淺層地下水水化學(xué)特征與土體鹽分相關(guān)性研究

李 進(jìn)，龔緒龍，劉 彥，張 巖，茍富剛，劉 源

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018；2.自然資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 南京 210049)

1 研究背景

地下水與土體中的鹽分緊密聯(lián)系，地下水及土體鹽分主要與地質(zhì)條件、地層時(shí)代、歷次海侵、灌溉條件等因素影響有關(guān)[1-2]。沿海地區(qū)淺層地下水和土體鹽分由于受到大氣降雨和農(nóng)業(yè)灌溉的影響，鹽分會(huì)逐漸降低，而當(dāng)降雨不足、氣候干旱時(shí)，地下水位下降，受毛細(xì)作用的影響，下部咸水中的鹽分會(huì)返回地表[3-4]。在我國(guó)沿海地區(qū)，當(dāng)?shù)叵滤惠^淺時(shí)，地下水TDS越高，土體鹽度也越高，兩者具有正相關(guān)性，地下水中的主要離子含量和土體中的離子含量基本相同[5]。由于受多次海侵的影響，南通地區(qū)淺層地下水多為咸水、鹽水等，深層地下水主要以淡水為主，但隨著人類(lèi)大規(guī)模開(kāi)采地下水，部分地區(qū)的深層地下水也發(fā)生了水質(zhì)咸化的現(xiàn)象，主要是由于淺層地下水中的鹽分越流補(bǔ)給到深層地下水中[6]。

由于地下水與土體一直在發(fā)生各種離子的交換作用，兩者中主要離子的含量基本相同，因而具有相關(guān)性分析的前提條件。相關(guān)性分析在水文地球化學(xué)的研究中被廣泛應(yīng)用[7-10]，通過(guò)分析各指標(biāo)之間的相關(guān)性，若得出的相關(guān)性系數(shù)越高，表明指標(biāo)之間的內(nèi)在關(guān)系越密切[11-15]。在得到多個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性系數(shù)后，需要表達(dá)某個(gè)指標(biāo)與其他多個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系時(shí)，可以采用多元線性回歸分析，建立線性回歸方程[16-17]。

在以往的研究中，以分析淺層地下水水化學(xué)為主，而分析土體鹽分的較少，涉及到土體鹽分的研究范圍也多在潛水位波動(dòng)帶之內(nèi)，其深度大多為3～4 m，而本次研究的鉆孔深度達(dá)20～30 m，最深的鉆孔HY41可達(dá)150 m，并且在研究范圍上并非就某一場(chǎng)地或某個(gè)港口進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，而是對(duì)南通地區(qū)進(jìn)行整體的分析評(píng)價(jià)。另外，在已有的研究成果中，單獨(dú)分析地下水水化學(xué)的或者土體鹽分的較多，而把這兩個(gè)具有相關(guān)性的要素作為整體進(jìn)行分析，并建立線性回歸方程的較少，本文在詳細(xì)分析220件土樣和91件水樣的基礎(chǔ)上，對(duì)南通地區(qū)淺層地下水和土體鹽分特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并建立了多個(gè)線性回歸方程。

2 研究區(qū)概況

南通，江蘇省地級(jí)市，位于江蘇東南部，長(zhǎng)江三角洲北翼，面積8 544 km2。東臨黃海，南倚長(zhǎng)江，有“江之尾、海之頭”的地理位置，素有”江海門(mén)戶(hù)“之稱(chēng)。該區(qū)屬中緯度北亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，海洋性季風(fēng)氣候特征明顯，四季分明，光照充足，氣溫溫和，雨水充沛，無(wú)霜期長(zhǎng)，春季天氣多變，夏季多臺(tái)風(fēng)，秋季天高氣爽，冬季多西北風(fēng)，年平均氣溫15 ℃，年平均降水量1 030 mm，臺(tái)風(fēng)、冰雹、龍卷風(fēng)為常見(jiàn)的災(zāi)害性氣候。

南通是長(zhǎng)江三角洲水文地質(zhì)區(qū)的一部分，淺層地下水主要賦存在第四系松散巖類(lèi)孔隙中，受沉積環(huán)境的影響在垂向具有顯著的分層特征，地下水質(zhì)變化主要受古海平面升降(海侵、海退)及人為因素的影響[18]。本次研究的淺層地下水主要為全新統(tǒng)潛水含水巖組，為冰后期堆積地層，以河口-濱海相為主，伴有河流、湖泊相堆積。含水砂層主要沿分支古河道、當(dāng)代河口和濱海岸分布，受全新世海進(jìn)的作用，含水巖組中堆積了淤泥質(zhì)黏土和亞黏土，使其分為上部潛水含水層和下部微承壓含水層。

3 樣品采集與測(cè)試

為研究南通地區(qū)淺層地下水與土體鹽分的相關(guān)性，分別于2015年9-10月和2017年5-6月在南通濱海地帶布置了16口水文井，每口水文井均采集水樣和土樣，土樣自上而下每隔2 m取1個(gè)，共采集16件水樣和220件土樣，另在其他淺層水文井中采集12件水樣，在黃海采集3件海水樣品，并收集了60組地下水質(zhì)資料。研究區(qū)采樣點(diǎn)分布位置和淺層地下水TDS等值線見(jiàn)圖1。

4 淺層地下水的水化學(xué)特征

由圖1可看出，南通地區(qū)淺層地下水由于受到全新世海侵的影響，TDS總體表現(xiàn)出西低東高的特征，并呈條帶狀分布。在西場(chǎng)-白蒲-興仁-小海-海門(mén)一線以西的地區(qū)，TDS多為小于3 g/L的淡水和微咸水，面積約占研究區(qū)的1/3；往東到袁莊-岔河-四甲-悅來(lái)-南陽(yáng)一帶，TDS在3～10 g/L之間，為咸水，面積也約占1/3；再往東到洋口-豐利-三余-呂四-向陽(yáng)-寅陽(yáng)一帶，TDS在10～15 g/L之間，水質(zhì)較差，為鹽水；最東部的濱海地帶水質(zhì)最差，TDS多大于15 g/L，最高可達(dá)26.64 g/L(南通通州灣)。由于南部淺層地下水受長(zhǎng)江水的補(bǔ)給，發(fā)生淡化現(xiàn)象，因而在長(zhǎng)江沿岸地帶的TDS顯著偏低，等值線向北偏移。

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布位置及淺層地下水TDS等值線圖

對(duì)本次采集的地下水水樣測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，地下水水樣主要離子質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，地下水水樣水化學(xué)組分特征值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。由表1和2可看出，地下水水樣中，含量最大的陽(yáng)離子為Na+，其濃度平均值為4 572.57 mg/L，含量最大的陰離子為Cl-，其濃度平均值為8 691.78 mg/L，水化類(lèi)型全部為Cl-—Na型；TDS在3 748～26 646 mg/L之間，平均值為15 059 mg/L；水樣pH值在6.93～8.52之間，平均值為7.46，水質(zhì)偏堿性。

表1 研究區(qū)地下水水樣主要離子質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)表 mg/L

表2 研究區(qū)地下水水樣水化學(xué)組分特征值統(tǒng)計(jì)表

28個(gè)地下水水樣的水質(zhì)按TDS大小分類(lèi)可分為6個(gè)咸水(3～10 g/L)和22個(gè)鹽水(10～50 g/L)，其中鹽水居多。

表3 研究區(qū)地下水水化學(xué)組分相關(guān)性分析結(jié)果

5 土體的鹽分特征

5.1 土體含鹽特征

對(duì)采集的220個(gè)土樣鹽分化學(xué)組分特征值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，土體中含量最大的陽(yáng)離子為Na+，其含量在118～4 225 mg/kg之間，平均值為1 530.22 mg/kg；含量最大的陰離子為Cl-，其含量在108～6 515 mg/kg之間，平均值為2 310.55 mg/kg。總鹽量在616～12 313 mg/kg之間，平均值為4 493.63 mg/kg。pH值在7.38～9.84之間，平均值為8.24，呈堿性。

表4 研究區(qū)土體土樣鹽分化學(xué)組分特征值統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)鹽漬土的定義：對(duì)易溶鹽含量大于0.3%，且具有溶餡、鹽脹、腐蝕等特性的土[19-20]，土樣中有154個(gè)鹽漬土，66個(gè)非鹽漬土。鹽漬土按含鹽化學(xué)成分分類(lèi)，c(Cl-)/2c(SO42-)比值在3.71～44.80之間，平均值為12.31，全部為氯鹽漬土；非鹽漬土的c(Cl-)/2c(SO42-)比值在0.47～28.52之間，平均值為11.18，表明非鹽漬土中所含鹽分也主要為氯鹽。按含鹽量分類(lèi)，土樣中有弱鹽漬土66個(gè)，中鹽漬土10個(gè)，以弱鹽漬土為主。

表5 研究區(qū)土體易溶鹽化學(xué)組分相關(guān)性分析結(jié)果

5.2 土體鹽分分布特征

由于研究區(qū)內(nèi)地形地貌、地下水質(zhì)、海侵范圍等各不相同，土體鹽分特征與地下水相似，也存在水平和垂直向的差異。為此布置了一條勘探線，自西向東依次為HY42、HY20、HY19、HY18采樣點(diǎn)，位于西部海門(mén)鎮(zhèn)附近的HY42土體的各離子含量和總鹽量均為最小，HY42位于長(zhǎng)江附近，除受海水的影響較小外，還受到長(zhǎng)江水的補(bǔ)給、稀釋作用，各鹽分含量較小；位于東部啟東寅陽(yáng)鎮(zhèn)附近的HY20、HY19、HY18，由于受海水的影響，其土體中各離子含量和總鹽量逐漸增大。該4個(gè)特征采樣點(diǎn)土體鹽分化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6，各采樣點(diǎn)土體總鹽量隨深度的變化見(jiàn)圖2。

表6 4個(gè)特征采樣點(diǎn)土體鹽分化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)表

圖2 4個(gè)特征采樣點(diǎn)土體總鹽量隨深度的變化

圖3 HY15和HY16采樣點(diǎn)土體主要化學(xué)組分含量隨深度的變化規(guī)律

6 線性預(yù)測(cè)模型的建立與應(yīng)用

6.1 土體鹽分與地下水化學(xué)組分相關(guān)性分析

表7 研究區(qū)土體與地下水主要化學(xué)組分含量平均值 %

以上分析表明，土體與地下水中離子含量有顯著的相關(guān)性，通過(guò)計(jì)算相關(guān)系數(shù)進(jìn)一步定量分析土體易溶鹽與地下水化學(xué)組分各離子的相關(guān)性，結(jié)果及表8。由表8可看出，土體中的K+、Na+、Cl-、SO42-與地下水中的K+、Na+、Cl-、SO42-相關(guān)性系數(shù)分別為0.782、0.720、0.712和0.693，相關(guān)程度都很高。地下水的TDS與土體的總鹽量、K+、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-的相關(guān)性也很高，相關(guān)性系數(shù)分別為0.735、0.812、0.714、0.714、0.741和0.835。與K+、Cl-、SO42-在0.01水平上顯著相關(guān)，與總鹽量、Na+、Mg2+在0.05水平上顯著相關(guān)。

6.2 建立預(yù)測(cè)模型

通過(guò)相關(guān)性分析可知，土體的鹽分含量與地下水TDS存在線性相關(guān)性，因此可以建立數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)土體的總鹽量SSC和地下水TDS值。TDS與總鹽量SSC、K+、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-這6個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性高(表8)，可以建立TDS的多元線性回歸預(yù)測(cè)模型。

表8 研究區(qū)土體易溶鹽與地下水化學(xué)組分的相關(guān)系數(shù)

利用SPSS軟件的統(tǒng)計(jì)分析功能建立了7個(gè)TDS與土體參數(shù)的線性回歸方程，見(jiàn)表9。由表9可知，這7個(gè)方程的回歸模型預(yù)測(cè)效果良好，相關(guān)系數(shù)平均值達(dá)0.839，最大值為0.935，F(xiàn)顯著性統(tǒng)計(jì)量平均值為0.0125，小于0.05，最小值僅為0.006；利用7個(gè)回歸預(yù)測(cè)方程，對(duì)南通地區(qū)的地下水TDS進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率的平均值達(dá)到了88.93%，準(zhǔn)確率最大值為公式(3)，達(dá)90.62%，表明TDS與土中的K+、Cl-、SO42-濃度關(guān)系最為密切，主要是由于土體中K+、Cl-很穩(wěn)定，不易被轉(zhuǎn)化。

表9 TDS與土體各參數(shù)預(yù)測(cè)模型一覽表

通過(guò)對(duì)回歸預(yù)測(cè)方程分析可知，在水文地質(zhì)鉆探中，可以通過(guò)測(cè)定巖芯中土體的鹽分含量來(lái)推測(cè)對(duì)應(yīng)含水層的TDS，這樣就能在成井之前了解各含水層的水質(zhì)狀況，以便尋找目的含水層，從而節(jié)省成井費(fèi)用。

7 結(jié) 論

(1)南通地區(qū)淺層地下水受全新世海侵影響，水質(zhì)較差，自西向東TDS逐漸增大，多為咸水和鹽水，水化學(xué)類(lèi)型主要為Cl-—Na型，TDS與各離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-)的相關(guān)性高。

(2)南通地區(qū)淺層土體含鹽量較高，總鹽量在616～12 313 mg/kg之間，主要為弱鹽漬土，鹽漬土類(lèi)型全部為氯鹽漬土，總鹽量與各離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-)的相關(guān)性高。

(3)土體鹽分的分布特征與地下水的水質(zhì)特征基本一致，在水平方向上，自西向東鹽分逐漸增多，在垂直方向上，隨著深度的增加，鹽分也逐漸增多，這表明土體中的鹽分主要來(lái)自于地下水。

(4)土體與地下水中離子含量存在很大的相關(guān)性，地下水TDS與土體中總鹽量SSC、K+、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-這6個(gè)指標(biāo)相關(guān)性高，建立了7個(gè)TDS與土體參數(shù)的多元線性回歸預(yù)測(cè)方程，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率平均值達(dá)到了88.93%，預(yù)測(cè)效果良好，可以節(jié)省鉆探成井的成本。