丹東市地下水化學特征及演化規(guī)律分析

姜 丹

(遼寧省丹東水文局,遼寧 丹東 118000)

研究分析地下水化學特征及演變規(guī)律是水質(zhì)保護和地下水資源評價的基礎工作,在實踐中這類研究已得到廣泛應用,對保障供水安全和地下水資源管理極具現(xiàn)實意義。地下水化學成分一般受人類活動和自然過程的影響,其中人類活動以居民生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)影響為主,自然過程包括離子交換以及石鹽、硅酸鹽、白云石、方解石、石膏等礦物的沉淀和溶解[1-4]。近年來,許多學者利用不同方法研究了地下水化學特征及其成因,如有學者利用主成分法和層次聚類法有效提取地下水化學主成分及數(shù)據(jù),鑒定不同礦物的沉淀、溶解和離子交換類型;也有學者利用多元統(tǒng)計分析、Gibbs圖以及Piper三線圖等研究地下水形成條件及其化學成分分類[5-10]。丹東市水資源可開發(fā)利用總量較少,供水水源以地下水為主,研究地下水化學特征及成因和水資源科學管理,對當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和水生態(tài)環(huán)境保護具有重要作用。然而,關于丹東市地下水資源特別是水化學特征及演變規(guī)律的相關研究鮮有報道。因此,文章結合有關研究成果,綜合利用動態(tài)曲線圖、Piper三線圖、統(tǒng)計分析等方法研究丹東市地下水化學特征及演變規(guī)律,以期為丹東市地下水環(huán)境監(jiān)測及其合理開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

丹東市地處遼寧省東南部,總面積1.52萬km2,海岸線長120km。該區(qū)域為遼東山地丘陵的一部分,從東北向西南地勢逐漸降低。研究區(qū)屬溫暖帶亞濕潤季風氣候,冬無嚴寒,夏無酷暑,年均氣溫9℃,多年平均降水量881.3～1087.5mm,其中2/3發(fā)生在夏季,7～8月為暴雨集中期,該區(qū)域是全省降水量最多且水資源最豐富的地區(qū)[11-13]。但隨著人口規(guī)模的擴大和經(jīng)濟的發(fā)展,丹東市水資源承載壓力不斷加大,地下水環(huán)境問題日趨突出,地下水水質(zhì)存在礦化度、氯化物和亞硝酸氮超標等情況。境內(nèi)江河密布,全區(qū)流程超過2km的大小河流有944條,大江大河有叆河、渾江、大洋河和鴨綠江,但仍無法滿足當?shù)厣罴肮まr(nóng)業(yè)用水需求,地下水環(huán)境問題以海水入侵風險高、地下水開采量大最為突出[14-16]。充分考慮研究區(qū)地下水埋藏條件,可以劃分成巖溶水、裂隙水和孔隙水,其中廣泛分布的是裂隙水。

2 樣品與方法

文章以主要離子濃度為地下水化學指標,結合丹東市2007—2021年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),采用離子比值法、Gibbs圖、動態(tài)曲線圖、Piper三線圖及數(shù)理統(tǒng)計法分析水樣監(jiān)測結果,以揭示研究區(qū)地下水化學特征及成因。根據(jù)《地表水和污水監(jiān)測技術規(guī)范》現(xiàn)場測試地下水EC、pH值、水溫和水溫,水樣采集后遮光保存,立即送地下水水質(zhì)監(jiān)測中心測試TDS、總硬度、NO3-、HCO3-、SO42-、Cl-、Na+、K+、Mg2+、Ca2+等。

統(tǒng)計分析代表年2007年、2012年及2021年地下水化學參數(shù),通過對比水樣數(shù)據(jù)(統(tǒng)一采集于9月份)揭示2007—2021年丹東市地下水化學特征及演變規(guī)律。根據(jù)丹東市4個典型監(jiān)測點(同德堂、楊家堡、劉家店和李家堡子)2011—2021年地下水氯離子濃度、TDS、亞硝酸鹽及pH值動態(tài)曲線,總結分析地下水水質(zhì)動態(tài)及其受工農(nóng)業(yè)活動、海水入侵的影響;結合2021年丹東市內(nèi)地下水主要離子關系圖、Gibbs圖分析當?shù)貛r性與地下水化學之間的關系及其成因。

3 結果分析

3.1 地下水化學特征

統(tǒng)計分析丹東市2007年、2012年和2021年監(jiān)測的地下水化學參數(shù)如表1。結果顯示,從低到高陽離子平均質(zhì)量濃度排序為K+

表1 丹東市地下水化學參數(shù)

化學成分集中反映了地下水演變規(guī)律,為分析丹東市地下水化學類型及其演變規(guī)律,將2007年、2012年和2021年地下水主要離子繪制成Piper三線圖。結果顯示,在3個代表年中丹東市地下水大部分陰、陽離子集中偏向HCO3-端和Ca2+端,說明Ca2+與HCO3-占地下水陰陽離子比例高,水質(zhì)較好,碳酸鹽巖風化在一定程度上影響著離子變化。沿箭頭方向陰離子出現(xiàn)轉移,陽離子變幅較小,說明地下水中硫酸根離子含量受附近工農(nóng)業(yè)污水排放等因素影響明顯增加,毫克當量從12%快速上升到25%,改變了SO42-含量排序,2007—2021年間地下水從Ca·HCO3型逐漸向Ca·SO4和Ca·HCO3型演化。

通過對比2012年丹東市部分采樣點水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),地表水優(yōu)勢離子主要有SO42-、Cl-、Mg2+、Ca2+,地下水優(yōu)勢離子主要有Ca2+、HCO3-。地下水HCO3-陰離子濃度占比相比地表水顯著增加而SO42-、Cl-減少,Mg2+、Ca2+陽離子濃度占比相比地表水減少而Na+、K+增大。地表水化學類型復雜可能與人類活動影響較大有關,以Ca·Mg-SO3、Ca·Mg·Cl和Ca·Mg-HCO3為主;地下水化學類型以Ca·HCO3為主,相對單一。研究表明,地表水補給不是地下水化學演變的主要因素,丹東市地下水與地表水化學類型具有明顯差異。

3.2 成因分析

地下水環(huán)境變化通常是由自然因素和人類活動等多種原因所引起的,其中自然因素主要包括蒸發(fā)濃縮、溶濾和巖石風化作用,對于沿海地區(qū)地下水環(huán)境也會因海水入侵出現(xiàn)惡化;人類活動主要通過直接排放生活及工農(nóng)業(yè)廢棄物對地下水質(zhì)造成污染,另外地下水質(zhì)和水位還會受地下建設活動的間接影響發(fā)生改變。為探究丹東市地下水質(zhì)受海水如今和工農(nóng)業(yè)污染的影響,從同德堂、楊家堡、劉家店和李家堡子境內(nèi)依次選取4個典型監(jiān)測點,地下水監(jiān)測指標為氯離子濃度、TDS、亞硝酸氮和pH值,研究分析2011—2021年地下水質(zhì)變化特征,如圖1所示。

(a)pH值

由圖1(a)可知,各監(jiān)測點pH值處于6.4～8.1區(qū)間,不同站點pH值相差不明顯,在2014年和2019年附近出現(xiàn)兩次比較明顯的拐點。研究區(qū)地下水整體呈弱堿性,受水文地球化學過程和人類生產(chǎn)活動影響沿海地區(qū)近幾年pH呈上升趨勢。由圖1(b)可知,各監(jiān)測點亞硝酸氮處于0～45mg/L區(qū)間,除劉家店外其它監(jiān)測點亞硝酸氮均未超出20mg/L的Ⅲ類水要求。由圖1(c)可知,各監(jiān)測點TDS處于187～3868mg/L區(qū)間,除同德堂地下水中TDS有兩次升高拐點外其它均未表現(xiàn)出明顯變化趨勢,其它監(jiān)測點TDS在400mg/L上下波動。由圖1(d)可知,在2011—2021年4個監(jiān)測點TDS與氯離子變化趨勢基本相同,李家堡子、楊家堡、劉家店地下水中氯離子濃度在50mg/L上下波動,含量基本穩(wěn)定。同德堂地下水氯離子濃度處于315～1812mg/L區(qū)間,按照海水入侵判斷標準為地下水氯離子含量超過250mg/L,可以認為受附近斷裂帶影響導致海水入侵引起同德堂地下水氯離子濃度和TDS含量較高,水質(zhì)較差,特別是在2014年與2017年變化幅度更加明顯。通過分析4個監(jiān)測點的水質(zhì)變化特征發(fā)現(xiàn),海水入侵及附近工業(yè)生產(chǎn)在一定程度上影響著丹東市部分地區(qū)地下水環(huán)境。

根據(jù)Gibbs圖能夠直觀地揭示地下水離子來源,結果表明丹東市2021年大多數(shù)采樣點集中分布在巖石風化型區(qū),說明研究區(qū)地下水化學成分主要受巖石風化作用的控制。地下水環(huán)境主要體現(xiàn)在離子關系上,通過分析主要離子比例關系可以反映巖性與地下水環(huán)境的相互作用。由HCO3-+SO42-與Mg2++Ca2+關系可知,在Y=X線附近及上方采樣點分布比較集中,(Mg2++Ca2+)/(HCO3-+SO42-)比例>1的采樣點占75%,說明鹽酸鹽巖溶解為地下水中Mg2+與Ca2+的主要來源;(Mg2++Ca2+)/(HCO3-+SO42-)比例<1的采樣點占25%,說明蒸發(fā)巖溶解和硅酸鹽對于維持地下水離子平衡具有一定作用。由Cl-與K++Na+關系可知,(K++Na+)/(Cl-)比例>1的采樣點占38%,說明巖鹽溶解為地下水中一定K++Na+的來源,受海水入侵和人類活動影響Cl-含量較高?？傮w而言,人類活動、碳酸鹽巖風化和海水入侵均會對丹東市地下水化學特征造成影響。

4 結 論

文章結合丹東市2007—2021年相關監(jiān)測數(shù)據(jù),采用多種方法和主要離子濃度分析地下水化學特征及成因,主要結論如下:

1)丹東市地下水演化過程中SO42-質(zhì)量濃度明顯增加,而HCO3-與Na+質(zhì)量濃度顯著減少,地下水離子以HCO3-與Ca2+為主,2007～2021年丹東市地下水從Ca·HCO3型逐漸向Ca·SO4和Ca·HCO3型演化。

2)研究選用的4個典型監(jiān)測點pH值處于6.4～8.1區(qū)間,地下水整體呈弱堿性;各監(jiān)測點亞硝酸氮處于0～45mg/L區(qū)間,除劉家店外其它監(jiān)測點亞硝酸氮均未超出20mg/L的Ⅲ類水要求;TDS與氯離子變化趨勢基本相同, 除同德堂外其它地區(qū)地下水中的氯離子濃度均在50mg/L上下波動,含量基本穩(wěn)定。

3)丹東市地下水化學成分主要受碳酸鹽巖風化作用的控制,研究區(qū)地下水環(huán)境受人類活動與海水入侵的影響較大,為維持地下水環(huán)境生態(tài)平衡應加強海水入侵防控和地下水超采治理,通過減少工農(nóng)業(yè)廢污水排放降低對地下水環(huán)境的不利影響。