca2+等為主，形成低礦化度的Mg-Ca-HCO3、Na-Mg- HCO3型等地下水。在過渡區(qū)及海水入侵較為嚴重地區(qū)，受到潮汐、鹽田、養(yǎng)殖塘等因素影響，造成這些區(qū)域內Cl-含量急劇增加，使含水層中Ca2+、Mg2+含量逐漸被Na+、K+等離子交換，出現Na-HCO3-Cl、Na-Mg- HCO3-Cl型地下水。③遠離海岸的淡水帶，地下水水化學類型季節(jié)性變化不明顯，地下水形成和演變主要受巖性、降水等因素及各種物理化學作用控制；在過渡地帶及海水入侵區(qū)地下水除了受降水、地表徑流影響外，還受到人工養(yǎng)殖塘、鹽田、潮汐等因素影響，人為的將海水引入地下水系統(tǒng)，枯水季降雨及徑流流量減小，使地下水質呈現Na-Cl、Na-Cl-SO4型，在豐水季，降雨量及徑流量增加，一定程度上緩解因人工引入海水造成地下水咸度增加的趨勢，使水質類型呈現Na- HCO3-Cl型。

3結 論

通過對研究區(qū)淺層地下水水化學離子及特征研究分析可得出以下結論：

1 研究區(qū)不同月份淺層地下水TDS分析對比，認為研究區(qū)水化學類型變化復雜，受降水、地表徑流等原因影響，豐水季（8月）地下水TDS含量輕度減弱，水質明顯優(yōu)于枯水季。

2 對枯水期和豐水期水離子特征對比分析，可知：Na++K+、Cl-屬于強度變異，其余離子屬于中度變異。降雨及地表徑流是影響離子變異的主要原因。通州和呂四地區(qū)幾個井點出現高濃度值表明該區(qū)明顯受到人類活動影響。

3 由陸向海方向，研究區(qū)從Mg-Ca- HCO3、Na-Mg-HCO3型向Na-Cl、Na-Cl-SO4型演化。淡水地區(qū)地下水化學類型季節(jié)變化不明顯。過渡帶及海水入侵區(qū)地下水化學成分的形成和演變除了受降雨、巖性等方面影響外，還受人工養(yǎng)殖，鹽田、潮汐等影響。

致謝：非常感謝國家海洋局第二海洋研究所海底科學實驗室韓喜斌博士在論文寫作中給予指導；感謝國家海洋局東海預報中心和上海市海洋局蘆潮港海洋環(huán)境監(jiān)測站工作人員在外業(yè)調查中給予幫助；感謝國土資源部杭州礦產資源監(jiān)督檢測中心化學實驗室工作人員在水質化學分析中給予幫助。

[1]K P Chen, J J Jiao.Seawater intrusion and aquifer freshening near reclaimed coastal area of Shenzhen [J].Water Science & Technology: Water Supply, 2008, 7(2): 137–145.

[2]薛禹群，謝春紅，吳吉春.海水入侵研究 [J].水文地質工程地質，1992, 19(6): 29-33.

[3]Jasminko Karanjac, PhD.Seawater Intrusion in Coastal Aquifers-A Danger to Sustainable Water Supply and Economy of Island Countries [J].Ohrid, FY Republic of Macedonia, 2004, 5: 25-29.

[4]Flores-Marquez E L, J O Campos-Enriquez, R E Chavez-sEgura ect.Salwater instrusion of the Costa de Hemosillo aquifer, Sonora, Mexico: Anumerical simulation [J].Geo física Internacional, 1998, 37(3): 133-151.

[5] Sung-wookJeen, Jun-MoKim, Sung-WookJeen, et al.Hydrogeochemical characteristics of ground-water in a mid-western coastal aquifer system, Korea [J].Geosciences Journal, 2001, 5(4): 339-348.

[6]MAO Zhichang, SHEN Huanting, James T Liu, et al.Types of saltwater intrusion of the Changjiang Estuary [J].Science in China(Series B), 2001, 44(2): 150-157.

[7]姜月華，戴慶嘉，汪迎平.長江三角洲地下水開采負環(huán)境效應及其防治 [J].火山地質與礦產, 2000, 21(3): 214-224.

[8]劉杜娟.中國沿海地區(qū)海水入侵現狀與分析 [J].地災害與環(huán)境保護, 2004, 15(1): 31-36.

[9]陳吉余, 沈煥庭.長江河口動力過程和地貌演變 [M].上?？茖W技術出版社, 1988: 13-17.

[10]趙慶英, 楊世倫, 劉守祺.長江三角洲的形成和演變 [J].上海地質, 2002, 4: 25-30.

[11]李從先, 范代讀, 張家強.長江三角洲地區(qū)晚第四紀地層及潛在環(huán)境問題 [J].海洋地質與第四紀地質, 2008, 20(3): 1-6.

[12]中華人民共和國區(qū)域水文地質普查報告 [Z].I-51-(31) 1987.

[13]江蘇統(tǒng)計年鑒 [S].2000-2008

[14]雷志棟，楊詩秀，許志榮, 等.土壤特性空間變異性初步研究 [J].水利學報, 1985, 9: 10-21.

[15]Jin-Yong Lee, Sung-Ho Song.Groundwater chemistry and ionic ratios in a western coastal aquifer of Buan,Korea: implication for seawater intrusion [J].Geosciences Journal, 2007, 11(3): 259-270.

[16]徐振邦, 婁元仁.數學地質基礎 [M].北京大學出版社, 1994: 113-117.

[17]Appelo C A J, Postma D.Geochemistry, GroundWater and Pollution.2nd ed [M].Rotterdam: A.A.Balkema.2005: 266-275.

[18]Ahmad zhangaris，Mohd harun Abdullah, Sarva mangala praveena.Evolution of Ground-water Chemistry in the Shallow Aquifer of a Small Tropical Island in Sabah Malaysia [J].Sains malaysiana, 2009, 38(6): 805–812.

[19]章光新, 鄧偉, 何巖.中國東北松嫩平原地下水水化學特征與演變規(guī)律 [J].水科學進展, 2006, 17(1): 20-28.

[20]Revelle.Criteria for recongnition of seawater in ground-water [J].Geophysical Transamer, 1941, 22: 593-597.

[21]李福林, 張保祥.水化學與電法在海水入侵監(jiān)測中的應用 [J].物探與化探, 1999, 23(5): 336-379.

[22]GB/T 14848-93, 地下水質量標準 [D].

[23]趙建.海水入侵水化學指標及侵染程度評價研究 [J].地理科學，1998, 18(1): 44-56.

[24]Michael C, Newman johnf cshalles.The water chemistry of Carolina bays:A regional survey [J].Hydrobiol, 1990, 2(112): 147-168.

[25]Abdullah, Kim, Praveena.Hydrochemical changes in a small tropical island’s Aquifer, ManukanIsland, Sabah, Malaysia [J].Environmental Geology, 2009, 56(8): 1 721-1 732.

[26]Parkhurst D L, Appelo C A J.User’s Guide to PH - REEQC (Version 2) -A Computer Program for Spe- ciationBatch-Reaction, One-Dimensional Transport, and Inverse [M].Geochemical Calculations.U.S.Geol.Surv, 1999: 221-235.

Preliminary study in geochemical characteristics of seawater intrusion in the coastal region north wing of the Yangtze River Estuary

QIAO Ji-guo1, LONG Jiang-ping1, XU Dong1, ZHOU gen-yuan2, ZHAI wan-lin1

（1.Lab of Submarine Geosciences, SOA, Second Institute of Oceanography，Hangzhou 310012, China; 2.East china sea forecast center of SOA, Shanghai 200081, China）

P736.4

A

1001-6932(2011)02-0200-06

2010-03-23；收修改稿日期：2010-05-30

“908”專項“海洋地質災害調查與研究（908-01-ZH2）”、“海水入侵現狀評價及防治對策研究”（908-02-03-05）。

喬吉果（1983-），男，碩士，主要從事海洋環(huán)境地質地球化學方面的研究。電子郵箱：jgqiao2010@163.com。