天津淺層地下水海水入侵的水化學(xué)特征及氧同位素示蹤研究*

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)

0 引 言

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．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品選擇

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

1.2 海水入侵程度與范圍分析

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

1.3 同位素示蹤法

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%20.0%為嚴(yán)重入侵區(qū)，地下水已轉(zhuǎn)變?yōu)橄趟?/p>

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

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)

2.2 氧同位素示蹤分析

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)

3 討 論

3.1 天津海水入侵評(píng)價(jià)指標(biāo)

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)．

3.2 天津現(xiàn)代海水入侵區(qū)范圍

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．

3.3 天津現(xiàn)代海水入侵的判定方法

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．