趙 衛(wèi) 梁 昊 宮少軍 喬吉果 彭 鑫 李 穩(wěn)
(1. 天津市海洋地質(zhì)勘查中心,天津 300170; 2. 國(guó)土資源部資源環(huán)境承載力評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)
天津地區(qū)第四系含水巖組屬于松散巖類(lèi),孔隙含水層分布廣、厚度大,在水平和垂向上巖相變化較大.以埋藏條件、水質(zhì)等水文地質(zhì)特征及開(kāi)發(fā)利用狀況劃分,將第四系孔隙水劃分為4個(gè)含水組,第Ⅰ含水組屬于淺層地下水系統(tǒng),第Ⅱ-Ⅳ含水組屬深層地下水系統(tǒng)[1].由于天津地區(qū)自晚更新世以來(lái)經(jīng)歷了4次規(guī)模不等的海水入侵過(guò)程,造成天津地區(qū)地下含水層中賦存著大量的古海水,并分布于第Ⅰ和Ⅱ含水組中,底界埋深一般在30~150 m[2].
受斷裂構(gòu)造控制,天津地下水特征基本上以北部寶坻斷裂為界,北部為淡水區(qū).因此,海水入侵的研究范圍大致為寶坻斷裂以南的廣大平原區(qū),古海水和現(xiàn)代海水入侵均在研究區(qū)范圍內(nèi),且主要發(fā)生在淺層地下水中.雖然古海水與現(xiàn)代海水時(shí)代不同,但是水化學(xué)特征存在一致性,一般具有礦化度高,氯離子含量高等特征,水化學(xué)類(lèi)型為單一而穩(wěn)定的氯化鈉型.水質(zhì)調(diào)查表明許多地區(qū)的古海水在礦化度等指標(biāo)方面與現(xiàn)代海水非常接近,且氯離子濃度明顯高于淡水特征值,反映了二者之間有非常緊密的內(nèi)在關(guān)系[1].因此,在進(jìn)行海水入侵的研究工作中,必須運(yùn)用地下水示蹤方法將二者加以區(qū)分.
目前天津地區(qū)的海水入侵研究工作較少,段磊和王文科[3]的研究成果表明,水同位素示蹤可用于研究地下水成因、停留時(shí)間及污染源的判定等.蔡明剛等[4]則運(yùn)用氫氧同位素來(lái)研究該區(qū)沿岸地下水-海水相互作用的過(guò)程.翁建偉等[5]同樣運(yùn)用氫氧同位素示蹤技術(shù)分別在沿海島嶼和內(nèi)陸進(jìn)行不同水體的補(bǔ)給來(lái)源,以及地表水和地下水之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究工作,均效果良好.張琳怡[1]針對(duì)天津?yàn)I海地區(qū)地下水咸化問(wèn)題,運(yùn)用鍶同位素的示蹤方法,研究了地下水的遷移途徑以及海水、地表水、淺層地下水、深層地下水之間的相互作用過(guò)程.由此可見(jiàn),目前國(guó)內(nèi)針對(duì)地下水的同位素研究工作主要針對(duì)物源和不同水體間的相互作用方面來(lái)展開(kāi),在天津地區(qū)則尚未用于對(duì)海水入侵的直接判定.
本次工作以天津海域海水和相應(yīng)地區(qū)的背景淡水為兩個(gè)典型單元,采用滴定分析法分析海水入侵程度與范圍.根據(jù)國(guó)家海洋局2014年編寫(xiě)的《海水入侵監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程(試行)》及相關(guān)研究成果[6-7],選取氯離子和礦化度用于評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)的海水入侵程度與范圍的重要指標(biāo),此外,通過(guò)涂向陽(yáng)[8]的研究成果顯示,鈉吸附比和咸化系數(shù)等同樣是評(píng)價(jià)海水入侵的重要因子.
選取淺層地下水10個(gè)實(shí)際樣品和7個(gè)搜集樣點(diǎn),地下水樣品分布詳細(xì)位置如表1.采樣范圍基本覆蓋了前人調(diào)查劃分的的淡水區(qū)、古咸水區(qū)以及可能的現(xiàn)代海水入侵區(qū),便于在調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)地下水的物源和特征進(jìn)行示蹤和對(duì)比分析.
表1 地下水樣品分布位置
采用滴定分析法分析海水入侵程度與范圍.采集樣品所用測(cè)試儀器為iCAP6300型等離子體發(fā)射光譜儀,測(cè)試環(huán)境溫度23℃,相對(duì)濕度48%.水化學(xué)指標(biāo)與海水入侵程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示,搜集樣點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)自天津華北地質(zhì)勘查局地質(zhì)研究所.
表2 主要水化學(xué)指標(biāo)與水質(zhì)等級(jí)劃分
氧同位素樣品采用MAT253氣體同位素質(zhì)譜儀測(cè)定,分析誤差δ18O≤0.3‰.天津海域海水的氧同位素值為δ18O海水,背景淡水的氧同位素值為δ18O淡水,調(diào)查樣點(diǎn)處的地下水氧同位素值為δ18O樣點(diǎn),則樣點(diǎn)地下水海水混合比例(F樣點(diǎn))的計(jì)算公式如下:
把海水混合比例(F)>0.5%作為確定是否發(fā)生海水入侵的臨界值.0.5% 各單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的水化學(xué)指標(biāo)如表3所示.實(shí)測(cè)樣品和搜集樣品的Cl濃度范圍分別為135.10~22 463.00 和119.23~22 837.00 mg/L,不同程度的入侵均有;礦化度分別為1.45~37.55和0.82~36.91 g/L,不同程度的入侵均有.實(shí)測(cè)樣品的鈉吸附比為16.32~320.26,均為嚴(yán)重入侵;咸化系數(shù)為0.17~58.56,不同程度的入侵均有. 表3 樣品水化學(xué)指標(biāo)與入侵程度判定 注:—指搜集樣點(diǎn)無(wú)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);/指Q1樣品為海水,故無(wú)入侵程度數(shù)據(jù) 根據(jù)同位素的實(shí)際調(diào)查結(jié)果,天津市淺層地下水中海水混合比例及同位素值如表4所示.淺層地下水中氧同位素?cái)?shù)值整體表現(xiàn)在沿陸端至海端方向上,地下水δ值呈逐漸增加趨勢(shì).實(shí)際樣品Q(chēng)2、Q4和Q5所在的沿海地區(qū)同位素值明顯偏大,介于-4.6‰~-5.7‰之間,應(yīng)屬于現(xiàn)代海水入侵區(qū);其余樣品地下水氧同位素值與淡水區(qū)樣點(diǎn)氧同位素?cái)?shù)值相差不大,均介于-8.0‰~-8.7‰之間,這側(cè)面證明了微咸水區(qū)的形成可能不是現(xiàn)代海水入侵造成的,應(yīng)該是淺層地下水因埋深較淺,受蒸發(fā)作用導(dǎo)致地下水δ18O同位素升高的結(jié)果. 表4 天津市淺層地下水中海水混合比例及同位素值 注:—指搜集樣點(diǎn)無(wú)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 通過(guò)對(duì)地下水水化學(xué)指標(biāo)特征的分析及篩選,各入侵評(píng)價(jià)結(jié)果中鈉吸附比的整體評(píng)價(jià)值均明顯偏高,與其他指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系也較差,咸化系數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果與氯離子和礦化度相比較,存在一定的相關(guān)性,但評(píng)價(jià)等級(jí)過(guò)低,所以鈉吸附比和咸化系數(shù)不作為判定本地區(qū)海水入侵程度的指標(biāo).氯離子和礦化度兩個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性較好,整體上看,礦化度的評(píng)價(jià)等級(jí)略高于氯離子的評(píng)價(jià)等級(jí),因此,兩項(xiàng)指標(biāo)可以綜合分析,用于海水入侵的等級(jí)評(píng)價(jià). 圖1 天津現(xiàn)代海水入侵區(qū)范圍示意圖 通過(guò)氧同位素示蹤分析,得出現(xiàn)代海水入侵區(qū)包括漢沽一汽大眾華北產(chǎn)業(yè)園、大港垃圾處理場(chǎng)和塘沽四維企業(yè)所在的沿海地區(qū),天津現(xiàn)代海水入侵區(qū)范圍示意如圖1.上述地區(qū)海水混合比例均>30%,按照氧同位素的劃分標(biāo)準(zhǔn)海水入侵程度等級(jí)屬于嚴(yán)重海水入侵;在平面展布上,淺層水海水入侵主要發(fā)生在濱海新區(qū)的中南部以及東麗、寧河與濱海新區(qū)交界的部分區(qū)域,以沿海地區(qū)為主;其余地區(qū)無(wú)入侵. 通過(guò)本次工作的歸納總結(jié),確定適用于天津地區(qū)現(xiàn)代海水入侵的判定方法,首先要圈定咸水區(qū),即采取氯濃度≥250 mg/L作為咸水入侵的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),礦化度指標(biāo)作為輔助分析;下一步結(jié)合同位素方法,在咸水入侵區(qū)內(nèi)計(jì)算各區(qū)海水混合比例,判定是否發(fā)生入侵并評(píng)價(jià)入侵程度.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1 地下水水化學(xué)指標(biāo)與入侵程度
2.2 氧同位素示蹤分析
3 討 論
3.1 天津海水入侵評(píng)價(jià)指標(biāo)
3.2 天津現(xiàn)代海水入侵區(qū)范圍
3.3 天津現(xiàn)代海水入侵的判定方法