南通市深層地下水咸化成因探究

王 琦， 馬青山， 駱祖江

(1.江蘇省地質環(huán)境勘查院,南京市 211102； 2.河海大學地球科學與工程學院，南京市 211100)

南通市深層地下水咸化成因探究

王 琦1， 馬青山2， 駱祖江2

(1.江蘇省地質環(huán)境勘查院,南京市 211102； 2.河海大學地球科學與工程學院，南京市 211100)

針對南通市深層含水層-第III承壓含水層地下水咸化問題, 在分析水動力場和水化學場變化特征基礎上，結合地下水同位素特征分析成果，對其地下水咸化成因進行了研究。結果表明，長期大量開采深層地下水, 造成了地下水位大幅下降，已形成了區(qū)域性的地下水位降落漏斗。深層含水層和上覆含水層之間出現(xiàn)了較大的水位差，致使上部咸水下移入侵到下部含水層，進而導致深層淡水水質咸化。

水動力場；水化學場；同位素分析；淡水咸化；南通市

0 引言

隨著南通市社會經(jīng)濟快速發(fā)展，用水需求量不斷增加，長期大量開采深層地下水，造成深層地下水水位大幅度下降,水質也相應地發(fā)生了一定的變化。區(qū)內深層地下水出現(xiàn)礦化度升高，水質咸化的趨勢，部分地區(qū)的某些水井失去飲用價值。深層淡水的咸化已成為影響區(qū)內地下水環(huán)境的一個重要問題，引起人們普遍關注。

近年來，盡管地下水水質問題受到了社會的廣泛關注[1-5]，但針對南通地區(qū)深層地下水咸化成因的系統(tǒng)研究還相對較少[6-9]。本文在掌握研究區(qū)域水文地質條件和地下水咸化現(xiàn)狀特征的基礎上，通過分析水動力場和水化學場變化特征，并結合地下水同位素特征，對南通市深層含水層-第III承壓含水層地下水水質咸化成因進行分析，從而為地下水資源科學規(guī)劃管理和保護地下水環(huán)境提供依據(jù)。

1 區(qū)域水文地質條件

研究區(qū)內除狼山、軍山、劍山、馬鞍山、黃泥山有志留系、泥盆系砂巖出露外，其余廣大地區(qū)均被第四系堆積物覆蓋。第四系厚度200～360m，為多沉積旋回韻律的海陸交替變化的巨厚松散地層，并夾有多層狀透水性良好的砂層，為區(qū)內孔隙地下水的形成提供了有利的賦存條件。區(qū)內廣泛分布著水量大、水質復雜、多層次的松散巖類孔隙水。根據(jù)地下水賦存條件、水理性質及水動力特征，以及含水層沉積年代，將孔隙地下水自上而下劃分4個含水層組[10-11]，即：孔隙潛水含水層組(Q4)、第Ⅰ承壓含水層組(Q3)、第Ⅱ承壓含水層組(Q2)、第Ⅲ承壓含水層組(Q1)、第Ⅳ承壓含水層組(N2)(圖1)。

孔隙潛水含水層組由第四系全新統(tǒng)構成，埋藏于50m 以淺，含水層厚度20～30m，處于一個開放性的地質環(huán)境中。富水性較差，除如皋-海安以西基本為淡水外，其它地區(qū)多為咸水，利用價值不大。

第Ⅰ承壓水含水層(組)由上更新統(tǒng)沖積、沖海積松散地層組成， 分布廣泛，頂板埋深30～70m，中間高南北低。含水介質以粉細砂、中粗砂為主，呈現(xiàn)西部顆粒粗，東部顆粒細的變化規(guī)律。單井涌水量2 000～5 000 m3/d，承壓水頭埋深1～3m。水質較復雜。受海水及后期地表水的補給淡化影響，具有明顯的分帶性：角斜鎮(zhèn)(海安)-掘港鎮(zhèn)(如東)-涂鎮(zhèn)(通州)-包場鎮(zhèn)(海門)-匯龍鎮(zhèn)(啟東)一線以東地區(qū)水質較差，地下水礦化度大于10 g/L，屬C1-Na型咸水，不能飲用。此線以西受后期淡化影響，地下水礦化度1～3 g/L，屬HCO3·C1-Na型微咸水。此線以東沿海地區(qū)、沿江地區(qū)(除啟東沿江段外)礦化度小于1 g/L屬淡水，水質類型為HCO3-Na型水。

圖1 南通市水文地質剖面Figure 1 Nantong City hydrogeological section

第II承壓水含水層(組)由中更新統(tǒng)河流、河口相沉積的松散層組成，分布廣泛，含水層頂板埋深140m左右，含水層厚度20～60m，局部小于10m。含水層巖性為粉細砂、中粗砂及砂礫層，單井涌水量300～3 000 m3/d，承壓水位埋深3～5m，與上部第Ⅰ承壓水之間分布有10～15m厚的亞粘土層，隔水性能良好，但局部地段如東陳等地區(qū)隔水層缺失，造成Ⅰ、Ⅱ承壓水直接接觸，發(fā)生水力聯(lián)系，水質復雜，在海安西北部、如皋西南及南通市區(qū)沿江等地帶，礦化度小于1.0 g/L，其余大部分為半咸水和咸水。

第Ⅲ承壓含水層由下更新統(tǒng)長江古河道沉積的松散層組成，分布廣泛，是南通地區(qū)主要開采層，含水層頂板埋深187～270m，含水層厚度20～100m，含水層巖性為灰色中細砂、中粗砂，局部為含礫卵石層，單井涌水量1 000～3 000 m3/d，局部小于1 000 m3/d，承壓水位埋深在海安、如皋及如東西部和北部為10～20m，南通市區(qū)、如東馬塘至啟東西部為30～40m，與上部第Ⅱ承壓水之間有2～50m厚的灰黃、灰綠色黏土、亞黏土層，隔水性能良好，但局部地段如海門三陽一帶隔水層缺失，造成Ⅱ、Ⅲ承壓含水砂層直接接觸，形成較強的水力聯(lián)系。該含水層水質較好，大部分為礦度小于1.0g/L的淡水，部分地區(qū)礦化度1.0～3.0g/L，為微咸水(圖2)。

大量開采地下水改變了天然條件下中的地下水補給、徑流、排泄平衡狀態(tài)。第III承壓含水層由于水質優(yōu)被廣泛開發(fā)利用，并已達相當規(guī)模，地下水補給、徑流、排泄條件發(fā)生較大變化。補給作用明顯增強，主要可得到三方面的補給：

其一是來自頂部的滲流補給，受頂板隔水層的巖性和厚度以及第Ⅱ、Ⅲ承壓含水層之間水頭差雙重因素控制，在平面區(qū)間補給強度變化較大。其二是來自周邊(包括海域方面)的側向徑流補給，人為開采作用在含水層內部形成了較大的水力梯度，有利于地下水自四周向水位降落中心地段集流。區(qū)內長江邊界為特定的水文地質邊界，在研究區(qū)西部的長江段對岸，即張家港境內近長江邊岸一帶，曾有多個普查孔揭露Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層，并使之直接連通，表明長江水頭可直接影響兩側Ⅲ承壓含水層水頭的變化。因此可不容置疑認為研究區(qū)西段長江岸線組成的邊界具有一定的補給作用，但往東補給強度有變弱趨勢。其三是來自頂?shù)装逭承酝翆雍腿跬杆畬拥尼屗a給，從補給量分析，該項補給較為微弱，但能較長時間反映在地下水流場中，在一定程度上可影響到地下水的量變和質變。

2 深層地下水咸水現(xiàn)狀、分布及咸化進程

多年來高強度、普及性開采地下水，改變了深層地下水正常的補給、徑流、排泄條件，出現(xiàn)了以氯離子含量增高為標志的咸水污染，礦化度明顯增高，深層地下水逐漸咸化，有的已成為苦咸水。當前，海安西場一帶、通州境內的騎岸-慶豐-五甲片、海門啟東境內的三陽-通興-啟東城-寅陽地下水礦化度均超過了1 870 mg/L,最高值達5 460 mg/L。淡水分布區(qū)地下水礦化度為540～980 mg/L(圖3)。

據(jù)監(jiān)測，南通市深層地下水的咸化有如下特征：

(1) 咸化范圍上，啟東大部分地區(qū)和海門市三陽、悅來以及如東縣環(huán)港沿海一帶成片咸化現(xiàn)象較為明顯，其他區(qū)域為點狀咸化。(2) 咸化程度上，東部地區(qū)重于西部地區(qū)，沿海地區(qū)重于內陸地區(qū)，重度開采區(qū)重于一般開采區(qū)(圖3)。(3) 咸化速度上，20世紀80年代開始逐步咸化，90年代中期以后加速發(fā)展。如啟東市志良水點，1997年以來礦化度由1 450 mg/L 增到2009年的1 850 mg/L，每年增加近100 mg/L；氯離子體積分數(shù)由576 mg/L增加到692mg/L；全硬度由445 mg/L增到571 mg/L。海門市悅來水點早期礦化度僅為500 mg/L，1997年以來由1 110 mg/L增到2009年的1 680 mg/L；氯離子濃度由402 mg/L增加到639 mg/L；全硬度由404 mg/L增到543 mg/L，早期的優(yōu)質淡水已變成半咸水；水化學類型則由HCO3-Na-Ca型轉化成Cl-HCO3-Na型[6]。

圖2 第III承壓含水層礦化度等值線Figure 2 Isogram of salinity of confined aquifer III

圖3 第III承壓含水層礦化度、氯離子濃度及地下水位等值線Figure 3 Isogram of confined aquifer III salinity, chloride ion concentration and groundwater level

3 咸化原因探究

3.1 水動力場特征分析

20世紀80年代至90年代中期，由于國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)自來水不能滿足工業(yè)生產需要，因而地下水開采量猛增。第Ⅲ承壓水開采井數(shù)量由1982年的306眼增加至1996年的1048眼，日開采量由不足12萬m3增加至39.3萬m3，14年間開采規(guī)模已擴大了三倍。到1997年地下水開采量已達峰值。開采層位不僅有第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層，而且還有第Ⅳ或更深層位的第V承壓含水層。1997年以后政府加強了對地下水資源開采管理，第Ⅲ承壓地下水開采井2005年增至1141眼，但年開采量則明顯下降，日開采量約為16.9萬m3，不足上一階段1/2。但由于受到社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃等條件的限制，開采井仍大量集中分布于城鄉(xiāng)地區(qū)，少數(shù)地區(qū)仍存在集中超量開采地下水的現(xiàn)象，如東馬塘、海門三廠、啟東呂四港等地，東部沿海地區(qū)依舊是第Ⅲ承壓水的超開采區(qū)。

由于長期以來大量或過量開采，第Ⅲ承壓水水位逐年降低，超采情況嚴重的東部沿海地區(qū)水位更是降到30m以下，水位降落漏斗不斷擴大并形成區(qū)域性水位降落漏斗。第Ⅲ承壓地下水歷史開采量與地下水位曲線如圖4所示。

圖4 第III承壓地下水開采量與水位曲線Figure 4 Confined water aquifer III groundwater withdrawal and water level curve

在天然條件下，由于地下水運動緩慢，區(qū)內各含水系統(tǒng)地下水水質狀態(tài)相對穩(wěn)定。但 20世紀80年代后，深井數(shù)和開采量大增，地下水位隨之下降了10～40 m，在上部咸水和下部淡水巨大水頭差的作用下，為了維持開采量與補給量之間的平衡,垂向上的水流機制起到了促進水體運動的作用,水頭高的咸水向水頭低的淡水層越流補給,造成深層淡水咸化。

3.2 水化學場特征分析

對比分析兩個時期的地下水水化學場特征可以發(fā)現(xiàn)，長期大量開采地下水破壞了原始的水文地質環(huán)境，改變了原有的補給、徑流、排泄條件，導致化學組分不斷變化，礦化度、氯離子含量增高，使主采層地下水咸化程度加劇?？梢钥闯?，礦化度小于0.75g/L的樣本數(shù)從20世紀60-70年代的2/3減小至不到1/3，大于1.0g/L的樣本數(shù)比重呈現(xiàn)增大的趨勢，至2001-2002年達到了42.03%，Cl-與礦化度的變化特征基本相似，也呈現(xiàn)為普遍增高的變化趨勢。水化學類型由 HCO3-Na(Ca)型和HCO3·Cl-Na(Ca)型轉變?yōu)镃l-Na型和Cl·HCO3-Na型, 早期的優(yōu)質地下淡水變?yōu)榱税胂趟?/p>

3.3 地下水同位素特征分析

3.3.1 H、O同位素特征

利用現(xiàn)有地下水氫氧同位素資料對南通地區(qū)地下水循環(huán)狀態(tài)和補給運移規(guī)律進行研究，從水文地球化學角度探究地下水咸化原因[12-13]。地下水H、O同位素特征(2015年江蘇省環(huán)境地質勘查院測試)如表1所示。

表1 南通市含水層氫氧同位素特征

從表1可以看出，第Ⅰ承壓含水層地下水氫氧同位素含量比第Ⅱ、第Ⅲ承壓含水層地下水氫氧同位素高。第Ⅱ、第Ⅲ承壓含水層地下水中氫氧穩(wěn)定同位素沒有太大變化，礦化度含量隨著深度的增加而逐漸降低。地下水的δ18O和δD在垂向上沒有明顯的分層特點，表現(xiàn)出均一的特點，指示著南通地區(qū)各承壓含水層在垂向上具有緊密的水力聯(lián)系。

3.3.2 δ18O和δD關系分析

根據(jù)研究區(qū)各個采樣點的D、O同位素數(shù)據(jù)，繪出D、O同位素數(shù)據(jù)分布圖(圖5)。

圖5 D、O同位素分布Figure 5 D and O isotopic distribution

①根據(jù)當?shù)卮髿饨邓畼悠匪_定的同位素降水線斜率為8.9，這與Craig(1961)首次提出的全球雨水線方程δD=8δ18O+10[14]，斜率為8，截距為10十分接近，稍微較高的斜率可能是由于研究區(qū)域靠近海洋水汽來源地。大氣降水線所反映的氘盈余為15.3，明顯高于全球大氣降水線，同樣說明研究區(qū)域降水并未受到內陸效應的嚴重影響，應該位于沿海區(qū)域。

②區(qū)域地下水樣品均位于當?shù)亟邓€附近，并且穩(wěn)定同位素組成隨著承壓水的深度表現(xiàn)出逐漸偏負的趨勢，表明當?shù)卮髿饨邓c地下水存在著潛在的補給關系。圖5中承壓水沒有明顯的同位素偏正現(xiàn)象，可以推測承壓水的深度應位于蒸發(fā)作用影響深度以下。

③對于不同承壓含水層之間的水力補給而言，第Ⅰ承壓含水層地下水同位素表現(xiàn)出兩極分化的特征，大多數(shù)樣品位于第Ⅱ承壓含水層分布的區(qū)域，說明與第Ⅱ承壓含水層存在著一定的水力聯(lián)系。但也有少數(shù)的樣品落在第Ⅲ層壓含水層的區(qū)域，即具有區(qū)域偏負的特征，有理由推測第Ⅰ與第Ⅲ承壓含水層存在一定的水力聯(lián)系。第Ⅲ承壓含水層部分樣品位于第Ⅱ承壓含水層分布的區(qū)域，說明與第Ⅱ承壓含水層存在著一定的補給關系。

4 結論及建議

南通市多年大量開采主采層地下水，造成了主采層地下水位降低，破壞了原來含水層中介質-水系統(tǒng)內物理場、水動力場及水化學場的動態(tài)平衡，加劇了主采層和上覆咸水含水層之間的水力聯(lián)系，產生了有利于咸水體向主采層運移的水動力條件，導致地下水的水質受到污染，破壞了地下水環(huán)境。因此，建議科學規(guī)劃開采井布局，嚴格控制地下水開采量和強度，合理調整開采層次，按需分質取水，遏制主采層水質咸化蔓延擴大發(fā)展的趨勢。

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ProbeintoDeepGroundwaterSalinizationGenesisinNantongCity

Wang Qi1, Ma Qingshan2and Luo Zujiang2

(1.Geological Environment Exploration Institute of Jiangsu Province, Nanjing, Jiangsu 211102; 2.School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 211100)

In allusion to the deep confined aquifer III groundwater salinization issue, on the basis of hydrodynamic field and hydrochemical field variation features, combined with groundwater isotopic features analytical results have carried out groundwater salinization genesis study. The result has shown that the long-term bulk mining of deep groundwater caused dramatic drop of groundwater level, and formed regional depression cone. Thus appeared large pressure head between deep aquifer and overlying aquifer, and caused upper part saline water downward intrusion into lower aquifer, result in deep fresh water salinization.

hydrodynamic field; hydrochemical field; isotopic analysis; fresh water salinization; Nantong City

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.08

1674-1803(2017)11-0041-05

A

江蘇省地礦局專項基金資助項目(2014-ky-12)。

王琦(1972—)，男，高級工程師，主要從事水文地質、工程地質和環(huán)境地質研究工作。

2014-07-10

樊小舟