長(zhǎng)江口濱岸淺層地下水化學(xué)組分時(shí)空分布特征及影響機(jī)制

許暢暢，溫 瑤，成 思，高效江

(復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系, 上海 200433)

海岸帶含水層是重要的淡水供應(yīng)來源之一。2020年中國沿海省份的地下水供水量達(dá)240億 m3，然而氣候變化、海水入侵、人類活動(dòng)等嚴(yán)重影響地下水化學(xué)特征和質(zhì)量[1-3]。由于經(jīng)歷了典型的城市化和密集的農(nóng)業(yè)活動(dòng)[4]，地下水過度開采和海水入侵問題在沿海地區(qū)尤為嚴(yán)重[5-6]。濱岸地下水化學(xué)特征反映了區(qū)域地下水水文特質(zhì)及其影響因素。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)地下水化學(xué)特征及其形成機(jī)制進(jìn)行了廣泛研究，采用多元統(tǒng)計(jì)分析法、圖解法、同位素示蹤法、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、水文地球化學(xué)模擬技術(shù)等方法探究地下水化學(xué)特征、空間分布及其影響因素[7-10]。近年來，濱岸地下水化學(xué)特征因沿海地下水鹽堿化問題被廣泛關(guān)注[11-12]，然而對(duì)長(zhǎng)江口濱岸含水層地下水水文地球化學(xué)的時(shí)空變化研究較少[13-15]。本文對(duì)長(zhǎng)江口南北兩翼和崇明島東部淺層地下水化學(xué)特征的時(shí)空變化及影響機(jī)制進(jìn)行分析，以期為長(zhǎng)江口地區(qū)水土環(huán)境污染防治以及海岸帶水資源可持續(xù)開發(fā)利用和環(huán)境管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域如圖1所示，為長(zhǎng)江河口入海所流經(jīng)的濱岸區(qū)域，包括長(zhǎng)江口北翼(江蘇啟東)、崇明島東部和長(zhǎng)江口南翼(上海浦東)濱海區(qū)域。研究區(qū)域位于江蘇省東南端、崇明島和上海市東部，地理位置為東經(jīng)121°09′30″～121°54′30″、北緯30°53′20″～32°16′19″。氣候自北向南由海洋性季風(fēng)氣候轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｑ笮詺夂颍Ｄ暧晁S富，年平均降水量為900～1 244.4 mm，年平均氣溫為15.0～16.3℃，多集中于5—9月，占全年降水量的60%以上。

圖1 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)分布

長(zhǎng)江口北翼(啟東)為第四紀(jì)地層覆蓋，屬長(zhǎng)江三角洲水文地質(zhì)帶，主要由海岸和河口沉積物組成，包括濱海相和河口相三角洲物質(zhì)。啟東濱岸的含水層由厚度為200～300 m的第四系全新統(tǒng)沉積物組成，其厚而松散的地層具有多砂層和良好的滲透性等特點(diǎn)，為孔隙地下水的形成提供了有利條件。啟東濱岸含水層自上而下包含全新世含水層系統(tǒng)(飽和含水層)、上更新世和中更新世含水層系統(tǒng)(Ⅰ～Ⅲ承壓含水層)、下更新世含水層系統(tǒng)(Ⅳ～Ⅴ承壓含水層)3個(gè)含水層系統(tǒng)。啟東的潛水層為近海沉積物。巖性可分為上、下兩段，上段為粉砂、砂質(zhì)黏土和亞黏土互層，下段為亞黏土混粉砂。飽和含水層底板埋深15～35 m，厚度15～35 m，地下水位埋深1～3 m。飽和含水層的水平和垂直導(dǎo)水率分別為3×10-4～8×10-4m/d和3×10-5～8×10-5m/d。單井涌水量一般為100 m3/d[15]。潛水層的礦物組成，主要是石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石等硅鋁酸鹽和方解石等碳酸鹽礦物，黏土礦物以伊利石和蒙脫石組成伊蒙混層[16]。地下水徑流受地形控制，整體上由西北部向東南方向運(yùn)移。

崇明島東部同屬長(zhǎng)江三角洲水文地質(zhì)帶，主要為長(zhǎng)江和海洋沖積平原，地下水位較高。含水層上部主要為全新世潛水含水巖組，以河口-濱海相堆積為主，頂板埋深為1.0～4.5 m之間，厚度約5～25 m，主要由粉砂、粉質(zhì)黏土組成，含水層?xùn)|部富水性與西部相比較差；中間主要為更新統(tǒng)承壓含水層巖組，頂板埋深在30～45 m之間，厚度約為5 m；下部主要為下更新統(tǒng)承壓含水層組。潛水層的礦物組成，主要是石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石等硅鋁酸鹽和方解石等碳酸鹽礦物，與啟東和浦東大致相似。地下水從南部流向北部[17]，地下潛水主要補(bǔ)給源為大氣降水、農(nóng)業(yè)灌溉、江海河水體側(cè)向補(bǔ)給，排泄方式為自然蒸發(fā)、人為開采和流入江河海[18]。

長(zhǎng)江口南翼(浦東)地區(qū)松散土層厚度為160～360 m，廣泛發(fā)育潛水含水層、第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ承壓含水層，不同含水層空間分布、埋藏條件、富水性、水質(zhì)等特征各異[19]。浦東濱岸潛水含水層為全新世中晚期河口-濱海相沉積物，上部為黏性土，下部為以砂性土為介質(zhì)的孔隙水。浦東地勢(shì)低平、地形平坦，濱岸基巖埋藏較淺。研究區(qū)域內(nèi)地表水系溝、河縱橫交錯(cuò)，水網(wǎng)密度高，潛水層與地表水互為補(bǔ)排[20]。潛水含水層由亞黏土、亞砂土互層，與下部含水層(Ⅰ～Ⅲ承壓含水層)之間有較穩(wěn)定的隔水層存在，潛水位埋深一般在1～3 m之間，地下水動(dòng)態(tài)與地表水及大氣降水關(guān)系緊密。

2 樣品采集及分析測(cè)試方法

在長(zhǎng)江口北翼(啟東)、崇明島東部和長(zhǎng)江口南翼(浦東)濱岸帶內(nèi)，根據(jù)采樣點(diǎn)均等分布原則，以民用水井作為地下水采樣點(diǎn)，井深4.5～5.0 m，水面距地表約1.5 m，采樣深度2～3 m，選取了18個(gè)采樣點(diǎn)(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、C1、C2、C3、C4、C5、C6、P1、P2、P3、P4、P5)于豐水期(2018年8月、2019年9月)和枯水期(2018年4月、2019年4月)采集淺層地下水樣。在2020年1月選取10個(gè)地下水點(diǎn)位(Q2、Q3、Q4、C2、C3、C4、P1、P3、P4、CX)，3個(gè)地表水采樣點(diǎn)(W1、W2、W3)及1個(gè)河口水采樣點(diǎn)(R)分別采集相應(yīng)的水樣進(jìn)行氫氧同位素分析。另外在崇明島東部選取3個(gè)土壤采樣點(diǎn)(S1、S2、S3，其中S1靠近C2，S2靠近C3，S3靠近C4)采集土壤表層樣品。

通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)、ArcGIS空間分析(反距離插值)、Piper圖解、Gibbs圖、離子比例系數(shù)等水文地球化學(xué)分析方法以及穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)來識(shí)別長(zhǎng)江口濱岸淺層地下水化學(xué)離子來源，判斷水巖相互作用以及解釋地下水化學(xué)特征形成機(jī)制。

3 結(jié)果與分析

3.1 淺層地下水化學(xué)組分時(shí)空分布特征

長(zhǎng)江口北翼(啟東)、崇明島東部、長(zhǎng)江口南翼(浦東)濱岸淺層地下水pH值在豐水期和枯水期變化范圍不大，均為弱堿性水；豐水期均值分別為7.95、7.56和7.59，其中啟東pH值相對(duì)偏高；枯水期三地均值分別為7.68、7.59和7.79，其中浦東pH值相對(duì)偏高。

從長(zhǎng)江口濱岸淺層地下水的整體化學(xué)特征來看，豐水期主要化學(xué)組分含量大于枯水期，尤其是啟東和崇明島東部淺層地下水中TDS在豐水期有明顯增加(啟東、崇明島TDS平均質(zhì)量濃度在豐水期分別增加了92.43 mg/L、522.83 mg/L)，且各個(gè)組分的空間變異值較枯水期偏大，表明季節(jié)的改變引起降水量的變化，對(duì)淺層地下水中的主要化學(xué)組分產(chǎn)生影響，說明長(zhǎng)江口濱岸淺層地下水具有季節(jié)補(bǔ)給差異。

3.2 淺層地下水化學(xué)類型

(a)豐水期

(b)枯水期

(a)豐水期

(b)枯水期

4 討 論

4.1 氫氧穩(wěn)定同位素特征

氫氧穩(wěn)定同位素(2H和18O)被廣泛用于識(shí)別自然水循環(huán)和地下水運(yùn)動(dòng)、地下水補(bǔ)給來源、降水、蒸發(fā)和海水混合過程以及污染研究[25]。研究區(qū)淺層地下水δ2H值和δ18O值除C4點(diǎn)位的氫氧同位素值分別為23.5‰和-3.05‰外，其余淺層地下水點(diǎn)位δ2H值的范圍為-41.3‰～-32.4‰，δ18O值介于-6.51‰～-5.07‰之間；地表水δ2H值和δ18O值的范圍分別為-46.3‰～-40.8‰、-6.73‰～-5.82‰；選擇吳淞口漲潮水作為長(zhǎng)江河口水樣，其氫氧同位素值分別為-54.7‰和-7.87‰。基于啟東(W1)、崇明島(W2)、浦東(W3)3個(gè)地區(qū)選取的地表水樣氫氧同位素，長(zhǎng)江口濱岸地表水氫氧同位素空間差異表現(xiàn)為，δ2H和δ18O從北到南貧化，氘盈余d值(δ2H與8倍δ18O之差)逐漸升高，說明啟東地表水受海水影響強(qiáng)于浦東。另外，同位素采樣時(shí)間為枯水期，分析結(jié)果與長(zhǎng)江口南北支徑流差異大，枯水期北支鹽水入侵極度吻合[26]。淺層地下水δ2H、δ18O值與河口水、地表水相比偏正，而河口水的氘盈余d值則普遍小于淺層地下水、大于地表水，說明淺層地下水在接受補(bǔ)給后經(jīng)歷了強(qiáng)烈蒸發(fā)作用，使同位素富集。

Craig[27]根據(jù)大氣降水中氫氧穩(wěn)定同位素的相似性，建立了全球大氣降水線(global meteoric water line，GMWL)：δ2H = 8δ18O + 10。根據(jù)研究區(qū)域的地理位置，選擇南京站點(diǎn)的氫氧穩(wěn)定同位素的數(shù)據(jù)作為長(zhǎng)江口濱岸的區(qū)域大氣降水線(local meteoric water line，LMWL)：δ2H=8.49δ18O + 17.71(n=58，R2=0.97)。如圖4所示，長(zhǎng)江口濱岸淺層地下水、地表水和河口水的δ2H和δ18O值分布在兩線之間及右下方，表明研究區(qū)域內(nèi)淺層地下水和地表水的最初補(bǔ)給來源為大氣降水。此外氫氧同位素富集，研究區(qū)域在接受大氣降水補(bǔ)給的同時(shí)，受到降水入滲過程或灌溉回流過程中蒸發(fā)作用的影響。

圖4 不同水體δ2H-δ18O的關(guān)系

4.2 水化學(xué)影響機(jī)制分析

4.2.1水-巖作用

利用Gibbs模型圖對(duì)水中主要化學(xué)成分的控制因素進(jìn)行宏觀分析，確定了控制天然水化學(xué)特征的3種主要機(jī)制：大氣降水、巖石風(fēng)化水解、蒸發(fā)濃縮[28]。如圖5所示，豐水期浦東水樣點(diǎn)均分布在巖石風(fēng)化水解帶；啟東和崇明島除了受巖石風(fēng)化水解作用控制外，還受到蒸發(fā)濃縮作用的影響，這是由于其區(qū)域內(nèi)淺層地下水埋深較淺，由內(nèi)陸向大海蒸發(fā)濃縮作用顯著。此外，啟東和崇明島區(qū)域部分采樣點(diǎn)落在Gibbs模型區(qū)域圖外，表明除了上述3種影響機(jī)制外，還存在其他影響因素。

(a) ρ(TDS)和 ρ(Na+)/[ ρ(Na+) + ρ(Ca2+)]關(guān)系

表1 豐水期淺層地下水化學(xué)參數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣

(b)c(Mg2+)/c(Na+)與c(Ca2+)/c(Na+)

4.2.2陽離子交換作用

(a)G1與G2關(guān)系

(b)氯堿指數(shù)

4.2.3海水混合作用

4.2.4土壤淋溶作用

通常淺層地下水化學(xué)組分受土壤淋溶作用影響較大。以崇明島東部為例，隨著圍墾年代的臨近(1950年圍墾區(qū)S1、1960年圍墾區(qū)S2、1990圍墾區(qū)S3)，表層土壤中水溶性鹽分含量逐漸增加(表2)。同時(shí)不同圍墾區(qū)相對(duì)應(yīng)的淺層地下水(C2、C3、C4)的礦化度和表層土壤水溶性鹽分的變化趨勢(shì)高度一致。結(jié)合前文討論，大氣降水是該研究區(qū)域地下水的主要補(bǔ)給來源，豐水期降水量增大，且啟東和崇明島東部淺層地下水受海水混合作用較小。因此可以推斷大量降水補(bǔ)給地下水的過程中土壤水溶性鹽分的淋溶作用是豐水期啟東和崇明島東部濱岸淺層地下水礦化度明顯增加的主要原因。

表2 崇明島東部表層土壤水溶性鹽分和淺層地下水礦化度

4.2.5人類活動(dòng)影響

長(zhǎng)江口濱岸區(qū)人口居住密集，受人類生產(chǎn)生活影響較大，研究區(qū)有大量人口居住并且有大量農(nóng)業(yè)

5 結(jié) 論

a.長(zhǎng)江口濱岸淺層地下水在豐水期和枯水期分別為硬水-極硬水和硬水，均以淡水為主，局部出現(xiàn)微咸水。

b.豐水期主要化學(xué)組分含量和各組分空間變異值大于枯水期，研究區(qū)域具有季節(jié)補(bǔ)給差異；與浦東濱岸相比，啟東和崇明島東部濱海區(qū)域淺層地下水化學(xué)類型的季節(jié)性變化更明顯。

c.研究區(qū)淺層地下水的主要補(bǔ)給來源為大氣降水，且在降水入滲過程中經(jīng)歷強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用；長(zhǎng)江口北翼(啟東)、崇明島東部、長(zhǎng)江口南翼(浦東)濱岸淺層地下水均受到淺層地下水中Ca2+、Mg2+與沉積層中Na+的陽離子交換作用的影響；淺層地下水化學(xué)影響機(jī)制具有空間差異性。啟東和崇明島東部區(qū)域淺層地下水化學(xué)組分除受到土壤淋溶作用，硅酸鹽巖和碳酸鹽巖溶解以及局部受到蒸發(fā)巖鹽溶解作用控制外，也受到輕微海水混合作用的影響，農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)這兩個(gè)研究區(qū)域的影響較大。浦東主要受到巖石風(fēng)化水解作用影響，主要離子來源受硅酸鹽巖和碳酸鹽巖溶解控制，且基本不受海水混合作用的影響，農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)該區(qū)域影響較小。