萊州灣東岸海底地下水來源判別及量值估算

卜慶偉, 李福林, 陳學(xué)群, 林 琳

(山東省水利科學(xué)研究院, 山東 濟(jì)南, 250013)

海底地下水排泄(Submarine groundwater discharge,簡(jiǎn)稱SGD)是海岸帶陸海相互作用的重要途徑, 對(duì)海岸海洋過程和化學(xué)輸移具有十分重要的影響[1]。SGD很早就被發(fā)現(xiàn)并作為生活用水水源[2]。然而, 受技術(shù)水平及人們對(duì)海岸地下水動(dòng)力作用認(rèn)識(shí)的影響, 該領(lǐng)域研究進(jìn)展緩慢。1996年, 國(guó)際知名期刊發(fā)表了多篇相關(guān)研究論文, 對(duì)SGD的來源識(shí)別及其對(duì)海岸的影響進(jìn)行了探討[3-5], 大大推動(dòng)了該領(lǐng)域的研究。

由于之前研究較少關(guān)注其來源、認(rèn)識(shí)上的不統(tǒng)一導(dǎo)致SGD量值差別很大, 因此, SGD來源的識(shí)別是其量值確定的前提。利用同位素——鐳研究SGD的來源是由 Moore首先提出的[3], 之后在國(guó)外很多地方開展了相關(guān)技術(shù)應(yīng)用研究[6-10], 國(guó)內(nèi)利用此技術(shù)開展相關(guān)研究相對(duì)較少, 僅有郭占榮研究了隆教灣的海底地下水排泄[11]。本文以萊州灣東岸為研究區(qū), 借鑒地下水來源同位素識(shí)別方法, 嘗試采用穩(wěn)定同位素18O、D識(shí)別該地區(qū)海底地下水的來源, 在此基礎(chǔ)上估算SGD量值,成果對(duì)相關(guān)領(lǐng)域研究具有良好的借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東半島的西北部, 萊州灣東岸(圖1)。海岸線西起虎頭崖, 東至刁龍嘴, 長(zhǎng)約30 km。海區(qū)范圍包括太平灣(萊州灣內(nèi)的一個(gè)次生小灣), 陸域包括萊州市西北部的海積沖積平原及丘陵低山, 面積360 km2, 地貌類型從陸向海依次分布沖積平原—潟湖平原—灘脊平原(砂壩)—水下岸坡。區(qū)內(nèi)有龍王河、蘇郭河、朱旺河、南洋河等幾條小河流。區(qū)內(nèi)多年平均地表徑流量1.29億m3, 降水入滲地下水補(bǔ)給量為4 320萬m3。海底地下水分布于太平灣內(nèi)的淺海區(qū)域范圍, 目前開發(fā)利用范圍主要限于高低潮線之間的潮灘區(qū), 最遠(yuǎn)處海岸達(dá)1 000～1 500 m。

本海域潮汐屬不規(guī)則半日潮區(qū), 三山島測(cè)站(37°24′ N, 119°57′ E)的觀測(cè)資料表明, 潮汐類型判別系數(shù)為0.86, 平均漲潮時(shí)6 h 22 min, 平均落潮時(shí)6 h 6 min。以黃海高程為基準(zhǔn), 當(dāng)?shù)仄骄Ｆ矫?.06 m,平均高潮位為0.56 m, 平均低潮位為-0.45 m。本區(qū)波浪以風(fēng)浪為主, 強(qiáng)浪向和常浪向均為NNE向, 三山島潮波統(tǒng)計(jì)平均波高1.3 m, 平均周期4.9 s, 最大波高3.9 m。

2 研究區(qū)海底地下水的賦存環(huán)境

萊州市沿岸海底地下水主要賦存于第四系松散沉積層中, 通過對(duì)潮灘上大量開采井的調(diào)查以及陸上鉆孔資料的分析, 結(jié)合莊振業(yè)、韓春瑞公開發(fā)表的鉆孔資料[12-13], 該地區(qū)含水層結(jié)構(gòu)自上而下可分概化為以下幾層:

第一層(潛水層), 直接埋藏在海水之下, 厚1～5 m,巖性主要為粉細(xì)砂, 屬全新統(tǒng)淺海－潮間帶沉積相,沉積層內(nèi)含有孔蟲和介形蟲化石。本層直接接受上層海水滲透補(bǔ)給, 含水量飽和狀態(tài), 水質(zhì)為咸水, 水化學(xué)類型為Cl-Na型, 與現(xiàn)代海水一致, 受海洋潮汐波動(dòng)和波浪爬高影響甚大。

第二層(弱透水層), 埋藏在海底以下約5 m深度。巖性為黃褐色亞黏土, 厚度2～3 m。據(jù)研究, 該層含少量有孔蟲和介形蟲化石, 屬全新統(tǒng)早期海相沉積。

第三層(承壓含水層), 該層埋深在海底 8 m 以下,頂板為上述第二層亞黏土, 底板為本區(qū)的構(gòu)造基底—變質(zhì)巖, 平均厚度20～25 m左右。該層巖性主要為粉砂、細(xì)砂和粗砂, 砂層中間或以深層黏土質(zhì)粉砂或亞黏土相隔, 屬晚更新世的沖洪積相地層, 本區(qū)自中更新世早期以來沉積了3～5套沖洪積相旋回, 故而發(fā)育了上細(xì)下粗的幾個(gè)亞含水層。上部的1～2層亞含水層曾是沿海養(yǎng)殖大菱鲆的主要供水水源, 出水量約40 m3/h, 由于近年來開采量增大, 地下水位下降迅速, 上部含水層疏干, 僅剩底部的 2～3層沉積相發(fā)育的含水層, 為主要供水層,出水量20～30 m3/h。水質(zhì)類型Cl-Na·Mg型。

圖1 研究區(qū)位置與海岸地貌示意圖Fig. 1 Location map and coastal geomorphology

第四層(隔水底板): 主要由太古界膠東群山變質(zhì)巖及二長(zhǎng)花崗巖組成。除風(fēng)化帶和構(gòu)造裂隙有一定富水性能外, 富水性很少, 構(gòu)成本區(qū)水文地質(zhì)系統(tǒng)的隔水底板。

上述四層單元在空間分布上并不連續(xù), 有的層次有缺失, 從陸到海, 其厚度也有一定變化(圖2)。

3 研究區(qū)海底地下水來源判別

3.1 樣品測(cè)試方法及測(cè)試結(jié)果

圖2 朱旺斷面地質(zhì)剖面概化圖Fig. 2 Sketch map of geology in Zhuwang section

項(xiàng)目組于2006年11月對(duì)萊州灣東岸朱旺地區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并分別對(duì)水庫(kù)水、地下淡水、海底地下水、海水及咸淡水交界面地下水進(jìn)行了取樣分析。其中, 水庫(kù)水、海水采樣依據(jù)《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T91-2002)執(zhí)行, 地下淡水、咸淡水交界面地下水、海底地下水依據(jù)《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T164-2004)及《地下水污染地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》(DD2008-01)執(zhí)行。樣品常規(guī)離子由山東省水利工程質(zhì)量與安全檢測(cè)中心站測(cè)試, 同位素由中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定同位素實(shí)驗(yàn)室測(cè)試, 使用的質(zhì)譜儀型號(hào)為MAT-252、MAT-253, 同位素結(jié)果為相對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) V-SMOW 水樣的比值。具體數(shù)據(jù)見表 1(δ: 樣品的同位素比值相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)同位素比值的千分差;ρ: 樣品檢測(cè)指標(biāo)的質(zhì)量濃度)。

（3）臨床癥狀：反映抗病毒治療效果的最敏感的一個(gè)指標(biāo)是體重增加，對(duì)于兒童可觀察身高、營(yíng)養(yǎng)及發(fā)育改善情況。機(jī)會(huì)性感染的發(fā)病率和艾滋病的病死率可以大大降低。在開始HAART后最初3個(gè)月出現(xiàn)的機(jī)會(huì)性感染應(yīng)與IRIS相鑒別。

表1 萊州灣東岸樣品分析結(jié)果Tab. 1 Analysis of samples in east coast of the Laizhou Bay

3.2 結(jié)果分析與討論

研究區(qū)樣品穩(wěn)定同位素δ18O-δD關(guān)系曲線見圖3,圖中大氣降水線根據(jù)全球降水同位素監(jiān)測(cè)網(wǎng)(Global Network of Isotopes in Precipitation, GNIP)煙臺(tái)站(37°31′48′N, 121°24′00′E)在 1986～1991 年數(shù)據(jù)采用壓軸回歸方法擬合, 公式為:δD=6.98δ18O+1.08(r2=0.81,n=44)。

圖3 萊州灣東岸樣品穩(wěn)定同位素組成Fig. 3 δ18O vs δD in the samples in east coast of the Laizhou Bay

由圖 3可以發(fā)現(xiàn), 樣品中的穩(wěn)定同位素值均位于當(dāng)?shù)亟邓€的右下方, 表明各水源主要受到大氣降水的補(bǔ)給。水體在接受降水補(bǔ)給之前經(jīng)歷蒸發(fā)作用會(huì)引起氫氧同位素的富集, 使氫氧同位素點(diǎn)偏離大氣降水線并位于其右下方[14]。地表水庫(kù)樣品由于水面面積較大, 蒸發(fā)作用更為明顯, 加之降雨較少,偏離程度較高。地下水同位素含量相對(duì)海水較低, 說明水汽在由海洋向內(nèi)陸轉(zhuǎn)移過程中發(fā)生了同位素的大陸效應(yīng)[15-17], 并通過地下水體現(xiàn)。

海底地下水主要賦存于第四系松散沉積層中,上有海水及隔水層覆蓋, 不可能直接受降雨影響,因此, 對(duì)其來源的分析應(yīng)集中于大氣降水的源頭——海洋及受大氣降水補(bǔ)給的地下水體。海底地下水、當(dāng)?shù)氐叵滤昂Ｋc當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓€具有良好的一致性, 偏離程度低, 也說明三者具有密切的水力聯(lián)系。海底地下水的硝酸鹽含量超過了近岸海水卻低于近岸地下水, 氯離子含量遠(yuǎn)大于地下水和海水較為接近的事實(shí)從另一方面證實(shí)了海底地下水接受近岸含水層的徑流補(bǔ)給和海水補(bǔ)給。

就補(bǔ)給方式而言, 由于海底地下水與內(nèi)陸含水層具有較強(qiáng)的水力聯(lián)系, 海底地下水通過地下含水層接受內(nèi)陸地下水補(bǔ)給。而海水補(bǔ)給方面, 海灘注水試驗(yàn)顯示,部分地區(qū)海灘砂的水平滲透系數(shù)為75 m/d, 垂向滲透系數(shù)為0.001 m/d。由此可見, 由于海底淤泥質(zhì)海相層的存在, 海底地下水接受海水的垂向補(bǔ)給量很少, 其主要補(bǔ)給方式應(yīng)是潮汐、波浪導(dǎo)致的水平補(bǔ)給。

通過上述分析, 萊州灣東岸海底地下水除受到內(nèi)陸含水層的凈補(bǔ)給外, 更大程度應(yīng)是由波浪、潮汐作用引起的海水補(bǔ)給。為進(jìn)一步證實(shí)此結(jié)論, 結(jié)合當(dāng)?shù)睾５椎叵滤_采量實(shí)際, 本次研究運(yùn)用數(shù)值方法估算徑流量。

4 太平灣海底地下水徑流量的估算

4.1 模型和方法

按照Burnett等[2]的觀點(diǎn), 海底地下水徑流量是指“陸地邊緣地帶從海底流向海岸海洋的任意水流, 而不論其流體的組成或驅(qū)動(dòng)力如何”。而根據(jù)萊州灣東岸地區(qū)海底地下水來源分析, 研究區(qū)海底地下水徑流量包括直接入海的地下水徑流量和海水入滲的流量?jī)纱蟛糠? 海水入滲又包括波浪和潮汐兩個(gè)分量, 因此, 研究區(qū)海底地下水徑流量估算采用以下模型[1]:

其中:DSGD為海底地下水徑流總量;Dn為地下水徑流直接入海的凈值分量;Dw為波浪影響下單位岸線長(zhǎng)度內(nèi)入滲量;Dt為潮汐波動(dòng)引起的海水入滲分量。

Dn由達(dá)西定律計(jì)算求得。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果, 研究區(qū)地下水水力坡度為5‰。

Dw值可由下式計(jì)算:

式中:K為海灘沙的滲透系數(shù);Sw為波浪爬高坡度;L為波浪破碎線與爬升線之間的距離;Sw、L可根據(jù)研究區(qū)波浪條件及海灘坡度進(jìn)行計(jì)算, 公式如下:

式中:σ為破碎指數(shù);Hb為破碎波高(m);Sb為海岸坡度。其中:

式中: g為重力加速度;T為波周期(s)。

Dt計(jì)算公式為:

式中:Dt為潮汐影響下單位岸線入滲率;k為潮汐影響下岸線入滲系數(shù);A為潮汐振幅;Tt為潮汐周期(s);w為潮汐頻率(w=2π/Tt);ne為海灘沙的有效孔隙度;H為含水層厚度。

4.2 參數(shù)選擇與計(jì)算結(jié)果

海岸含水層的滲透系數(shù)采用抽水試驗(yàn)方法取得,海灘沉積物的滲透系數(shù)利用豎管試驗(yàn)法(standpipe test)測(cè)定。為簡(jiǎn)化計(jì), 地下水入海徑流量的計(jì)算選擇典型斷面計(jì)算(圖4)。計(jì)算所用的主要參數(shù)見表2。

圖4 太平灣朱家村剖面地下水位Fig. 4 Groundwater level in Zhujia section in the Taiping Bay

單位岸線(m)海底地下水徑流量的計(jì)算結(jié)果如下:Dn＝10.3 m3/d;Dw＝25.2 m3/d;Dt＝45.8 m3/d; 以上三個(gè)分量占徑流總量的比例分別為 12.7%, 31.0%和56.3%, 地下水入海的凈值數(shù)量很少, 說明波浪和潮汐引起海水沿海灘沙的入滲是海底地下水徑流總量的主要組成部分。

另外, 本次計(jì)算的潮汐運(yùn)動(dòng)引起的入滲分量大于波浪運(yùn)動(dòng)引起的入滲分量, 原因在于本區(qū)屬半日潮區(qū), 潮汐往復(fù)運(yùn)動(dòng)較全日潮頻繁, 加之萊州灣東岸的海岸坡度較小(5‰), 潮汐運(yùn)動(dòng)帶來的大量海水入滲構(gòu)成海底地下水的主要來源。

表2 用于計(jì)算的主要參數(shù)Tab. 2 Parameters used in calculations

5 結(jié)論

萊州灣東岸海底地下水賦存于第四紀(jì)松散沉積物中, 第四紀(jì)中更新世以來形成并發(fā)育并受到全新世海侵的影響的水體。本文利用穩(wěn)定同位素——18O、D, 結(jié)合典型常規(guī)離子分析結(jié)果, 初步識(shí)別了萊州灣東岸典型地區(qū)海底地下水的來源。研究發(fā)現(xiàn), 該地區(qū)海底地下水除受到內(nèi)陸地下含水層的補(bǔ)給外, 更大程度接受由波浪、潮汐作用引起的海水入滲補(bǔ)給。

結(jié)合野外實(shí)測(cè)參數(shù)資料, 利用數(shù)值方法計(jì)算了研究區(qū)海底地下水補(bǔ)給量, 結(jié)果表明, 地下水徑流補(bǔ)給僅占總補(bǔ)給量的 12.7%, 波浪和潮汐引起海水沿海灘沙的入滲補(bǔ)給分別占總補(bǔ)給量的 31.0%和56.3%, 一方面說明波浪和潮汐引起海水入滲是當(dāng)?shù)睾５椎叵滤饕难a(bǔ)給來源, 另一方面也證明利用氫氧穩(wěn)定同位素識(shí)別海底地下水來源的可靠性。

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