威海市地下水水化學(xué)特征及成因分析

孫乃波，陳學(xué)群，李 倩，管清花，馮婧怡，徐征和

（1.威海市水文中心，山東 威海 264209；2.山東省水利科學(xué)研究院，濟(jì)南 250013；3.濟(jì)南大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250022）

0 引 言

地下水是我國水資源的重要組成部分，與人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)[1]。近40年來，隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，人們對(duì)水資源的需求明顯增加，水資源的供需矛盾日益突出，致使人們大量開采地下水，導(dǎo)致地下漏斗、地面塌陷及海水入侵等生態(tài)環(huán)境問題進(jìn)一步加劇，地下水污染程度加重，嚴(yán)重威脅地下水環(huán)境[2]。因此，面臨日益嚴(yán)重的水資源短缺和水污染問題，地下水環(huán)境監(jiān)測成為當(dāng)前社會(huì)的熱點(diǎn)話題，水資源保護(hù)受到國家高度重視，合理有效地管理地下水資源勢在必行[3]。

地下水化學(xué)成分與地下水賦存環(huán)境存在重要聯(lián)系。在人類活動(dòng)和自然作用的影響下，地下水化學(xué)成分會(huì)發(fā)生變化，從而表現(xiàn)為不同的特征。分析地下水化學(xué)特征及演化規(guī)律，不僅可以直接對(duì)當(dāng)前地下水水質(zhì)有所反映，還可以根據(jù)地下水年內(nèi)和年際變化揭示當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)情況，實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的監(jiān)測和保護(hù)地下水環(huán)境[4]。

地下水環(huán)境問題主要包括地下水超采和地下水污染，超采導(dǎo)致地下水位大幅度下降，污染加劇地下水水質(zhì)惡化[5]。對(duì)于沿海地區(qū)，地下水超采還會(huì)引發(fā)海水入侵，使地下水礦化度加大，引起土地鹽堿化，嚴(yán)重破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。因此，地下水環(huán)境管理主要針對(duì)地下水超采治理、污染程度和水質(zhì)時(shí)空變化監(jiān)測，人們在這方面已經(jīng)得出了重要結(jié)論，齊玉涵等[6]通過對(duì)鄭州市區(qū)淺層地下水化學(xué)特征研究，得出了巖石風(fēng)化作用是影響整個(gè)城市水化學(xué)特征的主要原因。楊會(huì)峰等[7]對(duì)華北平原近40年地下水水位演變進(jìn)行分析，精準(zhǔn)提出針對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤芍卫淼慕ㄗh。陶志斌等[8]通過對(duì)比不同年代大沽夾河下游地下水水質(zhì)，總結(jié)出地下水演變規(guī)律，并進(jìn)行水質(zhì)趨勢預(yù)測。劉紹等[9]采用PHREEQC 軟件，對(duì)雙遼市地下水水化學(xué)演化過程進(jìn)行反向地球化學(xué)模擬，并利用離子比值法進(jìn)行分析驗(yàn)證。本文基于前人的研究成果，以威海市地下水為研究對(duì)象，分析地下水化學(xué)特征及演化規(guī)律，為當(dāng)?shù)氐叵滤Y源管理和地下水環(huán)境監(jiān)測提供參考。

1 研究區(qū)概況

威海市地處山東半島最東端，地理坐標(biāo)范圍為東經(jīng)121°11′～122°42′，北緯36°41′～37°35′，總面積5 797 km2。威海市東、南、北三面瀕臨黃海，西面與煙臺(tái)市接壤，地理位置優(yōu)越，是“一帶一路”的重要節(jié)點(diǎn)城市，亦是山東半島重要的藍(lán)色經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)[10]。研究區(qū)地理位置見圖1。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of study area

研究區(qū)按照地貌分區(qū)屬于起伏緩和的魯東波狀丘陵區(qū)，主要地貌類型為低山、丘陵和平原，面積占比分別為15.7%、52.4%、27.6%，地勢總體上呈現(xiàn)為西北高、東南低走勢[11]。作為沿海城市，屬于典型的北溫帶季風(fēng)氣候，年平均降雨量為737.7 mm，年平均氣溫為12.2 ℃，具有雨水豐沛、夏多冬少、氣候溫和的特點(diǎn)。但隨著經(jīng)濟(jì)和人口的持續(xù)增長，水資源承載壓力越來越大，地下水環(huán)境問題也頻繁出現(xiàn)，多年監(jiān)測中地下水水質(zhì)主要超標(biāo)項(xiàng)目有亞硝酸氮、氯化物等，個(gè)別年份存在礦化度超標(biāo)情況[12]。研究區(qū)內(nèi)多年平均水資源總量16.49 億m3，人均水資源占有量585 m3，僅占全國平均水平的1/4，屬于資源型嚴(yán)重缺水地區(qū)[13]。區(qū)域內(nèi)大小河流1 000 多條，流域面積達(dá)100 km2以上的河流有10條，其中母豬河、乳山河及黃壘河流域面積較廣，流域面積多達(dá)2 276 km2[14]，但仍不能滿足當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)及生活用水的需求，地下水開采量較大，海水入侵風(fēng)險(xiǎn)突出，成為當(dāng)?shù)刂饕牡叵滤h(huán)境問題[15]。根據(jù)地下水的埋藏條件，將研究區(qū)內(nèi)地下水劃分為孔隙水、裂隙水和巖溶水，其中裂隙水分布較為廣泛。本文將以威海市歷年裂隙水的采集數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，分析研究區(qū)內(nèi)地下水水化學(xué)特征，從時(shí)間尺度上研究地下水演變規(guī)律及形成因素，揭示當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境問題。

2 樣品采集及研究方法

威海市地下水水質(zhì)監(jiān)測信息可以追溯到1982年，本文以2006-2020年地下水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為背景，綜合分析前期數(shù)據(jù)資料，以地下水中主要離子濃度為水化學(xué)指標(biāo)，采用統(tǒng)計(jì)分析法、Piper三線圖、動(dòng)態(tài)曲線圖、Gibbs圖及離子比值法對(duì)水樣監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，得出當(dāng)?shù)氐叵滤瘜W(xué)特征及演變規(guī)律。水樣采集依據(jù)《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，現(xiàn)場測試地下水水位、水溫、pH 和EC等，采樣后水樣在4 ℃下遮光保存并送地下水水質(zhì)檢測中心檢測，檢測項(xiàng)目包括Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、總硬度、TDS 等。研究區(qū)采樣點(diǎn)位置見圖2。

圖2 研究區(qū)采樣點(diǎn)位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of sampling point position in the study area

以2006、2011 及2020年為3 個(gè)代表年進(jìn)行地下水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)一選用9月份采集的水樣數(shù)據(jù)展開對(duì)比，以揭示近15年威海市地下水總體水化學(xué)特征及演化規(guī)律。

繪制威海市內(nèi)4個(gè)典型監(jiān)測點(diǎn)（大水泊鎮(zhèn)、蔭子鎮(zhèn)、夏莊鎮(zhèn)、俚島鎮(zhèn)）2010-2020年地下水pH、亞硝酸鹽、TDS及氯離子濃度動(dòng)態(tài)曲線圖，總結(jié)近10年地下水水質(zhì)動(dòng)態(tài)，分析海水入侵及工農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)地下水水質(zhì)的影響；對(duì)2020年研究區(qū)內(nèi)地下水主要離子繪制Gibbs 圖與離子關(guān)系圖，分析地下水化學(xué)與當(dāng)?shù)貛r性的關(guān)系，進(jìn)一步綜合判斷影響地下水環(huán)境的主要成因。

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水化學(xué)特征及演化規(guī)律

威海市監(jiān)測的2006、2011 及2020年地下水水化學(xué)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，如表1所示。3年中地下水主要陽離子平均含量從大到小排列順序?yàn)椋篊a2+＞Na+＞Mg2+＞K+，主要以Ca2+為主，Na+和Mg2+次之，K+質(zhì)量濃度相對(duì)較低；2006年、2011年地下水中主要陰離子平均含量從大到小排列順序?yàn)椋篐CO3-＞Cl-＞SO42-，主要以HCO3-和Cl-為主，HCO3-平均濃度遠(yuǎn)超Cl-，而2020年地下水中主要陰離子平均含量從大到小排列順序?yàn)椋篐CO3-＞SO42-＞Cl-，主要以HCO3-和SO42-為主，HCO3-與SO42-平均濃度差異不明顯。表明地下水從2006年到2020年演化中水化學(xué)參數(shù)發(fā)生了一定變化，地下水中SO42-含量均值明顯增加，而HCO3-和Na+含量均值明顯減少。SO42-和Ca2+在陰陽離子濃度中占比明顯增加，而Na+和HCO3-占比明顯減少。陽離子中Mg2+在15年中變異系數(shù)變化較大，由0.40增至1.40，離散程度變大，表明研究區(qū)內(nèi)Mg2+受外界影響較大，分布變得更加不均勻；SO42-變異系數(shù)由0.39 增至1.33 及Cl-變異系數(shù)由0.53 增至1.68，都表現(xiàn)為在2006年到2020年水化學(xué)演變過程中離散程度變大，具有強(qiáng)烈的時(shí)間變異性。Ca2+、Na+及HCO3-在3 個(gè)代表年中變異系數(shù)均小于1，相對(duì)較小，表明其含量在研究區(qū)內(nèi)分布較為穩(wěn)定，受人類活動(dòng)影響較小，主要受地質(zhì)背景環(huán)境控制。

表1 威海市不同年代地下水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of hydrochemical parameters of groundwater in different years in Weihai City

地下水化學(xué)成分是地下水演化規(guī)律的集中反映，為闡明研究區(qū)內(nèi)地下水水化學(xué)演化規(guī)律，確定地下水水化學(xué)類型，將2006、2011 及2020年地下水主要離子Ca2+、Mg2+、K++Na+、Cl-、SO42-、HCO3-繪制成Piper 三線圖。如圖3所示，威海市所選取的3個(gè)代表年中地下水堿土金屬離子含量均超過堿金屬離子，大部分陽離子集中落在Ca2+端，大部分陰離子集中偏向HCO3-端，表明地下水中HCO3-和Ca2+占陰陽離子比例高，說明水質(zhì)還好，離子變化一定程度上受到碳酸鹽巖風(fēng)化的影響。沿箭頭方向，陽離子變化幅度不大，陰離子發(fā)生了轉(zhuǎn)移，表明受附近工農(nóng)業(yè)污水排放等人類活動(dòng)的影響，導(dǎo)致地下水中硫酸根離子含量明顯增加，毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)由15%增加至30%，改變了它在陰離子濃度中的排列順序，使得2006-2020年地下水水化學(xué)類型發(fā)生由Ca·HCO3型向Ca·HCO3、Ca·SO4型演化。

圖3 2006、2011和2020年地下水Piper三線圖Fig.3 Piper diagram of groundwater in 2006,2011 and 2020

圖4所示為威海市2011年部分采樣點(diǎn)地下水與地表水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比。地下水中以HCO3-和Ca2+為主要優(yōu)勢離子，而地表水中以Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-為主要優(yōu)勢離子。地下水與地表水相比，HCO3-陰離子濃度占比明顯增加，SO42-和Cl-相對(duì)減少，Ca2+和Mg2+陽離子濃度占比相對(duì)減少，K++Na+相對(duì)增加。地表水水化學(xué)類型較為復(fù)雜，造成原因可能是地表水受人類活動(dòng)的影響相對(duì)較大，主要以Ca·Mg-HCO3、Ca·Mg-Cl 和Ca·Mg-SO4為主；而地下水水化學(xué)類型較為單一，主要以Ca·HCO3為主。表明威海市內(nèi)地表水與地下水化學(xué)類型存在一定差異，在地下水水化學(xué)演變過程地表水補(bǔ)給不構(gòu)成主要因素。

圖4 2011年地下水、地表水Piper三線圖Fig.4 Piper diagram of groundwater and surface water in 2011

3.2 水化學(xué)特征成因分析

地下水環(huán)境變動(dòng)往往是由很多因素造成的，主要包括人類活動(dòng)與自然因素。人類活動(dòng)對(duì)地下水環(huán)境的影響，一方面通過地表工農(nóng)業(yè)及生活廢棄物排放直接污染地下水水質(zhì)[16]，另一方面通過地下建設(shè)活動(dòng)間接導(dǎo)致地下水水位與水質(zhì)的變化[17]；自然因素主要包括巖石風(fēng)化及溶濾作用、蒸發(fā)濃縮作用[18]，對(duì)于沿海地區(qū)，海水入侵也是一種常見的引起地下水環(huán)境惡化的現(xiàn)象[19]。本文為研究工農(nóng)業(yè)污染和海水入侵對(duì)威海市地下水水質(zhì)的影響，從沿海到內(nèi)陸依次選取4 個(gè)典型監(jiān)測點(diǎn)，分別位于俚島鎮(zhèn)、夏莊鎮(zhèn)、蔭子鎮(zhèn)和大水泊鎮(zhèn)境內(nèi)，以地下水pH、亞硝酸氮、TDS和氯離子濃度為監(jiān)測指標(biāo)，分析2010-2020年地下水水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化趨勢。圖5所示為典型監(jiān)測點(diǎn)地下水水質(zhì)多年動(dòng)態(tài)變化。

圖5 典型監(jiān)測點(diǎn)地下水水質(zhì)多年動(dòng)態(tài)曲線圖Fig.5 Multi-year dynamic graph of groundwater quality in typical monitoring points

pH 變化范圍在6.5～8.2 之間，4 個(gè)典型監(jiān)測點(diǎn)差別不是很大，近10年變化過程中有兩次較明顯的拐點(diǎn)，分別出現(xiàn)在2013年和2018年附近。當(dāng)?shù)氐叵滤^大部分呈弱堿性，是沿海地區(qū)長期的水文地球化學(xué)過程的影響，近幾年有升高的趨勢，可能是由于人類生產(chǎn)生活中污染物排放造成的。亞硝酸氮的變化范圍在0～44 mg/L 之間，除蔭子鎮(zhèn)外均未超出我國地下水硝酸鹽氮含量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)20 mg/L，經(jīng)查看蔭子鎮(zhèn)地下水中亞硝酸鹽含量超標(biāo)是由于受附近機(jī)械工業(yè)的影響。TDS變化范圍在129～3 814 mg/L之間，除俚島鎮(zhèn)出現(xiàn)兩次突然升高的拐點(diǎn)外，其余均圍繞著400 mg/L 波動(dòng)，沒有明顯的變化趨勢。俚島鎮(zhèn)多數(shù)年份TDS 含量均超過1 000 mg/L，地下水極可能長期遭受化學(xué)污染。同時(shí)可以明顯的看出4 個(gè)典型監(jiān)測點(diǎn)氯離子濃度與TDS 在近10年變化趨勢基本一致，大水泊鎮(zhèn)、蔭子鎮(zhèn)和夏莊鎮(zhèn)均圍繞著60 mg/L 波動(dòng)，質(zhì)量濃度較為穩(wěn)定。俚島鎮(zhèn)氯離子濃度變化范圍在48～1 491 mg/L 之間，以地下水中氯離子含量高于250 mg/L 為判斷海水入侵的標(biāo)準(zhǔn)，判定導(dǎo)致俚島鎮(zhèn)地下水水質(zhì)較差的原因可能是受附近斷裂帶的影響[20]，誘發(fā)海水入侵，造成TDS 和氯離子濃度相對(duì)較高，10年內(nèi)變化幅度較大，且在2013年和2016年異常嚴(yán)重。通過對(duì)沿海到內(nèi)陸依次選取4 個(gè)典型監(jiān)測點(diǎn)水質(zhì)多年動(dòng)態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)威海市部分地區(qū)地下水環(huán)境一定程度上遭受附近工業(yè)及海水入侵的影響。

Gibbs 圖可以從宏觀上反映地下水離子的主要來源[21]，從圖6（a）和圖6（b）可看出2020年該區(qū)地下水多數(shù)采樣點(diǎn)主要分布在Gibbs 圖的巖石風(fēng)化型區(qū)域，表明巖石風(fēng)化作用是控制該區(qū)內(nèi)地下水水化學(xué)成分的主要因素。離子關(guān)系是反映地下水環(huán)境的主要依據(jù)，由地下水中主要離子比例關(guān)系進(jìn)一步分析地下水水環(huán)境與巖性的關(guān)系[22]。圖6（c）所示地下水Ca2++Mg2+與SO42-+HCO3-的關(guān)系，大部分采樣點(diǎn)位于Y=X線的上方及附近，近74%的采樣點(diǎn)(Ca2++Mg2+)/(SO42-+HCO3-)比例系數(shù)大于1，表明地下水中Ca2+和Mg2+主要來源于碳酸鹽巖溶解；而26%的采樣點(diǎn)(Ca2++Mg2+)/(SO42-+HCO3-)比例系數(shù)小于1，表明地下水還需要由硅酸鹽和蒸發(fā)巖溶解來保持離子平衡。圖6（d）所示為Na++K+和Cl-的關(guān)系，絕大部分采樣點(diǎn)落在Y=X線附近，僅有35%的采樣點(diǎn)（Na++K+）/(Cl-)比例系數(shù)大于1，表明地下水中僅有少部分Na++K+離子來源于巖鹽溶解，受人類活動(dòng)和海水入侵的影響比較嚴(yán)重，導(dǎo)致Cl-過剩?？偟膩碚f，威海市地下水化學(xué)特征主要受海水入侵、碳酸鹽巖風(fēng)化及人類活動(dòng)的影響。

圖6 2020年研究區(qū)內(nèi)地下水Gibbs與主要離子關(guān)系圖Fig.6 Gibbs and relationship between main ions of groundwater in the study area in 2020

4 結(jié) 論

本文以2006-2020年地下水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)為背景，以地下水中主要離子濃度為水化學(xué)指標(biāo)，對(duì)威海市內(nèi)地下水化學(xué)特征及演化規(guī)律進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)2006-2020年地下水演化過程中，地下水離子主要以Ca2+和HCO3-離子為主，SO42-含量均值顯著增加，而Na+和HCO3-含量均值明顯減少，地下水水化學(xué)類型由Ca·HCO3型向Ca·HCO3、Ca·SO4型演化。應(yīng)嚴(yán)格控制工農(nóng)業(yè)廢污水排放標(biāo)準(zhǔn)，減小SO42-排放對(duì)地下水環(huán)境的影響。

（2）研究區(qū)內(nèi)地下水化學(xué)成因：由沿海到內(nèi)陸選取的4個(gè)典型監(jiān)測點(diǎn)近10年的地下水水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化反映，pH 變化范圍為6.5～8.2，絕大部分地下水為弱堿性；亞硝酸氮除蔭子鎮(zhèn)外均未超出我國地下水硝酸鹽氮含量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)20 mg/L；TDS 和氯離子濃度變化趨勢基本一致，除靠海俚島鎮(zhèn)外均圍繞著400、60 mg/L 波動(dòng)，地下水水質(zhì)變化趨勢基本穩(wěn)定。結(jié)合Gibbs 圖與離子關(guān)系圖分析地下水主要離子的來源，判定碳酸鹽巖風(fēng)化作用是控制該區(qū)內(nèi)地下水水化學(xué)成分的主要因素，另外海水入侵和人類活動(dòng)是影響威海市地下水環(huán)境的重要因素。需進(jìn)一步加強(qiáng)研究區(qū)內(nèi)地下水超采治理工作，鞏固沿海地區(qū)海水入侵防控工作，確保地下水環(huán)境生態(tài)平衡。