山東省日照沿海淺層地下水化學(xué)特征與成因探討

高宗軍，張洪英，孫夢醒，徐紅兵，姚東旭

(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.青島地質(zhì)工程勘察院，山東 青島 266071)

山東省日照沿海淺層地下水化學(xué)特征與成因探討

高宗軍1，張洪英1，孫夢醒1，徐紅兵2，姚東旭1

(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.青島地質(zhì)工程勘察院，山東 青島 266071)

日照地處山東省東南沿海，淺層地下水類型為第四系松散巖類孔隙水與基巖裂隙水。通過對日照市淺層地下水1984～1992年與2013年水化學(xué)資料進(jìn)行分析對比，結(jié)果顯示，從1980年以來，日常市淺層地下水水化學(xué)特征發(fā)生巨大變化，由HCO3型或HCO3·Cl型為主逐漸轉(zhuǎn)化為NO3-、SO42-型，出現(xiàn)NO3-Ca·Na型水和NO3·SO4型水等更復(fù)雜類型地下水。且靠近沿海區(qū)域的地下水Cl-離子含量相對較高。分析認(rèn)為，該特征形成原因是東南季風(fēng)攜帶了海水氣溶膠干降或隨降水濕降所致。該區(qū)近年來硫酸鹽及硝酸鹽污染急劇加重，致使淺層地下水中的硫酸根含量劇增，使地下水水質(zhì)受到嚴(yán)重污染，應(yīng)引起足夠重視。

沿海；淺層地下水；氯離子含量；東南風(fēng)；海水氣溶膠

地下水[1]是一種天然溶液，其物質(zhì)組成是所處地質(zhì)環(huán)境的直接反映[2]。影響地下水化學(xué)性質(zhì)的因素包括自然和人類活動(dòng)兩個(gè)方面[3]，自然因素包括氣候、水文、地理、地貌等，人類活動(dòng)主要的表現(xiàn)形式就是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及生活對包括氣候在內(nèi)的自然環(huán)境的改變，特別是對微地形地貌、地表水文與淺層土壤及水環(huán)境的改變，如工農(nóng)業(yè)及居住用地及工農(nóng)業(yè)污染物排放等，將直接造成地下水化學(xué)性質(zhì)變化。地下水水化學(xué)類型是地下水化學(xué)成分的集中反映，是地下水水文地球化學(xué)特征研究的重要內(nèi)容[4]，可以示蹤地下水的循環(huán)途徑同時(shí)反映地下水流動(dòng)特征。隨著地下水污染的日益加重[5-6]，國內(nèi)外學(xué)者對于地下水水化學(xué)的研究越來越重視[7-13]。這里僅就沿海地區(qū)淺層地下水(未進(jìn)行地下水類型劃分)水化學(xué)成分中出現(xiàn)較高的Cl-離子含量進(jìn)行了成因探討，認(rèn)為其形成原因應(yīng)該是東南季風(fēng)攜帶大量海水氣溶膠干降或隨降水濕降所致。

1 日照市概況

日照[14]位于山東半島南翼，東臨黃海，海岸線長98.77 km (圖1)。屬暖溫帶半潮濕季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明。年均降水量826.8 mm，蒸發(fā)量1 299.0 mm。降水多集中在夏秋季，常伴以南風(fēng)、東南風(fēng)；冬季干旱少雨。日照地區(qū)從東向西地形基本呈海濱平原—低山丘陵—山間盆地分布，以中部的北東—南西向低山群為界，西部為莒縣盆地，東部為向黃海傾斜的低山丘陵—海濱平原區(qū)(圖2)。

根據(jù)地下水賦存條件、含水層性質(zhì)及水力特征，日照市地下水類型可分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水及基巖裂隙水等，靠近沿海地區(qū)，地下水類型主要為松散鹽類孔隙水及基巖裂隙水兩種類型，相互水力聯(lián)系密切，目前開發(fā)利用強(qiáng)度較低，它們的補(bǔ)徑排條件依然保持著近天然的裂隙水補(bǔ)給孔隙水的狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，不同類型地下水的水化學(xué)特征具有一致性或連續(xù)性，加之其埋藏條件較淺，因而本次把各類地下水統(tǒng)稱為淺層地下水。

圖1 日照市交通位置圖

圖2 日照市地形及分水嶺分布示意圖

圖3 1984-1992年地下水水化學(xué)圖

2 沿海淺層地下水化學(xué)特征

利用1984-1992年淺層地下水的水質(zhì)分析資料所做的水化學(xué)類型圖(圖3)可以看出，日照市淺層地下水的水化學(xué)類型主要以HCO3型或HCO3·Cl型為主，其中HCO3型主要分布于當(dāng)?shù)胤炙畮X以西的五蓮縣和莒縣境內(nèi)，HCO3·Cl型或Cl·HCO3型主要分布于日照東部沿海地區(qū)，靠近海岸則主要為Cl型。這就說明，在分水嶺以東的沿海地帶，淺層地下水中Cl-含量較高。

表1 1984年-1992年部分日照沿海淺層地下水庫爾洛夫式統(tǒng)計(jì)表

說明：為示讀方便，本表對庫爾洛夫式中各種離子的化學(xué)符號做了簡化：分子中的陰離子，C表示Cl-，H表示HCO3-，S表示SO42-；分母中的陽離子，C表示Ca2+，N表示Na+，M表示Mg2+

然而，由表1可見，1984-1992年期間淺層地下水的礦化度不高，絕大部分低于0.3 g/L，這與內(nèi)陸地區(qū)大部分近天然狀態(tài)的淺層地下水是相一致的，所不同的是其Cl離子含量相對要高的多。

1994年-2005年的十余年間，是日照市作為地級市發(fā)展進(jìn)入最快期，淺層地下水的水化學(xué)變化也呈現(xiàn)快速變化(表2)。位于日照市最大河流的中上游日照水庫之下的小代疃村地下水TDS增加1倍，硝酸根含量從無到有，并逐漸上升到第一位，其Cl-相對含量一直保持較高水平。

表2 小代疃村淺層地下水1994-2004庫爾洛夫式統(tǒng)計(jì)表

由2013年在全區(qū)開展了地下水污染調(diào)查，所采得的淺層地下水水化學(xué)分析結(jié)果(圖4，表3)可以看出：靠近海邊的局部區(qū)域，分布有小范圍的Cl型及Cl·HCO3型水；其外圍、稍遠(yuǎn)離海邊較大面積分布的是HCO3·SO4或HCO3·Cl型水；甚至在分水嶺東側(cè)，出現(xiàn)了條帶狀分布的NO3-型或NO3·SO4型或NO3·HCO3型水，即有相當(dāng)部分淺層地下水中硝酸根的相對含量已經(jīng)超過了其它的陰離子。

圖4 2013年地下水水化學(xué)圖

樣號庫爾洛夫式樣號庫爾洛夫式樣號庫爾洛夫式WRY01DM0．70N42C27S17H14C52N30M18WRY16LM0．69N42C27S19H13C53N34M14WRY-17M0．46N39S24C21H17C51M24N24WRY-20M0．39S28N28H22C22C48N26M24WRY-29M0．25S33N28H20C19C51M25N24WRY33M0．30N47H23C16S15C49N30M20WRY37TM0．52C39N30S16H15N45C39M16WRY-40M1．09N40H25C23S19C46NH23N21WRY-47M0．70N34C30H25S11C57M22N21WRY-49M0．64N35S23C22H20C48M34N18符號意義同表1

顯然，與20世紀(jì)八九十年代相比，2013年日照市淺層地下水的水化學(xué)類型中除了保持了足夠多的Cl-以外，還大量出現(xiàn)了NO3-、SO42-。與之相對應(yīng)，陽離子則基本保持了Ca·Na或Ca·mg或Ca·Na·Mg類型(表3)，Ca離子保持著巨大的優(yōu)勢。盡管水化學(xué)成分相對含量發(fā)生了巨大變化，大部分地下水的礦化度也提高了一倍，但是依然保持在較低的水平(表3)，處于0.3～0.7 g/L之間，僅個(gè)別達(dá)到了1 g/L以上。

3 討論

通過以上可以看出，日照市淺層地下水具有與內(nèi)陸地區(qū)顯著的水化學(xué)差異，其顯著的特征主要有二：(1)靠近沿海區(qū)域的淺層地下水中氯離子含量相對較高，即便在地下水的礦化程度較低、其TDS低于0.3 g/L的時(shí)候也是這樣；(2)1990年以來，全市淺層地下水的類型發(fā)生了巨大變化，由HCO3型(當(dāng)?shù)胤炙畮X以西，遠(yuǎn)離海邊)或HCO3·Cl型(當(dāng)?shù)胤炙畮X以東，靠近海邊)為主，轉(zhuǎn)化為NO3-、SO42-相對含量逐漸快速增加，在水化學(xué)類型中參與命名，并且有的已經(jīng)占絕對優(yōu)勢，如出現(xiàn)了NO3-Ca·Na型水、NO3·SO4型水等或更復(fù)雜類型的水。經(jīng)調(diào)查與研究，發(fā)現(xiàn)其成因如下：

3.1 海水汽沉降造成沿海區(qū)域淺層地下水氯離子相對含量偏高

通常認(rèn)為地下水中Cl濃度的改變只是由于蒸發(fā)濃縮、原始降雨補(bǔ)給地下水，和地下水中不同濃度的Cl混合，或者基巖裂隙水中Cl的彌散作用而受到影響。一般情況下，Cl型水多出現(xiàn)在鹽堿地區(qū)或者高礦化度的地下水中，鹽堿地區(qū)由于蒸發(fā)濃縮作用強(qiáng)烈，地下水中的鹽分不斷聚集，最終導(dǎo)致Cl含量較高；深層地下水中，由于地下水的不斷運(yùn)動(dòng)，其礦化度逐漸升高，通常從補(bǔ)給區(qū)到排泄區(qū)地下水化學(xué)類型的變化規(guī)律為：HCO3--SO42--Cl，因此鹽堿地和排泄區(qū)的地下水多為Cl型水。但是日照市相反，其礦化度并不高，但是其氯離子的相對含量卻較高。

日照市淺層地下水的主要來源是大氣降水，尤其是在廣泛分布于的低山丘陵區(qū)。眾所周知，雨水的化學(xué)成分決定于水蒸汽和水汽的來源。由于該區(qū)東部沿海區(qū)域受到中部低山(當(dāng)?shù)胤炙畮X)的阻隔，與西部內(nèi)陸區(qū)域大氣循環(huán)減弱，特別是雨季，該處東南季風(fēng)發(fā)育，所以沿海地區(qū)降水主要來源于東部海洋海水的蒸發(fā)作用形成的蒸汽(圖5)。

在海洋上空，水蒸氣大多數(shù)來自于海水的蒸發(fā)，水汽類似于被強(qiáng)烈稀釋的海水，其氯化物的濃度可達(dá)到10～15 mg/L。特別是海岸帶上空，水汽中包含了大量海浪破碎或海水表面氣泡突然破裂時(shí)產(chǎn)生的由小液滴組成的海洋氣溶膠，其最大的微粒直徑可超過10 μm，并仍保留著接近海水的成分，即含有海鹽，因而其組分與海水相似。

海風(fēng)帶來的海水汽形成的降水的補(bǔ)給，是造成沿海區(qū)域淺層地下水氯離子相對含量偏高的主要原因。即使在天然或近天然條件下，由于其補(bǔ)給的來源含有大量的含有海鹽成分的海水汽，淺層地下水的循環(huán)速度快，因而礦化程度較低，但是其氯離子含量卻普遍相對偏高。

圖5 降水形成模擬圖

3.2 人類活動(dòng)對地質(zhì)環(huán)境的影響是造成水化學(xué)性質(zhì)急劇變化的根源

與我國的其它沿海地區(qū)一樣，沿海的日照市改革開放以來，工農(nóng)業(yè)發(fā)展十分迅速，城市化進(jìn)程突飛猛進(jìn)，但是也帶來了對地質(zhì)環(huán)境的嚴(yán)重影響，尤其是對環(huán)境的污染。

根據(jù)1978年至2013年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)有效灌溉面積由1978年的90 094 hm2增加到2011年的最高值120 220 hm2，有效灌溉面積增加了1.3倍，隨后有所下降；化肥使用量由1978年的107 599 t(折純量46 606 t)增加到2006年最高的425 187 t(折純量159 996 t)，化肥使用量增加了3.95倍(之后化肥施用量有下降趨勢)(圖6)。由此看出，在有效灌溉面積耕地增長有限的的情況下，化肥使用量增加的幅度較大，說明目前的農(nóng)業(yè)對化肥的依賴越來越強(qiáng)，當(dāng)然對環(huán)境的氮污染加重就成為必然。

圖6 日照市歷年有效灌溉面積與化肥施用量曲線圖

至于淺層地下水中硫酸鹽的污染，該市與淮河以北的城市一樣，工業(yè)、發(fā)電、取暖等都離不開燃煤。而燃煤中含有大量的硫，致使空氣中彌漫著大量的硫化物(即由當(dāng)?shù)匦纬傻?，也有?nèi)陸地區(qū)飄移來的)，通過大氣干降和降水濕降燈形式落到地面，然后隨著降水入滲一同進(jìn)入地下，氧化為硫酸根，這就是造成該區(qū)淺層地下水中硫酸根含量增加的主要原因。

4 結(jié)語

(1)沿海淺層地下水受海水汽形成的降水補(bǔ)給影響而呈現(xiàn)較高的氯離子含量。日照市靠近東南沿海，其北東向展布的低山丘陵構(gòu)成了本區(qū)的分水嶺，致使其東西兩側(cè)的淺層地下水的水化學(xué)性質(zhì)也出現(xiàn)了差異。位于分水嶺東部的靠近海邊的沿海地區(qū)，淺層地下水中的氯離子含量較高，即使是在近天然狀態(tài)的20世紀(jì)八九十年代，其礦化程度較低，TDS約為0.2～0.3 g/L時(shí)，其氯離子相對含量也較高，與內(nèi)陸同等礦化程度的、分布于低山丘陵區(qū)的淺層地下水大多含有較低的氯離子是截然不同的。研究發(fā)現(xiàn)，這是由于當(dāng)?shù)赜昙緰|南季風(fēng)將含有大量海水氣溶膠的海水汽攜帶到陸地，遇低山受阻形成局部降水，從而補(bǔ)給淺層地下水的緣故。

(2)過渡施用氮肥導(dǎo)致淺層地下水硝酸根含量猛增，燃含硫煤導(dǎo)致淺層地下水硫酸根含量升高。從1980年至今，日照市淺層地下水的水化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了巨大變化：由HCO3型(當(dāng)?shù)胤炙畮X以西，遠(yuǎn)離海邊)或HCO3·Cl型(當(dāng)?shù)胤炙畮X以東，靠近海邊)為主，轉(zhuǎn)化為NO3-、SO42-相對含量逐漸快速增加，在水化學(xué)類型中參與命名，并且有的已經(jīng)占絕對優(yōu)勢，如出現(xiàn)了NO3-Ca·Na型水、NO3·SO4型水等或更復(fù)雜類型。研究認(rèn)為，其硝酸鹽含量增加，是由于農(nóng)業(yè)大量使用氮肥的結(jié)果；而硫酸鹽含量的增加，源于當(dāng)?shù)丶皟?nèi)陸地區(qū)大量燃燒含硫份較高的煤炭，使得大氣中的大量硫份以大氣干降或降水濕降的形式落到地面，再隨著大氣降水入滲進(jìn)入地下，經(jīng)過不斷氧化形成穩(wěn)定的硫酸鹽，致使淺層地下水中的硫酸根含量劇增。

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The chemical characteristics and causes of shallow groundwater in the Rizhao coastal area of Shandong province are discussed

GAO Zong-jun1, ZHANG Hong-ying1, SUN Meng-xing1, XU Hong-bing2, YAO Dong-xu1

(1.Shandong University of Science and Technology School of Earth Science and Engineering，Shandong Qingdao 266590;2.Qingdao Geological Engineering Investigation Institute，Shandong Qingdao 266071)

The Rizhao is located along the southeastern coast of Shandong province, and the shallow groundwater type is the fourth line of the loose rock pore water and the rock crack water. The analysis and comparison of water chemical data from 1984-1992 and 2013 were shown that, since 1980,a great change of the shallow groundwater hydrochemical characteristics in Rizhao, by mainly HCO3type or HCO3Cl type gradually transformed to NO3-, SO42-, NO3-Ca·Na water and NO3SO4type water more complex types of groundwater. And near the coastal area of groundwater, Cl-content is relatively high. The analysis suggests that this feature is caused by the fact that the southeast monsoon carries seawater aerosols dry or is caused by the decrease with precipitation. In recent years, the pollution of sulfate and nitrate has increased sharply, which results in a sharp increase of sulfate content in shallow groundwater and seriously polluted groundwater quality, which should be paid enough attention to.

coastal; shallow ground water; chloride ion content; the southeast wind; the seawater aerosol

2017-03-23

山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)(日照部分)1:10萬地下水污染調(diào)查評價(jià)

高宗軍(1964-)，男，山東泰安人，教授，主要從事水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)等教學(xué)研究。

P641.12

A

1004-1184(2017)04-0001-04