冀東平原濱海地區(qū)淺層地下水水化學(xué)與同位素特征分析

劉宏偉，楊君，杜東，柳富田，孫曉明

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定 071051）

冀東平原濱海地區(qū)淺層地下水水化學(xué)與同位素特征分析

劉宏偉1，楊君1，杜東1，柳富田1，孫曉明2

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定 071051）

通過對(duì)2010年在冀東平原采集的34組水化學(xué)同位素樣品進(jìn)行分析，探討了地下水K+、Ca2+、Na+、Mg2+、SO42-、HCO3-與Cl-的關(guān)系，研究了氘氧同位素特征，為該區(qū)海（咸）水入侵研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究表明：區(qū)內(nèi)淺層地下水化學(xué)類型主要分為三類，沿南北方向具有一定的規(guī)律性；山前地段地下水受到的主要影響作用為溶濾作用和離子交換吸附作用，濱海地段地下水主要為混合作用和蒸發(fā)濃縮作用影響，過渡地段地下水主要為蒸發(fā)濃縮作用影響；濱海地段地下水樣品受海水混入影響明顯，是海（咸）水入侵的潛在危險(xiǎn)區(qū)。

水化學(xué)；氘氧同位素；淺層地下水；冀東平原

冀東平原濱海地區(qū)工程建設(shè)活動(dòng)強(qiáng)烈，地下水開采活動(dòng)頻繁，存在海（咸）水入侵、土壤鹽漬化、地下水位下降、地面沉降等諸多水土環(huán)境問題[1]。為此，開展地下水化學(xué)和同位素特征分析，以及水土質(zhì)量評(píng)價(jià)等工作對(duì)保護(hù)該區(qū)地下水生態(tài)環(huán)境具有重要意義。不少學(xué)者在此做了很多研究性工作，雷靜[2]選擇地下水開采量、地下水埋深等指標(biāo)評(píng)價(jià)了該區(qū)地下水的脆弱程度，王丹[3]利用模糊數(shù)學(xué)法對(duì)沿海地區(qū)海水入侵地下水進(jìn)行了評(píng)價(jià)，張偉敬[4]探討了該區(qū)地下水化學(xué)特征并分析了主要影響因素，田建平[5]對(duì)濱海平原區(qū)淺層地下水水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，這些成果為前期地下水的合理開發(fā)利用提供了重要依據(jù)。然而，隨著地下水的持續(xù)開采，其水質(zhì)和循環(huán)特征等也發(fā)生了相應(yīng)變化。筆者借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)[6～10]通過分析近期從研究區(qū)采集的地下水樣品，研究主要離子和氘氧同位素特征，揭示現(xiàn)狀條件下的地下水水化學(xué)形成作用，識(shí)別海（咸）水入侵的潛在危險(xiǎn)區(qū)，以期為該區(qū)水土生態(tài)環(huán)境的保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

地下水按埋藏條件分為淺層地下水系統(tǒng)和深層地下水系統(tǒng)。其中淺層地下水主要受大氣降水補(bǔ)給，其次為地表水體入滲和地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給，排泄方式主要為潛水蒸發(fā)、越流排泄及人工開采。根據(jù)沉積物巖性及水文地質(zhì)特征，本區(qū)第四系含水層系自上而下又可分為四個(gè)含水層組[11]，淺層地下水系統(tǒng)與第一、第二含水層組相對(duì)應(yīng)。第一含水層組底界面埋深40～60 m，巖性以粉砂、細(xì)砂為主，透水性好，屬單、雙層含水結(jié)構(gòu)。第二含水層組底界面埋深120～170 m，山前地區(qū)巖性由中細(xì)砂－中粗砂－礫石、卵石或含礫粗砂組成，透水性與富水性較強(qiáng)；濱海地區(qū)以薄層細(xì)砂、粉砂為主，含水層間多見粘土，透水性與富水性較弱，補(bǔ)給與徑流條件較差。

圖1 研究區(qū)位置及樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Sam p les and loca tion o f the study a rea

2 樣品采集與測(cè)試

在2010年沿地下水流向采取淺層地下水樣31組、海水樣2組、雨水樣1組（圖1），所有樣品直接從井口采集，采集前抽出井筒3倍以上的水量，樣品分別密封于1000 ml和100 ml聚乙烯瓶中。水質(zhì)簡(jiǎn)分析測(cè)試由天津地質(zhì)礦產(chǎn)測(cè)試中心完成，環(huán)境同位素氘（2H）、氧（18O）測(cè)試由核工業(yè)地質(zhì)分析測(cè)試研究中心和中科院地質(zhì)與地球物理研究所完成，測(cè)試結(jié)果見表1。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

3.1 樣品水化學(xué)類型分組

Piper三線圖顯示淺層地下水樣品的水化學(xué)類型可以分為3組（圖2）。結(jié)合樣品點(diǎn)所處的地理位置及含水層特征分析，Ⅰ組包含第一含水層組山前地段樣品以及第二含水層組山前地段和山前－濱海過渡地段樣品，Ⅱ組包含濱海地段第一、第二含水層組樣品，Ⅲ組為第一含水層組山前-濱海過渡地段樣品。

Ⅰ組：該組為淡水，樣點(diǎn)TDS＜1 g/L，Cl-＜0.07 g/L，陰離子以HCO3-為主，陽離子以Ca2+、Mg2+或Ca2+、Na+為主。樣品分布在唐?？h城北約10 km以北區(qū)域的第一含水層組（Ⅰ1組），以及唐?？h城南約10-15 km以北區(qū)域的第二含水層組（Ⅰ2組）。

Ⅱ組：該組為咸水[13]，樣品TDS＞10 g/L，Cl-＞7 g/L，水化學(xué)類型為Cl--Na+型。樣品分布在唐?？h城南約15～20 km島區(qū)的第一（Ⅱ1組）、第二含水層組（Ⅱ2組）。

Ⅲ組：該組為微咸水[13]，樣品2.5 g/L＜TDS＜3.5 g/L,0.7 g/L＜Cl-＜1.1 g/L，陰離子以Cl-、HCO32-為主，陽離子以Na+或Na+、Mg2+為主。分布于唐?？h城南約10～15 km至縣城之間的第一含水層組。

圖2 樣品Piper三線圖Fig.2 Piper figure o f the sam p les

3.1 Ⅰ組樣點(diǎn)

在HCO3--Cl-圖中（圖3），樣點(diǎn)均偏離海水稀釋線[7，14]較遠(yuǎn)；Ca2+、Mg2+、SO42-樣點(diǎn)也都高于海水稀釋線，其中Ca2+偏離較Mg2+、SO42-的?。籒a+和K+基本位于或臨近海水線上。離子的向上偏離主要是地下水溶解了土壤中的CO2并與地層中方解石、白云石、石膏、鉀長(zhǎng)石等[12]礦物發(fā)生溶濾作用所致。圖2中是以海水稀釋線作為對(duì)比線，因此不同離子與稀釋線的間距主要受海水本身離子比值影響[7]。六組關(guān)系圖中僅有K+在稀釋線兩側(cè)輕微波動(dòng)，可能是因該項(xiàng)離子海水的比值小且在地下水中的含量低造成的。沿海地區(qū)單純的大氣降水可視為海水的強(qiáng)烈稀釋[15]，雨水點(diǎn)相

那時(shí)的火鍋，其實(shí)應(yīng)該叫“火鼎”，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候鍋還沒有被發(fā)明出來，當(dāng)時(shí)的鼎可比鍋要大太多，所以想吃火鍋你首先得湊齊幾十個(gè)人。銅制的鍋?zhàn)优c陶制的砂鍋，到現(xiàn)在還是最實(shí)用、是最普遍的火鍋器皿，而大的鼎最后則延伸為權(quán)力的象征了。

對(duì)降水線的偏離可能是溶解部分污染物或蒸發(fā)鹽的原因[7]。離子關(guān)系圖說明該區(qū)樣點(diǎn)為大氣降水起源，在入滲地下和徑流過程中融入CO2并溶解了巖石礦物。

在δD-δ18O關(guān)系圖上（圖4），該區(qū)樣點(diǎn)都分布在大氣降水線右前方且靠近雨水點(diǎn)，也說明樣品來源于大氣降水，且在補(bǔ)給過程中經(jīng)受蒸發(fā)作用影響。

在piper三線圖上（圖2），樣點(diǎn)遠(yuǎn)離海水點(diǎn)，緊靠雨水點(diǎn)，分布范圍較為集中，說明該區(qū)樣點(diǎn)具有大氣降水特征，無海水混合跡象。

研究區(qū)海水的γMg2+/γCa2+值[17]以樣點(diǎn)C1-為基準(zhǔn)，能很好的區(qū)別海水混合的程度及范圍（圖5）。該區(qū)的γMg2+/γCa2+值除點(diǎn)C1-達(dá)到1.28外，其余樣點(diǎn)均小于1，可見海水混合甚微。

表1樣品測(cè)試結(jié)果Table 1 Resu lts o f sam p les m easu rem en t testing

圖3 主要離子與C l-關(guān)系圖Fig.3 Re lationship figure between main ions and ch loride ion

以上四個(gè)方面可以說明該區(qū)樣點(diǎn)為大氣降水來源，經(jīng)受蒸發(fā)效應(yīng)入滲補(bǔ)給地下，水化學(xué)作用以溶濾作用和離子交換吸附為主。

3.2 Ⅱ組樣點(diǎn)

圖2中Ca2+、Na+、Mg2+、SO42-樣點(diǎn)很好的落于海水稀釋線上，且靠近海水樣點(diǎn),說明海水混入比例較大。HCO3-的偏離也是因?yàn)镃O2的溶解，K+離子的輕微波動(dòng)同樣是因其含量低以及海水比值小造成。

δD-δ18O圖上（圖4），該區(qū)中樣點(diǎn)C29落于大氣降水域。其他樣點(diǎn)位于淡水點(diǎn)和海水點(diǎn)之間，證明樣點(diǎn)的水分子是由海水和大氣降水混合組成。C17點(diǎn)經(jīng)歷較為明顯的蒸發(fā)效應(yīng)。

Piper三線圖上（圖2），該區(qū)樣點(diǎn)緊靠海水點(diǎn)，顯示與海水點(diǎn)相同的特征，說明海水混入比例很大。

圖5顯示，該區(qū)中點(diǎn)C30的γMg2+/γCa2+值最小也達(dá)到3.45，其余樣點(diǎn)值均超過4.09，顯示受海水影響明顯。

以上四個(gè)方面可以說明該區(qū)樣點(diǎn)為海水和淡水的混合，且海水混入比例較大，水化學(xué)作用以混合作用和蒸發(fā)濃縮作用為主。

圖4 δD-δ18O關(guān)系圖[16]Fig.4 Re lation o fδD andδ18O

圖5 γMg2+/γCa2+與Cl-關(guān)系圖Fig.5 Re la tion o fγMg2+/γCa2+and C l-

3.3 Ⅲ組樣點(diǎn)

從圖2中K+、Na+、Mg2+、SO42-與Cl-關(guān)系可以看出，該組樣點(diǎn)雖然較少但分布相對(duì)集中，且很靠近海水稀釋線。CO2的溶解導(dǎo)致HCO3-的偏離，Ca2+的偏離程度較Ⅰ區(qū)樣點(diǎn)明顯減小，說明其溶解礦物的能力已漸趨穩(wěn)定。隨著樣點(diǎn)與海距離的逐漸縮短，海水成分的混入逐漸掩蓋了淡水中原有濃度明顯高的成分。

δD-δ18O圖上（圖4），該組中樣點(diǎn)C14、C15表現(xiàn)出與Ⅰ區(qū)樣點(diǎn)相同的特征。樣點(diǎn)C16位于淡水點(diǎn)和海水點(diǎn)之間，且更靠近海水，表現(xiàn)出海水與淡水混合的特征。

三線圖上（圖2），該區(qū)樣點(diǎn)位于淡水點(diǎn)和海水點(diǎn)之間，顯示海水混入跡象。該區(qū)處于Ⅰ、Ⅱ兩區(qū)連線偏下的位置，說明受到了水化學(xué)作用過程的影響。

圖5中，C14樣點(diǎn)γMg2+/γCa2+值達(dá)到5.26，點(diǎn)C16的γMg2+/γCa2+達(dá)到3.54，均指示受海水混入影響；而點(diǎn)C15在此表現(xiàn)為淡水特征。

圖6中該區(qū)和Ⅱ區(qū)樣點(diǎn)的TDS-Cl-線性關(guān)系很好（R2=0.99）,這顯示Cl-越來越能反映出TDS的特征，說明隨著樣點(diǎn)與海的距離逐漸接近，海水的混合作用越來越明顯。與之相反，淡水Ⅰ區(qū)樣點(diǎn)TDS與Cl-比值變化較大，這反映出溶濾作用是淡水區(qū)礦化度的主要影響因素。

圖7也顯示該組以及Ⅱ區(qū)樣點(diǎn)Na++K+與Cl-有很強(qiáng)的線性關(guān)系（R2=0.99），說明其Na++K+的來源主要是海水。而淡水Ⅰ區(qū)的Na++K+主要來源于雨水及上游的地下水的側(cè)向補(bǔ)給，所以線性關(guān)系相對(duì)較差。

綜上所述，該區(qū)樣點(diǎn)水化學(xué)同位素特征顯示地下水主要受蒸發(fā)濃縮作用影響，其次受到混合（海

水、咸水）作用和離子交換作用等影響。

圖6 TDS-Cl關(guān)系圖Fig.6 Re lation o f TDS and Cl-

4 討論

野外采取地下水樣品時(shí)，受實(shí)際條件的限制導(dǎo)致唐?？h城南至島區(qū)之間樣品點(diǎn)較少，造成該地段地下水化學(xué)特征揭示不夠全面，建議后續(xù)研究進(jìn)一步補(bǔ)充樣點(diǎn)。

研究區(qū)地下水從山前到濱海徑流過程中經(jīng)歷溶濾作用、蒸發(fā)濃縮作用、混合作用以及陽離子交替吸附作用等復(fù)雜過程形成現(xiàn)有的水化學(xué)成分，因此后續(xù)海（咸）水入侵研究時(shí)不能簡(jiǎn)單的以淡水和海（咸）水作為兩個(gè)端元計(jì)算混合比例。

5 結(jié)論

（1）自北部山前至濱海，淺層地下水（Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅱ區(qū)）化學(xué)類型分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即由HCO3--Ca2+·Mg2+（Ca2+·Na+）→Cl-·HCO3--Na+（Na+· Mg2+）→Cl--Na+過渡。

（2）相對(duì)而言，山前地段地下水受溶濾作用和離子交換吸附作用影響明顯，濱海地段地下水受混合作用和蒸發(fā)濃縮作用影響明顯，過渡地段地下水受蒸發(fā)濃縮作用影響明顯。

（3）從地下水樣品中海水混入比例來看，濱海地段是海（咸）水入侵災(zāi)害發(fā)生的潛在危險(xiǎn)區(qū)。

圖7 Na+K-Cl關(guān)系圖Fig.7 Re lation o f Na++K+and Cl-

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Hydrochem icaland Isotopic Characteristics Analysisof the Shallow Groundwater in Jidong CoastalArea

LIU Hong-wei1，YANG Jun1，DU Dong1，LIU Fu-tian1，SUN Xiao-ming2

(Tianjin Center,ChinaGeological Survey,Tianjin,300170,China；Hydrogeology and EnvironmentalGeology Centerof CGS,Baoding,Hebei,071051,China)

The hydrochem ical and isotopic data of the groundwater are analyzed based on 34 samples taken from coastal area,Jidong plain in 2010.The relationships among K+,Ca2+,Na+,Mg2+,SO42-,HCO3-and Cl-are discussed.Meanwhile,the relationship between D and O18wasanalyzed,which provided the data base for sea(salty) water intrusion research.The results show that there are three kinds of hydrochem ical types for shallow groundwaterwhich have a regular distribution along SN direction.The characteristics of groundwater aremainly affected by leaching and evaporation in piedmont zone,bym ixing and evaporation in coastal zone,and by evaporation in the transitionalzone.Samples are affected by seawaterm ixing in coastal area,which indicates a potential dangerouszone forsaltwater intrusion.

hydrochem istry;deuterium;oxygen isotope;shallow groundwater;Jidong plain

P641.3

A

1672－4135（2014）02－0108-07

2014-01-14

中國(guó)地質(zhì)大調(diào)查項(xiàng)目：萊州灣地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)（12120113003800）；曹妃甸環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)（1212011120086）；國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)課題（201011019-02）

劉宏偉（1982-），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)、地下水同位素與水化學(xué)研究，E-mail: liuhenry022@163.com。