萊州灣沿岸海水入侵區(qū)地下水化學(xué)特征

李波，胡舒婭，趙全升

1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.青島大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266071

0 引言

海(咸)水入侵是指在自然或人為因素影響下，濱海地下含水層的水動(dòng)力條件發(fā)生改變，破壞了淡水與海水或古咸水之間的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致海水或高礦化咸水沿含水層向內(nèi)陸方向侵入的過(guò)程與現(xiàn)象，以下簡(jiǎn)稱海水入侵[1--3]。海水入侵是一個(gè)普遍的全球性問(wèn)題，人類活動(dòng)所涉及的沿海地區(qū)均存在不同程度的海水入侵[4]。

目前，全世界有幾十個(gè)國(guó)家和地區(qū)都發(fā)現(xiàn)了海水入侵問(wèn)題，如荷蘭、德國(guó)、比利時(shí)、英國(guó)、法國(guó)、意大利、希臘、葡萄牙、西班牙、日本、澳大利亞、墨西哥、美國(guó)、印度、菲律賓、印度尼西亞、以色列和中國(guó)等，海水入侵的普遍性和危害性引起了國(guó)際社會(huì)的高度關(guān)注，有關(guān)國(guó)家和地區(qū)十分重視，并積極應(yīng)對(duì)這個(gè)重大環(huán)境災(zāi)害的挑戰(zhàn)。海水入侵的直接后果是地下淡水受到污染，水質(zhì)惡化，嚴(yán)重影響沿海地區(qū)的人畜用水。海水入侵后，地下淡水被咸化，使土壤發(fā)生不同程度的鹽漬化，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量大幅度下降，同時(shí)也影響工業(yè)發(fā)展，致使企業(yè)由于淡水供應(yīng)不足而被迫停產(chǎn)或搬遷。

早在1991年,薛禹群等[5]就通過(guò)數(shù)值模擬的方法建立了龍口海岸帶海水入侵咸淡水界面運(yùn)移規(guī)律的三維數(shù)值模型。吳吉春、薛禹群又提出用改進(jìn)特征有限元法來(lái)求解高度非線性的咸水入侵問(wèn)題，以克服在求解時(shí)碰到的數(shù)值彌散和振蕩困難[6]。而后李國(guó)敏、陳崇希[7]和成建梅等[8]學(xué)者對(duì)海水入侵模型進(jìn)行了許多的改進(jìn)和創(chuàng)新，建立了三維變密度對(duì)流--彌散水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)咸淡水界面地下水運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，MODFLOW、FEFLOW、SUTRA和GMS等地下水?dāng)?shù)值模擬和溶質(zhì)運(yùn)移軟件逐漸用來(lái)預(yù)測(cè)和模擬海水入侵問(wèn)題[9--12]。但數(shù)值模擬模型多采用理想化的研究域或單元，視含水層為水平層狀，在對(duì)含水入侵問(wèn)題進(jìn)行模擬時(shí)咸淡水界面考慮濃度在垂直向和水平向隨時(shí)間變化的較少，而把海水當(dāng)作示蹤劑在含水層中運(yùn)移的多。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室物理模擬的方法研究海水入侵問(wèn)題多是針對(duì)均質(zhì)含水層中咸水入侵過(guò)程中的咸水楔和咸淡水混合區(qū)的變化[13--16]，例如鄭西來(lái)等[17]采用室內(nèi)物理模擬的方法，通過(guò)鹽濃度的突變與漸變來(lái)研究咸水--淡水界面的水敏感性。物理模型的制作對(duì)研究結(jié)果的影響較大，若模型相似度不高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果很難理想。因此，通過(guò)野外實(shí)地監(jiān)測(cè)可較好地掌握海水入侵的分布狀況，對(duì)咸水入侵地下水化學(xué)特征進(jìn)行分析是較真實(shí)可靠的方法。通過(guò)對(duì)研究區(qū)海水入侵分布及地下水化學(xué)特征的分析研究可為咸水入侵的防治提供更加科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬北溫帶東亞季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，四季分明，氣候溫和。多年平均氣溫12℃～13℃，7月份最高平均氣溫24℃～27℃，1月份最低平均氣溫-1℃～-4℃。多年年平均降水量561 mm，年內(nèi)分布不均，年降水多集中于7～9月，約占全年降水量的60%，降水量年際變化大。特枯年(降水保證率95%)平均年降水量為348 mm，較豐水年(降水保證率20%)的676 mm減少48.5%。多年平均水面蒸發(fā)量1 300～1 500 mm。其分布規(guī)律與降水相反，從西北向東南呈遞減變化。

研究區(qū)總的地勢(shì)東部高、西部低，由陸地向渤海灣傾斜，河流水系分屬于海河流域、黃河流域和淮河流域山東半島沿海諸河水系。跨越了華北平原、魯西和魯東3個(gè)地層區(qū)，齊河--廣饒斷裂以北、昌邑--大店斷裂以西為華北平原地層區(qū)，齊河--廣饒斷裂以南、昌邑--大店斷裂以西為魯西地層區(qū)，昌邑--大店斷裂以東為魯東地層區(qū)(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.1 Location and sample distribution map of study area

大氣降水、地表水和地下水構(gòu)成了研究區(qū)陸地水循環(huán)系統(tǒng)，地下水系統(tǒng)是陸地水循環(huán)系統(tǒng)的組成部分，其水動(dòng)力場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)等受到氣象、水文、地質(zhì)地貌和含水介質(zhì)的影響和制約。依據(jù)含水層埋藏條件、含水介質(zhì)類型和水化學(xué)類型等，將地下水系統(tǒng)(500 m深度內(nèi))劃分為淺層、中層和深層3個(gè)含水層系統(tǒng)。淺層地下水含水層系統(tǒng)為開(kāi)放型地下水系統(tǒng)，直接接受大氣降水、灌溉回滲和河渠側(cè)滲等垂直入滲補(bǔ)給，通過(guò)蒸發(fā)、人工開(kāi)采等向外排泄。其與外部環(huán)境關(guān)系密切，環(huán)境條件的改變直接影響著系統(tǒng)功能的變化，且反應(yīng)迅速。中層咸水含水層系統(tǒng)是指魯北地區(qū)咸水含水層組，屬半封閉型地下水系統(tǒng)，由于其開(kāi)發(fā)利用程度較低，暫不對(duì)其進(jìn)行研究。深層地下淡水含水層系統(tǒng)包括了魯北地區(qū)深層淡水含水層組和南部沖洪積扇區(qū)中深層淡水含水層組。根據(jù)沉積物來(lái)源和成因類型，深層地下淡水含水層系統(tǒng)可劃分為山前沖積洪積平原地下水系統(tǒng)、沖積湖積平原地下水系統(tǒng)和濱海海積沖積平原地下水系統(tǒng)。

2 海水入侵概況

萊州灣沿岸是山東半島海水入侵危害最嚴(yán)重的地區(qū)，部分地段由點(diǎn)狀連成了片狀，由片狀又形成了連續(xù)的入侵帶。萊州灣沿岸的全咸水區(qū)位于海岸線與沖積海積平原，主要為孔隙咸水和半咸水，咸--淡多層孔隙水區(qū)是萊州灣咸水入侵發(fā)生的主要地區(qū)[18]。萊州灣沿岸海水入侵的發(fā)生可劃分成初始階段(1976—1979)、發(fā)展階段(1980—1986)、惡化階段(1987—1989)、緩解階段(1990—1995)和分化階段(1995—2017)[19--20]。

海水入侵導(dǎo)致含水層水質(zhì)惡化，最明顯的是水中Cl-和TDS的增加，Cl-是海水中最主要的穩(wěn)定離子而且測(cè)定簡(jiǎn)單。中國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB5749--2006)》規(guī)定氯化物含量不應(yīng)超過(guò)250 mg/L，因此，國(guó)內(nèi)學(xué)者多以250 mg/L作為判斷海水入侵最直接的單一指標(biāo)[1]。本研究同樣選擇Cl-含量>250 mg/L作為咸水入侵標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)174個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水化學(xué)分析圈定了海(咸)水的入侵范圍，現(xiàn)階段研究區(qū)咸淡水界面線位于廣饒縣石村—稻莊—壽光抬頭—昌邑雙臺(tái)—柳疃—夏店—萊州一線(圖2)，根據(jù)不同岸段海岸環(huán)境差異和入侵物源的不同可分為沙河河口—邑北部濰河河口平原海咸水混合入侵區(qū)、寒亭廣饒平原地下咸水入侵區(qū)和土山東海水入侵區(qū)3種類型區(qū)。

圖2 萊州灣沿岸含水層海水入侵分布圖Fig.2 Distribution map of seawater intrusion in coastal aquifer of Laizhou Bay

3 地下水化學(xué)特征

丘陵區(qū)淺層地下水化學(xué)特征受地形地貌、氣象和水文地質(zhì)等綜合因素控制，地下水經(jīng)過(guò)溶濾、陽(yáng)離子交替--吸附和蒸發(fā)濃縮等作用具有水平分帶性；魯北平原區(qū)地下水化學(xué)特征受古沉積環(huán)境的影響，也具有明顯的垂直和水平分帶特征。

3.1 淺層地下水化學(xué)特征

淺層地下水按舒卡列夫分類法，陰離子水化學(xué)類型有HCO3型、HCO3·Cl型、HCO3·SO4型、Cl·HCO3型和Cl型等5種(圖3)，陽(yáng)離子類型有Na型、Na·Mg型、Mg·Na型、Ca·Mg型、Mg·Ca型、Ca·Mg型、Ca型、Ca·Na型和Na·Mg·Ca型等9種；平原區(qū)以Na型、Na·Mg型、Mg·Na型為主，丘陵山區(qū)以Ca型、Ca·Mg型為主。自西向東、自南向北，由黃河沖積平原到濱海沖海積平原、由山前沖洪積平原到濱海地帶，地下水趨于咸化，水化學(xué)類型由HCO3和HCO3·Cl型過(guò)渡為Cl·HCO3和Cl型，地下水礦化度由<2 g/L的淡水和微咸水逐漸過(guò)渡到礦化度>10 g/L的鹽水和鹵水。整體上在可以開(kāi)發(fā)利用的淡水和微咸水中，以南部沖洪積扇區(qū)和萊州市中南部地下水水質(zhì)良好，黃河沖積平原區(qū)西部最差。

圖3 淺層地下水水化學(xué)類型分區(qū)圖Fig.3 Hydrochemical type zoning map of shallow groundwater

南部沖洪積扇區(qū)含水層厚度大、顆粒粗，補(bǔ)給條件好、徑流順暢，地下水水化學(xué)類型主要為HCO3和HCO3·Cl型，為礦化度<1 g/L淡水和1～2 g/L的微咸水；萊州市中南部丘陵山區(qū)地下水水力坡度大，徑流通暢，水化學(xué)類型主要為HCO3·Cl和HCO3·SO4型，為礦化度<1 g/L淡水和1～2 g/L的微咸水；黃河沖積平原區(qū)西部地形平緩，含水層顆粒較細(xì)，地下水徑流緩慢，水交替不暢，水化學(xué)類型主要為Cl·HCO3型，為礦化度1～3 g/L的微咸水。濱海沖海積平原區(qū)，除中西部黃河河道帶水質(zhì)稍好外(水化學(xué)類型為HCO3·Cl和Cl·HCO3型，為礦化度1～5 g/L的微咸水和半咸水)，地下水埋藏淺、徑流緩慢，垂向潛水蒸發(fā)強(qiáng)烈，水質(zhì)咸化，化學(xué)類型為Cl型，為礦化度為>5 g/L的咸水、鹽水和鹵水。

3.2 深層地下水化學(xué)特征

深層地下水按舒卡列夫分類法，陰離子水化學(xué)類型有HCO3型、HCO3·Cl型、HCO3·Cl·SO4型、Cl·S4型和Cl·SO4·HCO3型等5種(圖4)，陽(yáng)離子類型有Mg型、Mg·Ca型、Mg·Na型、Ca型和Ca·Na型等5種。深層地下水水平方向水化學(xué)分帶明顯，山前沖洪積平原地下水系統(tǒng)地下水徑流條件較好，循環(huán)較強(qiáng)烈，水化學(xué)作用處于溶濾階段，水化學(xué)類型以低礦化度的HCO3型和HCO3·Cl型為主；沖積湖積平原地下水系統(tǒng)地下徑流極其緩慢，受古地理環(huán)境和古氣候影響，大陸鹽化作用明顯，多以高礦化度Cl·SO4型水為主；濱海海積沖積平原地下水系統(tǒng)受古海水侵入影響，以Cl型水為主。

圖4 深層地下水水化學(xué)類型分區(qū)圖Fig.4 Hydrochemical type zoning map of deep groundwater

山前沖積洪積平原地下水系統(tǒng)區(qū)南部為全淡水區(qū)，陰離子類型以HCO3型和HCO3·Cl型為主，西部高青縣附近分布有Cl·SO4型、Cl·SO4·HCO3型水。陽(yáng)離子類型總體上自南往北由Ca型水，中部的Ca·Mg型、Ca·Na型、Mg·Ca型、Mg·Na型，向北部的Mg型轉(zhuǎn)化。地下水絕大部分為礦化度<1 mg/L 的淡水，邊緣過(guò)渡帶為1～2 mg/L的微咸水。F-離子含量南部淡水區(qū)均<1 mg/L，北部最高可達(dá)4 mg/L，由南往北逐漸增高。

北部沖積湖積平原地下水系統(tǒng)區(qū)陰離子類型西部以HCO3型、HCO3·Cl型和HCO3·Cl·SO4型水為主，中部以Cl·SO4型、Cl·SO4·HCO3型水為主，東部以Cl·SO4型、HCO3·Cl型和HCO3·Cl·SO4型水為主。陽(yáng)離子類型均為Mg型。地下水礦化度1～2 mg/L。F-離子含量一般均>2 mg/L，有一半以上的地區(qū)>3 mg/L，最高含量位于樂(lè)陵市黃夾鎮(zhèn)—寧津縣長(zhǎng)官鎮(zhèn)一帶，F(xiàn)-離子含量>5 mg/L。

海積沖積平原地下水系統(tǒng)區(qū)大部分陰離子類型以Cl型水為主，邊界附近分布有SO4·Cl型、HCO3·Cl型和HCO3·Cl·SO4型水。陽(yáng)離子類型為Mg型水。 F-離子含量1～2 mg/L。為全咸水分布區(qū)。

4 結(jié)論

(1)以Cl-含量>250 mg/L作為咸水入侵標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)階段研究區(qū)咸淡水界面線位于廣饒縣石村—稻莊—壽光抬頭—昌邑雙臺(tái)—柳疃—夏店—萊州一線。

(2)淺層地下水，自西向東、自南向北，由黃河沖積平原到濱海沖海積平原、由山前沖洪積平原到濱海地帶，地下水趨于咸化，水化學(xué)類型由HCO3和HCO3·Cl型過(guò)渡為Cl·HCO3和Cl型，地下水礦化度由<2 g/L的淡水和微咸水逐漸過(guò)渡到礦化度>10 g/L的鹽水和鹵水。

(3)深層地下水水平方向水化學(xué)分帶明顯，從山前沖洪積平原、沖積湖積平原至濱海海積沖積平原，水化學(xué)類型也由低礦化度的HCO3型、HCO3·Cl型轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩V化度Cl·SO4型和Cl型。