丹東市地下水化學(xué)時(shí)空演變規(guī)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(xué)特征是指地下水的主要離子含量、pH值、電導(dǎo)率(EC)及礦化度(TDS),受人類活動(dòng)狀況、水-巖作用進(jìn)程、含水層介質(zhì)特征及補(bǔ)給水類型影響,這是直接反映所處地質(zhì)環(huán)境的重要參數(shù)[1]。

沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快,人口規(guī)模和水資源消耗量大,受人類活動(dòng)、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(zhì)環(huán)境問題頻發(fā),淡水資源短缺[2-6]。針對(duì)沿海地下水化學(xué)國內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛研究,如楊巧鳳等提出降水溶解蒸發(fā)鹽是咸水的主要形成原因;Qi等認(rèn)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(qū)具有復(fù)雜多變的含水系統(tǒng),系統(tǒng)分析地下水化學(xué)成因?qū)?對(duì)掌握該地區(qū)水化學(xué)發(fā)展趨勢(shì)及現(xiàn)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(xué)時(shí)空演變特征及成因分析。因此,文章結(jié)合丹東市2011—2020年淺層地下水離子監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用離子比、Gibbs圖、Piper三線圖、Arc GIS空間插值、數(shù)理統(tǒng)計(jì)及相關(guān)性分析等方法全面分析其化學(xué)時(shí)空分布規(guī)律及成因,為掌握丹東市地下水化學(xué)演化趨勢(shì)及地下水合理開發(fā)、保護(hù)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)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(qū)按行政分區(qū)為東港市和振興區(qū),按流域分區(qū)屬鴨綠江干流及遼東沿海區(qū)域,地處E123°23′～125°43′,N39°43′31″～40°09′21″,該區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫8～11℃,年日照時(shí)數(shù)2390～2592h,由于地形差異等因素的影響,降水的時(shí)空分布極不均勻,年降水量為893.0m。

研究區(qū)出露地層有第四系的松散堆積物和前震旦系的變質(zhì)片麻巖類,侏羅系的安山巖、角礫巖、玄武巖、凝灰?guī)r及震旦系的砂巖、枚巖、片巖。根據(jù)賦存條件可以將該區(qū)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(jì)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(qū)及東港市椅圈鎮(zhèn)至振興區(qū)安民鎮(zhèn),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(zhì)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(gè)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(bǔ)給來源,排泄方式有垂直蒸發(fā)及地下徑流,全區(qū)地下水流向與地表水總體一致,沿海平原自北向南流動(dòng)。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

本研究網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)共涉及3處常規(guī)地下水常規(guī)監(jiān)測(cè)站和154處地下水代表井,2011—2020年每年對(duì)各監(jiān)測(cè)井采集1次地下水樣,共采集1570個(gè)。地下水位觀測(cè)井點(diǎn)按水資源分區(qū)主要為鴨干(Ⅰ區(qū)),鴨～大(Ⅱ區(qū))和大洋河(Ⅲ區(qū)),大～碧(Ⅳ區(qū))。采樣前先對(duì)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(yùn)輸、保存、檢測(cè)等符合《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》和《地下水質(zhì)量檢驗(yàn)方法》等相關(guān)規(guī)范要求。水樣的pH值、TDS使用玻璃電極法和稱量法測(cè)定,水樣的硝酸鹽、硫酸鹽及氯化物使用離子色譜法測(cè)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(cè)定。

2.2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)研究區(qū)地下水離子的標(biāo)準(zhǔn)誤差、最小值、最大值和均值利用SPSS22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。然后結(jié)合數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果,對(duì)各離子均值使用反距離權(quán)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(guī)律。根據(jù)Gibbs圖、離子比例系數(shù)圖、Piper三線圖和相關(guān)資料推測(cè)地下水化學(xué)控制因素及其成因,并進(jìn)一步揭示其演變規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水理化參數(shù)

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(qū)地下水陽離子主要為Na+,Ⅰ、Ⅳ區(qū)排序?yàn)镵+

表1 2011—2020年丹東市地下水理化參數(shù)值

續(xù)表1 2011—2020年丹東市地下水理化參數(shù)值

為明確研究區(qū)水化學(xué)類型運(yùn)用舒卡列夫分類法進(jìn)行分析,結(jié)果表明:Ⅰ區(qū)水主要分布于鴨綠江干流南部及低山丘陵區(qū)外圍,水化學(xué)類型為Na·Mg·Ca-SO4·HCO3·Cl和Ca-SO4·HCO3型;Ⅱ區(qū)主要分布于鴨～大兩岸,水化學(xué)類型為Na·Mg·HCO3·SO4和Na·Mg·HCO3型;Ⅲ區(qū)大部分處于咸淡水交界處,水化學(xué)類型較復(fù)雜主要為Na·Mg-Cl、Na·Mg-Cl·SO4、Na·Mg-Cl·HCO3型;Ⅳ區(qū)距海較近,主要位于齊家堡子、前陽鎮(zhèn),水化學(xué)類型為Na-Cl、Na·Mg-Cl、Na·Mg-Cl·SO4型?？傮w而言,地下水化學(xué)類型從內(nèi)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(zhuǎn)變成Na-Cl、Na·Mg-Cl型。

3.2 地下水化學(xué)時(shí)空變化

2011—2020年研究區(qū)地下水化學(xué)組分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(dòng)下降趨勢(shì),HCO3-濃度波動(dòng)不斷上升,其最大值出現(xiàn)在2017。2013年地下水離子濃度明顯上升可能與區(qū)域海水入侵有關(guān),地下咸淡水間的動(dòng)態(tài)平衡受人類活動(dòng)或自然影響發(fā)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(qū)地下水各組分空間變異表現(xiàn)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(qū)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(fā)加重,在一定程度上脅迫植被的生長發(fā)育,植被減少導(dǎo)致蒸發(fā)量增加及地下水鹽化過程加劇,相應(yīng)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(dòng)產(chǎn)生的農(nóng)藥化肥、廢物、廢水等是NO3-的主要來源,較強(qiáng)的人類活動(dòng)提供了更多的NO3-來源,所以研究區(qū)NO3-濃度變化顯著。

3.3 地下水化學(xué)成因分析

3.3.1 水化學(xué)控制因素

將地下水化學(xué)組分控制因素按照Cl-/(Cl-+HCO3-)或Na+/(Na++Ca2+)與TDS的質(zhì)量濃度比關(guān)系圖劃分成大氣降水、巖石風(fēng)化和蒸發(fā)結(jié)晶。結(jié)果表明,Ⅰ、Ⅱ區(qū)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(qū)內(nèi)地層有火山碎屑巖、角礫巖和火山熔巖等,在風(fēng)化作用和降水溶解下巖石被剝蝕成細(xì)小顆粒進(jìn)入地下含水層,經(jīng)長期演化、迭代成為主要來源,故巖石礦物風(fēng)化是Ⅰ、Ⅱ區(qū)水化學(xué)環(huán)境的主要控制因素;Ⅲ、Ⅳ區(qū)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(duì)部分水樣造成影響使其表現(xiàn)出一定海水特征,但Ⅲ、Ⅳ區(qū)大部分水樣都位于蒸發(fā)結(jié)晶區(qū),故蒸發(fā)濃縮是Ⅲ、Ⅳ區(qū)誰化學(xué)環(huán)境主要控制因素。因此,從陸向海淺層地下水化學(xué)控制類型由巖石風(fēng)化型過渡到蒸發(fā)濃縮型,近海區(qū)存在一定海水特性。

3.3.2 離子來源

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

表2 地下水化學(xué)離子相關(guān)矩陣

由表2可知,Mg2+、SO42-、Na+、Cl-與TDS之間的相關(guān)系數(shù)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(rèn)為黃河三角洲地區(qū)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(guān)性[11-14],故研究認(rèn)為白云石、鈉長石和巖鹽等礦物的風(fēng)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(fā)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(qū)地下水化學(xué)變化的因素,以城市化率、人口、GPD等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和淺層開采量、播種面積、生活污水、工業(yè)廢水為變量,采用SPSS22.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析,如表3所示。

表3 地下水化學(xué)變化影響因素

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

人類活動(dòng)對(duì)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(guān)。城市化率與、Cl-之間呈顯著正相關(guān)(P>0.05),這與現(xiàn)有研究成果保持一致,說明人為因素對(duì)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(fù)相關(guān)(P>0.05),NO3-與HCO3-含量隨著開發(fā)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(fā)濃縮及淋溶作用加強(qiáng),從而提高了NO3-與HCO3-含量。農(nóng)業(yè)播種面積、人口與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)(P>0.01),說明淺層地下水pH值隨農(nóng)業(yè)播種面積及人口的增加明顯減少,這是因?yàn)榧哟蟾刂参锷a(chǎn)量會(huì)提高土壤中CO2含量和有機(jī)酸來源,從而導(dǎo)致使得pH值減少。

4 結(jié) 論

1)研究區(qū)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(xué)類型從內(nèi)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(zhuǎn)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(dòng)下降趨勢(shì),地下水各組分空間變異表現(xiàn)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(qū)位于大～碧段。

3)從陸向海淺層地下水化學(xué)控制類型由巖石風(fēng)化型過渡到蒸發(fā)濃縮型,近海區(qū)存在一定海水特性。白云石、鈉長石和巖鹽等礦物的風(fēng)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。