路剑飞,甘华阳,张顺枝,黄向青
(国土资源部广州海洋地质调查局,广东 广州 510760)
琼东北滨海浅层地下水水质变化特征分析*
路剑飞,甘华阳,张顺枝,黄向青
(国土资源部广州海洋地质调查局,广东 广州 510760)
海南; 滨海地区; 浅层地下水; 水质
咸淡水平衡界面是滨海地区内陆淡水层水动力与海水水动力相互平衡的外在表现,是决定浅层地下水水质咸化与否的重要因素。自然环境变化或人类活动的影响往往会改变咸淡水平衡界面的位置,引发海水向陆方向移动,咸淡水界面向内陆挤压,最终造成内陆淡水资源咸化,实用性降低[1]。以海南为例,由于超量开采地下水、河口区违规挖沙导致的河床剧烈下切以及风暴潮等自然灾害的影响,滨海地区个别地下水井近年来水质咸化,以致无法引用,包括东寨港湾在内的多块区域均存在海水入侵地下水的可能性,而地下水复式含水层的自身结构特征则可能加剧这一效应[2-6]。海水入侵地下水还会导致土壤盐渍化等次生灾害的产生,严重影响当地的生产和生活。由于海南东北部沿岸地下水监测孔数量少,系统监测资料欠缺,难以对海水入侵地下水形成整体认识。因此,对滨海地区浅层地下水进行实时监测,有助于分析研究地下水水质变化特征和规律,为进一步防控地下水的海水入侵提供有效帮助。
本研究以中国地质调查局《华南西部滨海湿地地质调查和生态环境评价》项目为依托,利用海南东北部滨海地区的3口地下水监测井(分别位于海口、文昌、万宁)获得的浅层地下水短期逐时水质采样数据(相邻大、小潮周期各26 h)及电导率长期逐时监测数据(1 a),分析研究了琼东北滨海浅层地下水水质的短期和长期变化特征,为了解掌握该区浅层地下水的水质变化规律提供了依据,并为进一步建立该区海水入侵地下水实时监测系统打下了基础。
海南岛位于我国最南端,地势以五指山、莺歌岭为中心,向四周逐级下降,梯级结构明显。根据含水层介质特征、地下水贮存条件和水力特征等因素综合判断,海南岛东北部滨海浅层地下水系统为潜水、微承压水和承压水组成的复式含水层系统,其中潜水多属于松散岩类孔隙潜水,而承压水则主要为多层砂粒孔隙承压水。潜水的补给来源主要为大气降水和灌溉水的渗入,侧向补给甚微;而承压水的天然补给来源则相对贫缺,仅第一、二层通过火山颈受上覆孔隙潜水补给[7-8]。海南岛属热带季风气候,降雨主要来自台风和西南季风,东北部地区年均降雨量约为1 500~2 000 mm。降雨的来源也导致了海南岛雨季旱季分明,11月至次年5月为旱季,7个月的降雨量占全年雨量的10%~20%;雨季为5-10月,集中了全年降雨量的80%~90%。因此,旱季多发生全岛性的旱灾,而雨季则多洪涝灾害,由此导致的地下潜水的水位变动也较为显著[2]。
图1 研究区及地下水监测井站位图Fig.1 Location of research zone and groundwater monitoring wells at NE Hainan
由3口监测井的水文地质柱状图可知(图略),QZ1井水质采样和电导率监测深度刚好位于第一层承压含水层的底部,含水层顶部为具有弱透水性的粉质粘土层,厚度为3.4 m,含水层底部为不透水的粘土层,厚度为2.9 m。含水层顶部至地面多为透水性良好的砂质含水层。QZ2井的采样和监测深度刚好到达基岩,其上为透水性良好的砂质含水层。QZ3井的采样和监测深度位于潜水含水层。由此可知,QZ1井研究的主要是承压水,而QZ2井和QZ3井研究的均为潜水。
2.1 地下水中阴、阳离子变化特征分析
2.1.1 地下水中阳离子变化特征分析 根据短期逐时(相邻大、小潮期各26 h)的水质检测结果,图2给出了各监测井地下水中阳离子的时序变化曲线。由图中可知,Na+的含量最高,波动也最为剧烈,其他依次为Mg2+、Ca2+和K+。表2给出阳离子相对质量浓度统计表(质量浓度单位:mg/L),由表中可知,3口监测井中Na+含量均处于绝对优势,介于68.4%~81.0%之间。Mg2+和Ca2+的含量基本接近,仅QZ2井中Mg2+明显高于Ca2+,但整体而言,两者均在10.0%左右波动。这一阳离子组成与地表水之间存在明显差异[11],以南渡江和龙滚河为例,两者的优势阳离子均为Ca2+和Mg2+。3口监测井地下水中K+的含量均低于8.0%,尤其是QZ2井,低于3.0%,明显小于其他3种阳离子。就波动性而言,4种阳离子的质量浓度百分比波动均较小,除Na+和QZ1井的Ca2+外,其他阳离子的波动性基本低于1.0%。此外,各阳离子的含量随潮期的不同会有所波动,但整体上变化不大。
表1 地下水监测井相关信息表
表2 地下水各阳离子相对浓度统计表
图2 地下水阳离子逐时变化时序图Fig.2 Time series of cation in the groundwater
表3给出了各监测井地下水的实际钠吸附比(SARP)[12]:从均值角度讲,SARPQZ1 表3 地下水实际钠吸附比(SARP) 由表4可知,QZ1井中Na+与Mg2+之间具有极强的相关性,尤其是小潮期;Na+与Ca2+、Mg2+与Ca2+的相关性受潮期的影响较大,大潮期的相关性明显强于小潮期,尤其是Mg2+与Ca2+之间,大潮期具有极强的相关性。QZ2井3种阳离子之间的相关性强弱受潮期的影响较大,Na+与Mg2+、Na+与Ca2+的相关性均会在小潮期明显降低,而Mg2+与Ca2+的相关性则在小潮期明显增强,达到极强相关程度。QZ3井的3种阳离子之间均表现为极强的相关性,且这种相关性基本不受潮期的影响。总体而言,3口监测井阳离子之间均表现为正相关。 表4 阳离子间的Spearman秩相关系数表1) 1)表中/前后数字分别对应大潮期和小潮期 图3 地下水阴离子逐时变化时序图Fig.3 Hourly time series of anion in the groundwater 表5 阴离子间的Spearman秩相关系数表1) 1)表中/前后数字分别对应大潮期和小潮期 由于海水和地下水中Cl-含量差异较大,且Cl-具有保守性[16],可以根据地下水中氯离子的浓度判断是否发生了海水入侵[1]:当ρ(Cl-)<225.8mg/L时,研究区未受到海水入侵;225.8~240.0mg/L时,研究区受到轻微海水入侵;240.0~322.0mg/L时,研究区受到中等海水入侵;>322.0mg/L时,研究区受到重度海水入侵。对比图3和表6可知,除QZ1井小潮期介于中等-重度海水入侵外,其他监测井在研究时段内均受到重度海水入侵。三口监测井大潮期Cl-平均浓度均大于小潮期,但Cl-的波动性强弱则表现出过渡性,即QZ1井小潮期Cl-质量浓度的波动性明显强于大潮期;QZ2井Cl-质量浓度在大小潮期波动性相差不大,大潮期略大;QZ3井大潮期Cl-质量浓度的波动性则明显强于小潮期。 表6 地下水中Cl-含量特征值计算表 2.2 Na+、Cl-与溶解性固体总量相关性 溶解性固体总量(TDS),是指溶解在水中的固体(如氯化物、硫酸盐、硝酸盐、重碳酸盐及硅酸盐等)的总量[17]。由上文可知,3口监测井中阴阳离子的变化主要体现为Na+和Cl-的变化。为了进一步研究Na+和Cl-的变化对TDS的影响,图4给出了Na+、Cl-、TDS及rate的日变化曲线图,其中:rate=(Na++Cl-)/TDS。由图4可知,3口监测井中Na+和Cl-的变化具有准同步性;Na++Cl-与TDS的变化趋势和幅值都基本一致。rate曲线的值域分布也表明Na++Cl-为TDS中的主要成分,证明了TDS的变化主要源自Na+和Cl-的联合变化。值得注意的是,QZ2井小潮期TDS基本稳定的前提下,由于Na+含量的显著增加导致了rate值的显著上升,这一原因还有待进一步研究。 对研究时段内各监测井的rate曲线进一步研究可知(见表7),QZ1井和QZ2井rate值的极差和标准差在大潮期的幅值十分接近,在小潮期则差异较大,但两口井均表现为大潮期较小,而小潮期较大的变化特征,表明Na++Cl-在TDS中所占的比重在大潮期较为稳定,而在小潮期波动较为剧烈;QZ3井的变化则与之相反。就均值而言,QZ2井在大潮期和小潮期变化不大,而QZ1井和QZ3井在小潮期均值均有明显的下降。QZ2井和QZ3井rate值均在75.0%以上,甚至达到92.4%,而QZ1井则介于50.0%~75.0%之间,变化幅度较大,表明QZ2井和QZ3井中的Na++Cl-的质量浓度要高于QZ1井,这很有可能由于QZ1井位于南渡江河口区东侧,受到河口的冲淡水作用影响。 2.3 Na+、Cl-与电导率相关性分析 图4 Na+、Cl-、TDS及rate的日变化曲线Fig.4 Daily variation curves of Na+, Cl-, TDS and rate 表7rate曲线特征值计算表 Table7Statisticalvaluesofrate % 由图5可知,在研究时段内,不论大、小潮期,各监测井的电导率与矿化度、电导率与Na++Cl-之间均存在唯一的线性对应关系,且对应关系十分相似,仅斜率略有差异,意味着当3口监测井的电导率等量减少或增加时,各自地下水中矿化度以及Na++Cl-含量的变化幅度是不同的,有QZ1井>QZ3井>QZ2井。由于电导率的长期监测相比矿化度、Na+和Cl-的长期监测测定速度快、程序简单、随机误差小且维护费用低廉,而矿化度和Cl-的含量是进行水质判断和海水入侵地下水的可靠依据,因此以上结果表明,通过监测地下水电导率的长期变化间接实现水体矿化度及Na+和Cl-的长期监测是可行的,这对于长期实时水质监测及海水入侵地下水监测具有十分重要的意义。当然,由于水质逐时采样的时段较短(大、小潮期共52 h),覆盖的电导率变化范围较小(参见图6),因此这种线性对应关系的可靠性和变化特征还有待进一步验证。 一般而言,地下水矿化度含量由陆向海是逐渐升高的,但在海水入侵区会出现矿化度的显著提升,因此可以根据矿化度的值域对地下水水质进行分类[19,21]。各监测井研究时段内的地下水矿化度值域及分类依次为:QZ1为微咸水,959.5~2 250.5 mg/L;QZ2为咸水,4 562.5~5 158.0 mg/L;QZ3介于微咸水和咸水之间,2 282.5~5 605.0 mg/L。 图5 矿化度、Na++Cl- 与电导率变化图Fig.5 The variation of mineralization, Na++Cl- with conductivity 由于各监测井LTC的投放和回收时间略有不同,为了便于对比分析,将数据的起止时间统一处理为:2013年7月12日11:00起;2014年7月8日10:00止。图6给出了3口监测井地下水电导率的时序变化曲线及相应的累积分布图,图中斜线区域为上文相邻大、小潮期间共52 h逐时水质采样得到的电导率值域分布。 由图6可知,三口地下水监测井之间的电导率长周期变化特征截然不同。QZ1井总体上变动较为平稳,但个别时段存在电导率急剧升降的异常区,如2013年7月12日20:00起的11 h内,电导率由1 295 μS/cm迅速爬升至8 236 μS/cm,又迅速回落至1 120 μS/cm,1 h最大升降幅度达到3 516 μS/cm(异常区1);又如2013年11月9日17:00起的8 h内,电导率由813 μS/cm迅速升至6 025 μS/cm,又迅速回落至1 039 μS/cm,1 h最大升降幅度达到5 212 μS/cm(异常区2)。由于异常区的存在并不具有规律性,因此其形成机理还有待进一步考证。QZ2井的短周期变化较为剧烈,长周期变化呈现出缓慢上升的特征。QZ3井在1年左右的观测期内,电导率整体呈下降趋势,但存在两大极值区:2013年10月16日4:00至17日2:00的22 h内出现极小值区,电导率维持在23 122 μS/cm的水平;2013年12月19日21:00出现极大值,电导率为25 320 μS/cm。 图6 电导率时序变化图及相应的累积分布图Fig.6 Time series and cumulative distribution of conductivity 此外,QZ1井和QZ2井在水质采样阶段获得的电导率值域均包含于各自电导率长周期观测的值域范围内,但表征的意义有所不同。前者表征的是QZ1井电导率显著升高阶段,发生概率仅为1.71%,并非电导率的平稳常态变化阶段,因此上文的研究主要是QZ1井在电导率显著升高阶段的水质变化特征;而后者表征的是QZ2井的低值区,发生概率为12.56%,因此上文的研究主要是QZ2井在电导率位于低值区时的水质变化特征。QZ3井的情况最为特殊,水质采样阶段获得的电导率值域范围与后期的电导率长期监测的值域完全没有交集,而两者的监测时间仅相差10 d左右。在排除数据获取方法错误及仪器失灵的可能性后,相关原因还有待进一步研究。 3.1 电导率日变化概率分布特征分析 根据电导率的长期逐时监测结果,研究日周变化过程中各时刻(一天24 h)对应的电导率时序的概率分布特征及一致性问题。将原有的连续逐时观测序列按观测时刻的不同分别截取,构成24段新的观测序列,观测的采样周期由1 h转换为1 d,起止日期与原有的观测序列一致。图7给出了各监测井每日特定时刻电导率观测序列的经验累积分布函数(Empirical CDF)和相应的误差条形图。 由图7可知, QZ1井和QZ3井各时刻对应电导率时序的概率分布均分别遵循同一经验累积分布函数,而QZ2井各时刻遵循的经验累积分布函数则不唯一,表现出渐变的分布特征,Wilcoxon符号检验法[22]的检验结果也验证了这一结论。各监测井的误差条形图表明:QZ1井各时刻对应的电导率长期变化的均值较为稳定,介于835~865 μS/cm之间;标准差则呈现出明显的波动特征,以每日1:00-3:00和18:00-19:00最大,介于300~400 μS/cm之间,中间时刻则呈现出过渡特征,最小标准差仅为151 μS/cm(每日11:00)。QZ2井各时刻的均值则呈现出准半日周期变化特征,整体上介于12 500~15 000 μS/cm之间,每日13:00和24:00分别达到次峰值和最大峰值,每日8:00和19:00分别达到最低大谷值和次低谷值;标准差变动具有明显的时段性,1:00-6:00标准差变动较为平稳,介于4 800~5 100 μS/cm之间,7:00-24:00标准差存在明显的升降过程,最大值达到7 055 μS/cm。QZ3井各时刻均值变动近似线性缓慢下降,由23 500 μS/cm缓慢下降至23 460 μS/cm;标准差波动基本介于3 165~3 175 μS/cm之间,22:00会有显著的升高,达到3 201 μS/cm。总体而言,QZ3井各时刻的均值和标准差波动最为平稳;QZ1井的均值变动较为平稳,但标准差波动具有明显的周期性;QZ2井的均值和标准差均非常显著。 图7 电导率经验累积分布(ECDF)曲线及误差条形图Fig.7 ECDF curves and relevant error bars of conductivity 3.2 Na++Cl-及矿化度的长周期变化特征 受客观因素限制,利用传统取水样检测的方法对Na++Cl-及矿化度进行长周期(1 a及以上)高频(逐时)监测成本巨大且费时费力,但是利用前文得出的Na++Cl-与电导率,以及矿化度与电导率之间的相关关系(假设相关关系稳定),则仅通过电导率的长期监测即可实现Na++Cl-及矿化度的长周期逐时监测。由于各监测井Na++Cl-及矿化度与电导率均具有良好的线性相关性,因此Na++Cl-及矿化度的长周期变化曲线形态应与图5类似,此处不再重复给出,仅给出相应的统计参数(见表8)。 表8 各监测井Na++Cl-及矿化度的长周期统计参数表 由于表8是直接根据图5的关系式得出的结果,而由图6可知,短期水质采样得到的电导率并不能完全覆盖长期监测的电导率值域范围,由此才会出现QZ1井Na++Cl-的最小值出现负值的情况。由此可知,为了更好的实现利用电导率预测Na++Cl-及矿化度的目的,应针对不同时期进行重复水质采样、广泛拟合电导率与两者的相关关系,建立电导率与Na++Cl-及矿化度的鲁棒性全值域分段关系式,从而更好的实现建立Na++Cl-及矿化度的实时远程监测系统的目的。从目前得到的结果来看,各监测井地下水中Na++Cl-的变化幅度依次为QZ1>QZ2>QZ3,而矿化度的变化幅度则为QZ2>QZ1>QZ3。对比Na++Cl-及矿化度的变异系数可知,三口监测井之间矿化度的变幅差异要远小于Na++Cl-的变幅差异。南渡江河口区的淡水大量外泄冲咸作用和偶尔的咸水入侵很可能是造成QZ1井地下水中Na++Cl-的剧烈变化的直接原因。 本文以琼东北滨海地区浅层地下水短期逐时水质采样数据及电导率长期逐时监测数据为基础,分析研究了该区浅层地下水水质的变化特征,得出以下结论: 2)研究区浅层地下水对于土壤的碱化危害程度由北向南逐渐增大,由中等偏低危害逐步增大为中等偏高危害。海水入侵强度则表现为中等-重度海水入侵,且大潮期尤为严重。矿化度的分析结果表明,研究区浅层地下水介于微咸水和咸水之间。 3)研究区地下水中TDS的变化主要源自Na+和Cl-的联合变化,且东北部和东部Na++Cl-的比重要明显大于北部的比重,这很有可能由于QZ1井位于南渡江河口区东侧,受到河口的冲淡水作用影响。 4)研究时段内,研究区地下水的电导率与矿化度、电导率与Na++Cl-之间均存在唯一的线性对应关系,且不受潮期的影响,意味着通过监测地下水电导率的长期变化间接实现水体矿化度及Na+和Cl-的长期监测是可行的,对于长期实时水质监测及海水入侵地下水监测具有十分重要的意义。 5)研究区地下水电导率的长周期变化特征随位置不同差异明显,QZ1井总体上变动较为平稳,但个别时段存在电导率急剧升降的异常区;QZ2井的短周期变化较为剧烈,长周期变化呈现出缓慢上升的特征;QZ3井在1 a左右的观测期内,电导率整体呈下降趋势,但存在两大极值区。电导率的日周变化概率分布分析结果表明:QZ1井和QZ3井各时刻对应电导率时序的概率分布均分别遵循同一经验累积分布函数,而QZ2井各时刻遵循的经验累积分布函数则不唯一,表现出渐变的分布特征,Wilcoxon符号检验结果也验证了这一结论。QZ3井各时刻的均值和标准差波动最为平稳;QZ1井的均值变动较为平稳,但标准差波动具有明显的周期性;QZ2井的均值和标准差均非常显著。 6)3口地下水监测井之间矿化度的长周期变幅差异要远小于Na++Cl-的变幅差异。南渡江河口区的淡水大量外泄冲咸作用和偶尔的咸水入侵很可能是造成QZ1井地下水中Na++Cl-的剧烈变化的直接原因。 [1] 夏楠. 大连市海水入侵系统动力学研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2011. [2] 陈飞星, 王华东. 海南岛水资源可持续发展对策[J]. 中国环境科学, 1998, 18(Suppl.): 74-78. [3] 杨克红, 赵建如, 金路, 等. 海南岛海岸带主要地质灾害类型分析[J]. 海洋地质动态, 2010, 26(6): 1-6. [4] 郭纯青. 海南琼北复式含水层系统水循环特征[J]. 水科学进展, 2003, 14(3): 379-383. [5] 李晶晶. 南渡江河口(龙塘坝下游)盐水入侵研究[D]. 天津: 天津大学建筑工程学院, 2007. [6] 邬立, 万军伟, 潘欢迎, 等. 琼北自流盆地地下水三维数值模拟研究[J]. 安全与环境工程, 2009, 16(3): 12-17. [7] 田开铭. 对海口市地下水资源的初析[J]. 现代地质, 1988, 2(2): 271-272. [8] 韩志明, 廖传华. 海南岛地下潜水系统防污性能评价[J]. 地下水, 2009, 31(1): 118-120. [9] 何玉生, 傅杨荣, 王丰, 等. 海南岛地表水的区域地球化学特征及其影响因素[J]. 地球与环境, 2009, 37(2): 157-162. [10] GB 17378.3-2007 海洋监测规范 第3部分:样品采集、贮存与运输[S]. 中国标准出版社, 2008. [11] 李丹. 中国东部若干入海河流水化学特征与入海通量研究[J]. 上海: 华东师范大学, 2009. [12] 宋新山, 邓伟, 章光新, 等. 钠吸附比及其在水体碱化特征评价中的应用[J]. 水利学报, 2000(7): 70-76. [13] RICHARDS L A. Diagnosis and improvement of saline and alkali soils[S]. Washington, DC: USDA Agricultural Handbook No.60, 1954. [14] 谢中华. MATLAB统计分析与应用: 40个案例分析[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2010. [15] 张振雄. 海水咸水入侵规律探讨[J]. 海河水利, 1996(3): 14-16. [16] 吴吉春, 薛禹群, 张志辉. 海水入侵含水层中水—岩间阳离子交换的实验研究[J]. 南京大学学报, 1996, 32(1): 71-76. [17] 张留俊, 王福胜, 秦志坚. 公路工程水质分析操作指南[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 2003. [18] 庄文华, 黄婉义. 定量分析及地下水分析(水文地质专业用)[M]. 武汉: 武汉地质学院化学教研室, 1985. [19] 地质矿产部水文地质工程地质技术方法研究队. 水文地质手册[M]. 北京: 地质出版社, 1983. [20] 季秀万. 关于矿化度和溶解性固体的探讨[J]. 地质学刊, 2011, 35(1): 82-85. [21] 刘文全, 于洪军, 徐兴永, 等. 莱州湾南岸浅层地下水特征的空间变异性研究[J]. 海洋通报, 2013, 32(1): 28-33. [22] 何正风. MATLAB概率与数理统计分析[M]. 北京: 机械工业出版社, 2012. Analysis of water quality fluctuations in coastal shallow groundwater at NE Hainan LUJianfei,GANHuayang,ZHANGShunzhi,HUANGXiangqing (Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760, China) Hainan; coastal area; shallow groundwater; water quality 10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.01.023 2015-01-07 中国地质调查局基金资助项目(1212010914020) 路剑飞(1984年生),男;研究方向:近海水文气象;E-mail:ppppwjljf1@163.com P345 A 0529-6579(2016)01-0137-123 电导率长周期监测
4 结 论