膠州灣北岸不同水體水化學(xué)及氫氧同位素特征研究

馬健，黃勇，冀東，潘廣山，吳振，許春萌，劉明明

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊(duì)，濰坊 261021；2.山東省地礦局海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濰坊 261021；3.內(nèi)蒙古國土資源勘查開發(fā)有限責(zé)任公司，呼和浩特 010020；4.青島市勘察測(cè)繪研究院，青島 266032；5.濰坊學(xué)院建筑工程學(xué)院，濰坊 261041；6.山東省海河淮河小清河流域水利服務(wù)中心，濟(jì)南 250014)

水是重要的自然資源，其化學(xué)組分受氣候、地形地貌、人類活動(dòng)及水文地質(zhì)條件等多種因素影響，在一定程度上能夠反映不同水體的形成和運(yùn)移過程[1-2]。地表水和地下水具有密切的水力聯(lián)系，二者之間相互轉(zhuǎn)化，是陸域水循環(huán)的重要組成部分[3]。研究地表水和地下水的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，有助于合理開發(fā)利用水資源，對(duì)地表水與地下水污染協(xié)同防治和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義[4]。

在地表水—地下水轉(zhuǎn)換關(guān)系的研究中，氫氧同位素由于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[5]。許多學(xué)者通過對(duì)不同水體的水化學(xué)組成和同位素特征進(jìn)行研究，揭示了水循環(huán)演化路徑，在對(duì)不同尺度流域下地表水—地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究方面取得了較好的效果[6-9]。馮瑞等[10]通過分析地下水化學(xué)組分和氫氧同位素，確定了飛鳳山固體廢物處置場(chǎng)地下水補(bǔ)給、徑流與排泄關(guān)系，揭示了處置場(chǎng)范圍內(nèi)地下水的基本規(guī)律，其成果為處置場(chǎng)地下水截排工程提供科學(xué)依據(jù)。袁建飛等[11]通過分析西昌市南部典型區(qū)巖溶水、基巖裂隙水和地表水水化學(xué)組分和氫氧同位素特征，探討了地下水補(bǔ)給來源和徑流特征，識(shí)別了主要的水巖相互作用過程，研究成果對(duì)水資源開發(fā)利用具有借鑒意義。

膠州灣位于山東半島東南部海岸，集港口、旅游、外貿(mào)、輕紡、海洋科研等多種功能于一體，是黃海伸入內(nèi)陸的優(yōu)良天然港灣和青島發(fā)展的“搖籃”[12]。由于地理位置的特殊性，使其不僅屬于環(huán)境變化的敏感區(qū)域，也是生態(tài)系統(tǒng)的脆弱地帶[13]，因此，膠州灣地區(qū)的沉積環(huán)境演變歷來備受研究者關(guān)注[14-15]，但對(duì)其水化學(xué)和氫氧同位素特征研究較少。隨著膠州灣地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，研究區(qū)地表水和地下水資源開發(fā)利用程度增大，進(jìn)而引發(fā)了海水入侵等生態(tài)環(huán)境問題。

為此，利用膠州灣北岸地區(qū)淺層地下水、河水及海水的水化學(xué)及氫氧同位素?cái)?shù)據(jù)，對(duì)不同水體氫氧同位素和水化學(xué)特征進(jìn)行研究，以期為膠州灣北岸地區(qū)的地表水和地下水資源的合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

研究區(qū)位于青島市紅島經(jīng)濟(jì)區(qū)，南臨膠州灣，地形較平坦，長期接受沖積、沖洪積、洪積和海積作用，堆積物厚度一般10～20 m，局部達(dá)25 m以上。地貌按成因類型及形態(tài)特征分類屬于剝蝕丘陵、沖積平原和沖積-海岸平原區(qū)。

研究區(qū)內(nèi)地表水主要由河流和人工改造水系組成。比較大的河流有洪江河、祥茂河及墨水河，主要人工改造水系有葫蘆巷和海月湖等。地下水的分布除受地層、構(gòu)造等地質(zhì)條件的控制外，還受大氣降水量、地形等自然因素的影響。地下水的來源主要由大氣降水補(bǔ)給、河流補(bǔ)給，其次為灌溉回歸補(bǔ)給。研究區(qū)地下水主要為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。其水力性質(zhì)多為潛水，潛水面的形狀及徑流方向基本與地形一致，河流入?？诟浇资芎Ｋ鲌?chǎng)影響。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)研究區(qū)含水巖組的分布特征、發(fā)育規(guī)模和發(fā)育特征，地下水類型主要?jiǎng)澐譃榈谒南悼紫端突鶐r裂隙水。

1.2.1 第四系孔隙水

研究區(qū)為濱海堆積平原，堆積物多為粉細(xì)砂、粉土及海相淤泥構(gòu)成，富水性差，地下水主要為海水和大陸淡水混合形成，水位埋深0.5～10 m。水質(zhì)為咸水，礦化度大于2 g/L。補(bǔ)給來源為大氣降水、上游徑流補(bǔ)給和地表水補(bǔ)給，排泄方式以蒸發(fā)和地下徑流排泄為主。

1.2.2 基巖裂隙水

研究區(qū)基巖裂隙水主要為噴出巖類裂隙水，風(fēng)化帶為主要含水層，巖性以安山質(zhì)凝灰角礫巖、集塊巖、安山玄武巖為主，風(fēng)化裂隙發(fā)育不均勻，風(fēng)化厚度30～45 m，涌水量一般小于100 m3/d。斷裂發(fā)育附近涌水量較大，水位埋深隨地形而異，受季節(jié)影響。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

采用的數(shù)據(jù)資料來自青島市勘察測(cè)繪研究院紅島灣新區(qū)海水入侵項(xiàng)目組，共選取水樣數(shù)據(jù)26組(圖1)，其中，淺層地下水18組(基巖裂隙水樣品6組、第四系孔隙水樣品12組)，河水樣品4組(祥茂河樣品2組、洪江河樣品1組、墨水河樣品1組)，膠州灣海水樣品3組。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)及采樣點(diǎn)位置

2.2 樣品采集

樣品采集時(shí)間為2020年8—9月，取樣采用500 mL聚乙烯塑料桶采樣，取樣時(shí)將取樣瓶用擬取水樣的水清洗2～3次。裝樣時(shí)留10～20 mL的空間，以防溫度改變將瓶塞頂開，造成水樣損壞或污染。取樣現(xiàn)場(chǎng)采用便攜式多參數(shù)水質(zhì)儀對(duì)溫度、氧化還原電位、電導(dǎo)率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，填寫水樣標(biāo)簽和水樣送樣單，并將水樣標(biāo)簽貼于水樣瓶上。水樣取好后，蓋好瓶塞，用石蠟密封，防止漏水，及時(shí)送交試驗(yàn)室。

2.3 分析方法

表1 采樣點(diǎn)主要成份測(cè)試結(jié)果

3 數(shù)據(jù)分析與討論

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，綜合運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)和Piper三線圖，分析不同水體的水化學(xué)特征和影響因素，并結(jié)合氫氧穩(wěn)定同位素特征研究其補(bǔ)給來源和轉(zhuǎn)化關(guān)系。其中，水化學(xué)特征統(tǒng)計(jì)分析采用Excel和SPSS 21.0軟件進(jìn)行，圖件利用MapGIS 6.7和Grapher 12軟件繪制。

3.1 水化學(xué)特征

3.1.1 水化學(xué)統(tǒng)計(jì)特征

表2 研究區(qū)水化學(xué)特征統(tǒng)計(jì)

3.1.2 水化學(xué)類型

Piper三線圖不僅能直觀反映不同水體中各離子組分含量及水化學(xué)特征，還能分析確定水體的水化學(xué)類型[16-17]。由研究區(qū)水化學(xué)Piper三線圖(圖2)可知，基巖裂隙水水化學(xué)類型以Cl-Ca和Cl-Na·Ca型為主，第四系孔隙水以Cl-Na和Cl·SO4-Na型為主，河水和膠州灣海水主要為Cl-Na型。由圖2可以看出，采樣點(diǎn)在菱形區(qū)域主要分為3個(gè)區(qū)域：基巖裂隙水分布區(qū)、第四系孔隙水與地表水混合區(qū)和第四系孔隙水分布區(qū)，這表明研究區(qū)地表水和第四系孔隙水水力聯(lián)系密切，存在明顯的轉(zhuǎn)化關(guān)系。此外，基巖裂隙水、第四系孔隙水沿Ca2++Mg2+軸依次分布，說明研究區(qū)第四系孔隙水受到了基巖裂隙水的補(bǔ)給。

圖2 研究區(qū)水化學(xué)Piper圖

3.2 氫氧同位素特征

3.2.1 河水、膠州灣海水和標(biāo)準(zhǔn)海水

由于全球海水處于長期流動(dòng)狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)海水的穩(wěn)定同位素和主要化學(xué)組分相對(duì)穩(wěn)定，δ2H值和δ18O值均為0，Cl-濃度為19 400 mg/L[18]。但對(duì)于海岸帶地區(qū)，受陸域河水排泄影響，海水的同位素?cái)?shù)據(jù)及主要化學(xué)組分都會(huì)發(fā)生變化。膠州灣海水樣品的δ2H值范圍為-54.53‰～-30.36‰，δ18O值范圍為-7.24‰～-3.91‰，均低于標(biāo)準(zhǔn)海水的δ2H和δ18O值，說明膠州灣海水樣品受到了比海水δ2H和δ18O值都低的河水的混合影響。祥茂河、洪江河和墨水河采集樣品的δ2H值變化范圍為-74.23‰～-46.95‰，δ18O值為-9.91‰～-6.27‰，同位素?cái)?shù)據(jù)整體較分散，說明不同河流河水成分具有差異性。

所采集的河水樣品、膠州灣海水樣品和標(biāo)準(zhǔn)海水樣品的δ2H-δ18O關(guān)系如圖3所示，實(shí)線為全球大氣降水線GMWL，其表達(dá)式為δ2H=8δ18O+10?？梢钥闯?，祥茂河河水δ2H和δ18O值明顯偏低且分布相對(duì)集中，距離大氣降水線較近，說明祥茂河河水的主要來源為大氣降水，這主要是由于取樣時(shí)處于雨季，降水頻繁，且入海河口處建有攔潮壩隔絕海水上溯所致。以祥茂河河水為一端元，標(biāo)準(zhǔn)海水為另一端元，而洪江河河水、墨水河河水和膠州灣海水處在中間，并且五者呈一條直線分布，說明洪江河、墨水河河水和膠州灣海水均為大氣降水與標(biāo)準(zhǔn)海水的混合水，這主要是由于潮汐作用影響，膠州灣的海水在高潮時(shí)沿墨水河和洪江河河道上溯造成，且墨水河河水受海水混合影響程度大于洪江河河水。

圖3 地表水δ2H-δ18O關(guān)系圖

膠州灣海水為河水和標(biāo)準(zhǔn)海水的混合水，按混合比例來說，以祥茂河河水(取平均值δ2H=-73.84‰，δ18O=-9.88‰)中混合的河水比例為100%，以標(biāo)準(zhǔn)海水(δ2H=0，δ18O=0)中混合的河水比例為0%，采用插值方法計(jì)算，則膠州灣海水樣品中S2混合的河水最多，約占73.56%，S3中混合的河水最少，約占40.35%[19-20]。

3.2.2 淺層地下水

為研究淺層地下水與大氣降水、地表水之間的關(guān)系，將研究區(qū)第四系孔隙水和基巖裂隙水氫氧同位素值投到δ2H-δ18O關(guān)系圖(圖4)上?？梢钥闯觯鞑蓸狱c(diǎn)均分布于大氣降水線的下方且整體分為呈線性關(guān)系的3個(gè)區(qū)域，即基巖裂隙水分布區(qū)、基巖裂隙水與第四系孔隙水混合區(qū)和第四系孔隙水分布區(qū)，表明研究區(qū)地下水主要補(bǔ)給為大氣降水，且基巖裂隙水和第四系孔隙水存在密切的水力聯(lián)系，第四系孔隙水接受基巖裂隙水的補(bǔ)給。基巖裂隙水樣品的δ2H值范圍為-62.82‰～-48.25‰，平均值為-54.67‰，δ18O值范圍為-8.70‰～-6.63‰，平均值為-7.53‰；第四系孔隙水樣品的δ2H值范圍為-53.48‰～-10.29‰，平均值為-36.51‰，δ18O值范圍為-7.62‰～-0.80‰，平均值為-4.75‰，第四系孔隙水δ2H和δ18O值與基巖裂隙水相比整體較為富集且偏離大氣降水線的距離較大，說明第四系孔隙水受蒸發(fā)效應(yīng)較基巖裂隙水強(qiáng)烈。

圖4 淺層地下水δ2H-δ18O關(guān)系圖

(1)基巖裂隙水。從圖4可知，G1、G4樣品的δ2H和δ18O值較低且分布比較集中，說明這兩處裂隙水補(bǔ)給水源穩(wěn)定，受大氣降水補(bǔ)給且補(bǔ)給路徑較短，使δ2H和δ18O組成貧化；G2、G3、G5和G6采樣點(diǎn)處于基巖裂隙水與第四系孔隙水混合區(qū)域內(nèi)，δ2H和δ18O值富集且Cl-濃度相差較大，介于153～484 mg/L，說明其地下水來源除大氣降水外，還與第四系孔隙水存在水力聯(lián)系，受海水入侵的影響。

(2)第四系孔隙水。由圖4可以看出，第四系孔隙水δ2H和δ18O值差別較大，且分布范圍較離散，可能是由于第四系孔隙水部分采樣點(diǎn)距離地表水較近，受到地表水的滲漏補(bǔ)給影響所致；其全部水樣的δ2H和δ18O數(shù)據(jù)點(diǎn)相較于大氣降水線均向右偏離，存在不同程度的氧漂移現(xiàn)象，表明其在徑流過程中存在一定的蒸發(fā)作用。以基巖裂隙水(G1)為一端元，標(biāo)準(zhǔn)海水為另一端元，第四系孔隙水樣品處在中間位置，并且成直線分布，說明其地下水成因?yàn)榇髿饨邓c海水的混合水，徑流過程中接受基巖裂隙水的補(bǔ)給并經(jīng)歷過不同程度的蒸發(fā)作用。

蒸發(fā)作用的大小可以用氘盈余參數(shù)d(d=δ2H-8δ18O)來表征[21]。蒸發(fā)是影響氘盈余參數(shù)的一個(gè)重要因素，氘盈余參數(shù)主要受空氣相對(duì)溫度控制，其值越小，蒸發(fā)作用越強(qiáng)烈[22]。由表1數(shù)據(jù)計(jì)算可知，研究區(qū)第四系孔隙水氘盈余參數(shù)d值介于-4.78‰～8.3‰，平均值為1.51‰，遠(yuǎn)小于全球大氣降水平均值(10‰)，表明第四系孔隙水徑流過程中蒸發(fā)作用強(qiáng)烈，個(gè)別點(diǎn)位氘盈余參數(shù)d接近全球大氣降水平均值，可能是受地表水體或基巖裂隙水補(bǔ)給所致。

4 結(jié)論

(2)研究區(qū)基巖裂隙水水化學(xué)類型以Cl-Ca和Cl-Na·Ca型為主，第四系孔隙水以Cl-Na和Cl·SO4-Na型為主，河水和膠州灣海水主要為Cl-Na型。Piper三線圖將水樣點(diǎn)分為基巖裂隙水分布區(qū)、第四系孔隙水與地表水混合區(qū)和第四系孔隙水分布區(qū)3個(gè)區(qū)域，表明研究區(qū)地表水和第四系孔隙水水力聯(lián)系密切，存在明顯的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

(3)研究區(qū)祥茂河河水的主要來源為大氣降水；受潮汐作用影響，洪江河、墨水河河水為大氣降水與海水的混合水，且墨水河河水受海水混合影響程度大于洪江河河水；膠州灣海水為河水和標(biāo)準(zhǔn)海水的混合水，其中，祥茂河河口取樣點(diǎn)混合河水最多，約占73.56%。

(4)研究區(qū)基巖裂隙水來源除大氣降水外，還與第四系孔隙水存在密切的水力聯(lián)系，受海水入侵的影響；第四系孔隙水來源為大氣降水與海水的混合水，徑流過程中接受地表水體或基巖裂隙水的補(bǔ)給并經(jīng)歷不同程度的蒸發(fā)作用。