萊州灣東岸地下水化學特征及水質(zhì)評價

張傳奇 王曉曦 陳曦

（1. 遼寧華一環(huán)境咨詢事務所有限公司，遼寧沈陽 110022；2. 遼寧省環(huán)境規(guī)劃院有限公司，遼寧沈陽 110165）

1 引言

地下水是不可或缺的水資源，也是重要的生態(tài)與環(huán)境支撐要素，對經(jīng)濟社會全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展起著重要支撐作用［1］。近年來，由于工業(yè)化和城市化的高速發(fā)展，水資源需求猛增，地下水資源被長期過度開采，由此誘發(fā)了諸如地下水位下降、地下水水質(zhì)惡化等環(huán)境問題［2］。在海岸帶地區(qū)，過度開采地下水引發(fā)海水入侵，導致地下水水質(zhì)惡化，使地下水不再適于飲用或農(nóng)業(yè)灌溉［3］。對地下水化學特征和水質(zhì)狀況進行研究，有利于了解地下水化學環(huán)境與可再生能力，以便科學有效地管理和利用地下水資源，保護和改善地下水水質(zhì)。

本文以萊州灣東岸地區(qū)為研究區(qū)域，在大量野外調(diào)查、取樣和分析的基礎(chǔ)上，對地下水化學特征進行分析，并對地下水質(zhì)進行評價，通過水質(zhì)參數(shù)的統(tǒng)計特征值以及Piper 三線圖分析萊州灣東岸地下水化學特征，并利用ArcGIS9.3 地統(tǒng)計模塊對地下水進行水質(zhì)評價，以期為水環(huán)境保護和治理、水資源規(guī)劃和管理政策的制定提供科學依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

萊州灣位于山東省北部，117°17′～120°45′E，36°25′～37°47′N，總面積1.01×104km2。萊州灣海岸低平，虎頭崖東北稱萊州灣東岸，以西為南岸，岸長約200 km，平原寬10～50 km。

研究區(qū)位于山東半島西北部，萊州灣的東岸，主要包括萊州市，北起光明村，南至海滄一村。該區(qū)屬溫帶大陸性氣候區(qū)，年平均氣溫12.4 ℃，年均降雨量640.3 mm。降水多集中在7 月到9 月，占全年降雨量的72.4%。年均蒸發(fā)量2 118.7 mm［4］。萊州灣東岸海岸帶隸屬渤海坳陷的邊緣部分，在山東半島構(gòu)造隆起區(qū)內(nèi)是一個相對獨立的比較特殊的地質(zhì)單元?；㈩^崖以東為復式砂質(zhì)海岸，沿岸發(fā)育有灘脊、連島砂壩和瀉湖，是由古黃土質(zhì)侵蝕海岸演變而成的瀉湖—砂壩堆積平原海岸；虎頭崖以西為粉砂淤泥質(zhì)海岸。萊州灣東岸晚第四紀表現(xiàn)為陸地系統(tǒng)與海洋系統(tǒng)間的自然相互作用。作為古地理標識與地質(zhì)歷史記錄，海岸帶范圍相當于第四紀末期以來海面起伏波動交替性地被淹沒或被暴露的地帶。

近30 年來，隨著人口的快速增長和經(jīng)濟的迅速發(fā)展，水資源需求量猛增。由于地表水資源不足，生產(chǎn)、生活用水主要依賴地下水。據(jù)調(diào)查，萊州灣東岸地下水年均開采量達1.54 億m3［5］。過度開采地下水致使地下水位以1～3 m/a 的速度顯著下降，引發(fā)海水入侵災害。萊州灣東岸已成為我國海水入侵最為嚴重的地區(qū)之一［6］。由于海水入侵，地下水淡水水質(zhì)惡化，可利用的地下水淡水資源量減少，從而加劇了該地區(qū)水資源供需矛盾［4］。

2.2 研究方法

本研究以沿萊州灣東部海岸線向內(nèi)陸延伸約10 km 作為調(diào)查區(qū)，于2012 年4 月采集地下水樣47個，取樣時用GPS 定位，見圖1。取樣點主要依靠地下水長期觀測孔、民用水井。對水溫（T）、pH 值、電導率（EC）、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-、Cl-、NO3-和TDS（可溶性固體總量）等物理特性及主要離子進行分析。水溫（T）、pH 值進行現(xiàn)場測定，其余離子成分在中國科學院煙臺海岸帶研究所分析測試中心完成，使用離子色譜儀測定水樣中的主要離子。

圖1 研究區(qū)示意圖及采樣點分布

3 結(jié)果分析

3.1 地下水水化學特征

對47 個地下水樣的水質(zhì)參數(shù)進行統(tǒng)計特征值分析，結(jié)果見表1。

表1 地下水水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計

統(tǒng)計結(jié)果顯示，研究區(qū)地下水中TDS，Cl-，HCO3-，Ca2+質(zhì)量濃度很高，Na+，Mg2+，K+質(zhì)量濃度很低。需要特別指出的是，研究區(qū)地下水中NO3-質(zhì)量濃度很高，介于0.59～433.61 mg/L 之間，均值為172.88 mg/L，遠大于《地下水質(zhì)量標準》（GB/T 14848—93）的IV 類標準（≤30 mg/L），屬于劣V 類水質(zhì)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中過量使用化肥和城鎮(zhèn)生活中的生活廢水大量排放是造成調(diào)查區(qū)地下水NO3-濃度過高的主要原因［4］。

地下水中Cl-，SO42-，Na+和K+的質(zhì)量濃度變異系數(shù)較大，分別為1.30，1.18，1.07 和1.60，其他水質(zhì)參數(shù)的變異系數(shù)均小于1。這表明Cl-，SO42-，Na+和K+較其他離子對水文條件、地形地貌及人類活動等外界環(huán)境更為敏感，此外，由于上述離子的濃度均較大，反映了這4 種離子是地下水鹽化的控制因子。雖然NO2-和NH4+的濃度變異系數(shù)也很大，但鑒于兩者的質(zhì)量濃度都很低，濃度均值都小于10 mg/L，因此其濃度變化對地下水鹽化的貢獻很小。

3.2 地下水化學類型及其分布

根據(jù)地下水中的主要陽離子（Na++K+，Ca2+，Mg2+）和陰離子（HCO3-，SO42-，Cl-）的毫克當量濃度，繪制Piper 三線圖，見圖2。

圖2 地下水Piper 三線圖

圖2 顯示各地下水水樣都處于Piper 圖的1 區(qū)，說明堿土金屬（Ca2+和Mg2+）超過堿金屬（Na+和K+），且絕大部分水樣處于6 區(qū)和9 區(qū)，僅有2 個地下水樣落于5 區(qū)，進一步說明研究區(qū)內(nèi)以Ca2+，Mg2+和Cl-占主要優(yōu)勢。研究區(qū)主要水化學類型為Ca-Cl 型、混合Ca·Mg-Cl 型，只有2 個水樣的水化學類型為Ca-HCO3型，分布在霍旺村西及后趴埠村一帶。

水化學類型空間分布見圖3。

圖3 地下水化學類型空間分布

萊州灣東岸是海水入侵嚴重受災區(qū)，海水入侵致使該區(qū)地下水Cl-濃度升高，地下水鹽化現(xiàn)象嚴重。該區(qū)廣泛分布的以Cl-為主要特征的地下水類型充分反映了其海水入侵的特征。造成地下水陽離子以Ca2+，Mg2+為主的原因在于萊州灣東岸地下淡水海水混合區(qū)發(fā)生了逆向離子交換反應，Na+被黏土吸附并置換出大量的Ca2+，Mg2+，致使后者的質(zhì)量濃度升高，成為地下水化學的主控陽離子［3］。

3.3 飲用水水質(zhì)評價

不同用途的地下水對水質(zhì)的要求不同，應依據(jù)指定的標準來進行地下水水質(zhì)的適應性評價。適于作為生活飲用水的地下水，其水質(zhì)必須具有硬度低、鹽度低而且毒性成分含量低的特點［7］。參照世界衛(wèi)生組織（WHO）生活飲用水標準以及我國《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749—2006），對研究區(qū)地下水的物理、化學參數(shù)進行評價。地下水質(zhì)檢測結(jié)果顯示，地下水的pH 值介于6.80～7.53，達標率為100%；57%的水樣中TDS 超出我國《生活飲用水衛(wèi)生標準》的TDS 標準值（1 000 mg/L）；83%的地下水樣NO3-濃度超出了我國飲用水水質(zhì)標準值（88.6 mg/L），47%的地下水水樣Cl-濃度超出國家水質(zhì)標準（250 mg/L）。而Na+，K+，Ca2+分別有6%，19%，53%超出了WHO 水質(zhì)標準的最大容許限值。

EC 是水體所含化學成分的簡易綜合評定指標［8］。按照WHO 標準，根據(jù)EC 的取值范圍將地下水劃分為3 個等級：I 為允許飲用的（＜1 500），II 為不允許飲用的（1500～3000），III有危害的（＞3000）。評定結(jié)果顯示，約38%的地下水水樣滿足I 級地下水標準，53%的地下水處于II 級水平，水質(zhì)較差已不適于飲用，剩余9%的地下水屬于III 級危害性的水質(zhì)。EC的空間分布見圖4。

圖4 地下水EC 空間分布

圖4 顯示I 級地下水主要分布在虎頭崖—趴埠潘家—尹家一帶以及連郭莊—韓家—過西一線以北地區(qū)?；㈩^崖以南在空間上表現(xiàn)出高EC 特征，這與研究區(qū)南部廣泛分布鹵水并遭受咸水入侵有關(guān)；虎頭崖以北的沿海地區(qū)主要是現(xiàn)代海水入侵帶，EC 也較高。虎頭崖一帶主要是基巖海岸，海水入侵對該區(qū)的影響相對較小，故表現(xiàn)出較低的EC 特征；過西以北地區(qū)受王河的影響致使地下水的EC 較低。

硝酸鹽是地下水中最常見的污染組分。長期飲用含有高硝酸鹽濃度的水可能導致人體患高鐵血紅蛋白癥、胃癌等疾?。?-10］。參照WHO 水質(zhì)標準和國家飲用水硝酸鹽質(zhì)量濃度衛(wèi)生標準，將研究區(qū)NO3-質(zhì)量濃度劃分為4 級，見表2。

表2 NO3-質(zhì)量濃度等級劃分 mg/L

研究區(qū)NO3-質(zhì)量濃度介于0.59～433.61 mg/L，變異系數(shù)為0.56，屬于中度變異。所采水樣中I 類水占11%，II 類水占6%，III 類和IV 類水分別占19%和64%，符合國家飲用水質(zhì)量標準的僅占17%。

研究區(qū)硝酸鹽的空間變化見圖5。

圖5 NO3-質(zhì)量濃度空間分布

由圖5 可見，研究區(qū)硝酸鹽質(zhì)量濃度普遍較高，空間上呈現(xiàn)帶狀分布特征。IV 類水主要分布在研究區(qū)北部和南部中央地帶，I，II 類水分布在南部狹窄的沿海地帶以及研究區(qū)中部。此外，后者還在過西村周圍地區(qū)零星分布。

由于萊州灣東岸遭受海水入侵災害嚴重，地下水中Cl-含量豐富。Cl-質(zhì)量濃度空間分布見圖6。

圖6 Cl-質(zhì)量濃度空間分布

符合國家飲用水標準（250 mg/L）的地下水主要分布在北部平原區(qū)，南部平原和北部的濱海地區(qū)Cl-質(zhì)量濃度較高已不適于飲用?；㈩^崖一帶由于是基巖海岸，未發(fā)生海水入侵，地下水Cl-濃度符合飲用水標準。

3.4 灌溉水水質(zhì)評價

灌溉水水質(zhì)評價通常選取能反映水中含鹽量和堿性特征的參數(shù)作為評價指標［11］。灌溉水水質(zhì)對土壤的物理化學性質(zhì)和作物生產(chǎn)量的長期影響取決于灌溉水的總含鹽量、鈉離子、重碳酸鹽和鈣離子的質(zhì)量濃度以及土壤的初始物理特征［12］。美國鹽分實驗室制定的灌溉水質(zhì)分類標準被世界各國廣泛使用于灌溉水水質(zhì)分類以及灌溉水對特定土壤類型的適用性評價。美國鹽分實驗室選取鈉離子吸附比（SAR）和EC 作為灌溉水水質(zhì)分類指標。其中SAR 表征堿金屬的危害性，EC 表征鹽分含量的危害性。地下水EC 空間分布圖（圖4）顯示，萊州灣東岸地下水鹽分含量普遍較高，地下水鹽化現(xiàn)象嚴重。SAR 空間分布見圖7，萊州灣東岸堿金屬危害風險較小，SAR 值介于0.41～5.13。

圖7 SAR 空間分布

依據(jù)美國鹽分實驗室灌溉水水質(zhì)分類標準（圖8），研究區(qū)地下水可以分成4 種灌溉水水質(zhì)類別，即C2-S1，C3-S1，C4-S1 和C5-S2。

圖8 萊州灣東岸地下水水質(zhì)分類

圖8 顯示萊州灣東岸只有1 個地下水樣落在C2-S1 區(qū)，該類型的地下水堿性低、鹽分含量中等適于灌溉，特別適于種植有中等耐鹽作物的各種土壤。水樣中有3 個落于C5-S2 區(qū)，該區(qū)地下水堿性中等但鹽度含量極高，不適用于灌溉。大部分地下水樣落于C4-S1 區(qū)（10 個）和C3-S1 區(qū)（33 個）。C4-S1 特征的地下水堿性低但鹽分含量高，此種類型的水質(zhì)僅可用來灌溉強耐鹽性植物，并且要求土壤具有很強的滲透性和排水性能。C3-S1 特征的地下水堿性低、鹽分含量高，適于灌溉各種排水性好的土壤類型。約72%的地下水可以安全用于灌溉，而不需要對土壤進行鹽分控制；21%的地下水僅適于灌溉強耐鹽植物。

根據(jù)上述灌溉水水質(zhì)類型，分別將C2-S1，C3-S1，C4-S1，C5-S2 類型賦值1，2，3，4，并利用ArcGIS 9.3 繪制灌溉水水質(zhì)評價圖，見圖9。

圖9 萊州灣東岸灌溉水水質(zhì)評價圖

圖9 顯示萊州灣東岸地下水整體上適于進行灌溉。C5-S2 類型地下水由于鹽分危害大不適于進行灌溉，主要在東北角和南部的鹵水分布區(qū)。C2-S1 和C3-S1 類的地下水分布在萊州灣東岸的東南部、中部以及中南部的狹窄地帶，可視為安全灌區(qū)；僅適用于灌溉強耐鹽植物的C4-S1 地下水環(huán)繞安全灌區(qū)呈帶狀空間分布。

4 結(jié)論

（1）萊州灣東岸的地下水TDS，Cl-，HCO3-，Ca2+質(zhì)量濃度很高，而Na+，Mg2+，K+質(zhì)量濃度很低。地下水中NO3-質(zhì)量濃度很高，均值為172.88 mg/L，遠大于地下水質(zhì)量IV 類水質(zhì)標準（≤30 mg/L）。研究表明，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中過量使用化肥和城鎮(zhèn)生活中的生活廢水大量排放是造成地下水硝酸鹽濃度過高的主要原因。

（2）地下水中Cl-，SO42-，Na+和K+的質(zhì)量濃度變異系數(shù)大，較其他離子對水文條件、地形地貌及人類活動等外界環(huán)境更為敏感；此外，4 種離子的質(zhì)量濃度均較大，是地下水鹽化的控制因子。

（3）研究區(qū)內(nèi)以Ca2+，Mg2+和Cl-為優(yōu)勢離子，水化學類型以Ca-Cl 型、混合Ca·Mg-Cl 型為主，局部存在Ca-HCO3型，分布在霍旺村西及后趴埠村一帶。海水入侵使地下水Cl-濃度升高，地下水鹽化。逆向離子交換反應導致萊州灣東岸地下水中Na+離子含量降低，而Ca2+，Mg2+升高。

（4）參照世界衛(wèi)生組織水質(zhì)標準和國家飲用水水質(zhì)標準，調(diào)查區(qū)地下水中超出最大容許標準值的組分有NO3-（超標率83%）、總?cè)芙夤腆w（超標率57%）、Cl-（超標率47%）、Ca2+（超標率53%）、K+（超標率19%）、Na+（超標率6%）。

（5）參照美國鹽分實驗室提出的灌溉水水質(zhì)分類標準，萊州灣東岸72%的地下水可以安全進行灌溉，主要分布在萊州灣東岸的東南部、中部以及中南部3 個地區(qū)；21%的地下水僅適于灌溉強耐鹽植物，并且同時要求土壤具有較高的滲透和排水性能，成帶狀分布在安全灌區(qū)周圍；7%地下水不適于用作灌溉用水，主要分布在南部的鹵水區(qū)及調(diào)查區(qū)的東北角。