广西北海市滨海地带咸化地下水化学特征

黄栋声，何 军

（1.广西壮族自治区地质环境监测总站，广西桂林541004；2.武汉地质矿产研究所，湖北武汉430205）

广西北海市滨海地带咸化地下水化学特征

黄栋声1，何 军2

（1.广西壮族自治区地质环境监测总站，广西桂林541004；2.武汉地质矿产研究所，湖北武汉430205）

沿海地区地下水咸化主要有海水入侵和海水垂直入渗两种方式。为查明广西北海市滨海地区地下水咸化现状和特征，对北海市滨海地区采集地下水样品。

滨海地区；地下水咸化；水化学特征

地下水咸化是困扰当今世界上沿海城市发展最为常见的地质环境问题，依据成因机制可分为海水入侵和海水养殖垂向入渗。北海市地处广西南部，呈北、西、南三面环海的半岛状地形，无大江大河傍靠，无就近利用地表水之条件，地下水是北海市当前城市供水的唯一水源（欧业成，2009）。自1983年起，特别是进入90年代以来，北海市城市建设迅速发展，人口增长较快，地下水的开采量以每年20～30%的速度增长，对地下水的开采量逐年增加，大规模无序地超量开采地下水，近岸地带已形成降落漏斗，致使北部海岸带出现了海水人侵（王举平，1997；周训，1997）。近年来，随着沿海平原作为海水养殖场，抽取大量海水或高浓度卤水进行养殖，将海水引入内陆，在未经防渗或者防渗措施较差的情况下，导致海水的垂直入渗，造成地下水的咸化，甚至局部区域地下水已完全变成卤水（周训，宁雪生，王举平，1997）。北海市存在以上两种方式的地下水咸化现象，以往的学者多关注与海水入侵及水文地球化学特征（常艳娥，黎广钊，2011；姚锦梅等，2011），对于南部滨海地带的高位养殖引发的地下水咸化关注较少，而且海水入侵和高位养殖与地下水的开采和养殖规模密切相关。本文通过采集北海市滨海地区的地下水样，探讨海水入侵和高位养殖区地下水化学特征，查明现今地下水咸化的范围，将有助于合理利用和保护好北海市地下水资源。

1 研究区概况

北海市三面环海，大体上呈向西突出的半岛状（图1），除西端的冠头岭基岩出露为岩岸外，南北两侧均为松散岩类海岸，市内绝大部分区域为滨海平原，地形平坦开阔，标高一般为5～25m。属亚热带海洋性季风气候，年平均降雨量1677mm，多集中在5～10月，地表溪流短而少。

在构造上该区属南康盆地西南一偶。盆地基底为志留系、泥盆系砂岩、泥岩，西北及西部分布有较大范围的花岗岩。上覆新近系、第四系互层状的松散砂性土和粘性土，松散层厚度自北向南呈增厚之势，厚度0～260m不等（图2）。

松散砂性土为含水层，粘性土为相对隔水层，自上而下可分为潜水和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层承压含水层。潜水层：分布于全新统（Q4）及北海组（Q2b）中，含水层岩性以粗砂为主，厚度 0.59～3.80m，渗透系数为30.05～36.04m/d，单井涌水量6～130m3/d；Ⅰ承压含水层：由湛江组（Q1z）地层组成，含水层岩性以砾砂、粗砂为主夹粘性土透镜体，含水层埋深6～41m，厚8～30m，渗透系数为30～62m/d，弹性给水度4.2×10-4～9.3×10-4；Ⅱ承压含水层：由南康组上段（Nn2）组成，含水层岩性主要为砾砂、粗砂夹粘土透镜体，含水层埋深44～57m，厚22～94m，渗透系数15～46m/d，弹性给水度2.6×10-4～1.4×10-3；Ⅲ承压含水层：由南康组下段（Nn1）组成，含水层岩性以粉细砂为主，夹粘性土透镜体，厚72～123m，渗透系数为5～20m/d，钻孔单位涌水量较小。上述自上而下的孔隙潜水层和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ孔隙承压含水层，因其间的粘性土层为弱透水层，岩性及厚度极不稳定，具分岔复合、尖灭再现的现象，且存在“岩性天窗”，因而构成一个多含水层越流系统。

图1 北海市滨海地区地下水采样点分布图

图2 北海市简易水文地质剖面图（据文献生态报告）

研究区孔隙潜水主要接受大气降水补给，少量来自运河水的侧向补给。承压水通过上层潜水含水层的垂直补给，下层承压水又通过上层承压含水层的补给，其补给方式通常为越流渗透，局部通过“岩性天窗”直接补给。地下水的径流，总体上由北向南、南西、南东海域或港湾作层状渗流运动。地下水最终向海排泄，人工抽水也是地下水的重要排泄方式。潜水含水层因厚度小，Ⅲ承压含水层埋藏深、透水性差、单井涌水量小，均不具集中供水意义。而Ⅰ、Ⅱ承压含水层透水性强、单井涌水量大，而成为主要的供水含水层。

2 材料与方法

北海市北部的海角路一带、南部的侨港-龙潭村一带采集地下水样共计31件，其中潜水样12件、Ⅰ承压水12件、Ⅱ承压水6件、混合水样1件，采样时间为2011年，样品采集为广西地质环境监测总站完成。在为准确定量研究海水养殖区地下水化学特征及其变化规律，测试了地下水样片中的主要阴阳离子，测试方法参照GB/T5750-2006和DZ/T0064-93等。pH值采用哈希HQ 40d（美国）便携式测定仪现场测定；HCO3-于采样的当天用滴定法测定；矿化度（TDS）采用重量法测定；Cl-采用硝酸银容量法测定；SO42-采用BaCrO4分光光度法测量；K+和Na+采用火焰原子吸收分光光度法；Ca2+和Mg2+采用原子吸收分光光度法测量，测试单位为广西水文地质工程地质勘察院实验室。

3 结果与讨论

3.1 地下水化学基本特征

根据地下水样品的分析结果（表1），绘制了地下水样品的piper三线图（图3）。北海市滨海地区地下水样中阳离子以Na+为优势离子，其次为Ca2+和Mg2+，其中潜水中Ca2+较Mg2+含量多，承压水中正好相反。水样阴离子明显聚集于三角形的右下角，Cl-为优势阴离子，其次为HCO3-，SO42-较为贫乏。按照舒卡列夫分类法对研究区水样进行地下水化学类型的分析可知，研究区主要地下水化学类型为Cl-Na、Cl-Na·Ca、Cl·HCO3-Na·Ca型为主，少量为HCO3-Ca·Mg、Cl·SO4-Na·Ca。天然地下淡水以重碳酸根和碱土金属（Ca2+和Mg2+）离子为主，地下水咸化后，地下水淡水与海水混合，Cl-含量增大，随之Na和K的浓度也随之增加，因此出现了较多的地下水为氯化物型。研究区矿化度较高的咸水和微咸水的化学类型均为Cl-Na或Cl-Na·Ca型，极少数地下水为硫酸盐型水。

研究区地下水pH值多小于7，呈弱酸性，pH值≤5的水样绝大多数靠近海岸带，尤其是北部海边比较多。从内陆至海岸，地下水的pH值总体上略呈减小趋势。对于北海市滨海地带地下水偏酸性的成因，周训（2007）和欧业成（2009）等对其进行了研究，结果表明：大气降水，土壤矿物与化学成分，含水层的岩性、介质成分和结构等，是偏酸性地下水形成的物质基础，水循环状况则是偏酸性地下水形成的动力条件。在这一系统中，第四系松散沉积物的矿物成分石英占50～80%，含少量粘土矿物，化学成分中SiO2占绝大多数。以难溶成分为主的沉积物和长期的淋滤作用使地下水具有低矿化度。天然状态下偏酸性地下水的H+来源于由CO2溶解于水而形成的碳酸的离解、粘土层中的H2O+以及雨水中的酸性物质。地下含水系统中缺少可以中和酸的碱性物质，有利于H+集聚，使地下水pH值偏低。

3.2 地下水咸化特征

Cl-通常是滨海含水层地下水中的主要离子组分。另一方面，地下水中的是保守的，它在地下水矿化度较低时不形成氯化物盐类沉淀，因而通过监岸带地下水中Cl-含量的变化来监测和研究海水入侵是人们常用的方法（周训，1997）。目前有两种观点，一种是以《地下水质量标准》（GB/T14848-1993）III类和生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）中规定的250mg/l为依据，另一种是以当地的背景值作为参考。苏乔等（2012）在研究莱州湾沿岸海水入侵时以250mg/l作为判断的标准，而薛愚群等（1991）和尹泽生（尹泽生莱州湾滨海区域海水入侵研究北京海洋出版社1992.58～59）分别以200mg/l和300mg/l作为海水入侵界线。周训（1997）和王举平（1997）等根据历史监测资料分析，以Cl-含量大于50mg/l作为北海市海水人侵的判别标准。

北海市地下水Cl-的含量总体由内陆向海域逐渐增大，其中以东南部的大冠沙一带含量最高，潜水Cl-含量达2441.87mg/l，约为背景值的40倍。据样品采集分析数据，潜水Cl-含量大于50mg/l的区域面积为47.42km2，即为北海市海水咸化的范围 （图 4），Cl-含量大于 250mg/l的区域面积为16.54km2；承压水Cl-含量大于50mg/l的区域面积为40.43km2（图5），Cl-含量大于250mg/l的区域面积为10.99km2。

表1 地下水化学分析结果

图3

不同化学性质的水中特征离子不同，其特征离子含量的比值可清楚地反映并放大两种水的差异性，因此是区分不同性质地下水十分有效的一种指标。考虑到地下淡水中主要阴离子为HCO3-，而海水中主要的阴离子为Cl-，不同程度的侵染会使淡水中rHCO3/rCl发生明显变化（见图5）。

图4 北海市滨海地区潜水Cl-等值线图

图5 北海市滨海地区承压水Cl-等值线图

钠吸附比（SAR）Na+是海水中首位的阳离子，其含量比淡水要高出2～4个数量级。受海水侵染的地下水及土壤中Na+含量升高，超过一定限度则会导致土壤次生碱化，这是重侵染区盐渍土形成过程之一。美国盐渍土实验室提出的SAR即是衡量灌溉水质的钠危害程度的一个水化学指标，其表达式为：

式中：“r”表示毫克当量选用SAR为海水入侵判断指标之一，既可以使我们从咸淡水中主要阳离子比值角度判断海水侵染程度又可以从土壤环境化学方面考察海水侵染的影响。

4 结束语

综上所述，北海市滨海地区的地下水咸化是客观存在的问题，通过对众多布点采集到的地下水样进行化学分析，深入讨论海水入侵和高位养殖区地下水化学特征，查明现今地下水咸化的范围，将有助于合理利用和保护好北海市地下水资源。

P734

A

2095-2066（2016）36-0128-03

中国地质调查局项目，北部湾经济区环境地质调查（1212010914003）与中南重点地区地下水污染调查评价项目联合资助。

2016-12-12

黄栋声（1982-），男，工程师，从事水文地质工程地质环境地质调查评价工作。