潍坊北部超采区地下水化学成分演变特征分析

曹 滨，唐培军，焦裕飞，郭亚萍，林洪孝，王 刚

(1.山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018；2.潍坊市水文局，山东 潍坊 261031)

长期大量开采地下水会导致地下水降落漏斗的形成，使地下水的水力坡度加大、流动速度加快，导致水化学环境发生改变；另外，地下水的超采使垂直入渗补给范围加大，致使更多的污染物进入含水层，加重了地下水污染[1]。在地下水水化学方面，很多学者进行了相关研究。姜体胜[2]运用数学统计方法和Piper三线研究了北京市南口地区地下水水化学时空变化，认为补给源、地下水动力场的改变和水污染等影响了研究区地下水水化学特征；陈洲[3]等对岩溶区星子河流域水化学离子特征及其时空变化进行分析，认为存在明显的降水稀释效应。M.E. Zabala[4]等对matanza-riachuelo流域地下水化学基线进行评估，通过对地下水化学的识别分析其主要来源和过程。

本文以潍坊市超采区为例，综合运用Radial plot图、Box-whisker图和Piper三线图示法对研究区浅层地下水离子、水化学类型变化趋势进行分析，并通过MODFLOW和surfer描述地下水总硬度、TDS的时空分布情况。通过分析认识超采区地下水化学演变特征，探求地下水超采对地下水化学成分的影响，为超采区水位恢复和水资源保护提供科学依据[5]。

1 研究区概况

潍坊的超采区位于潍坊市北部，主要分布于寿光、寒亭、昌邑三市(区)。潍坊北部北靠莱州湾，受欧亚大陆和太平洋的共同影响，属温暖带季风性半湿润大陆性气候，春季多风少雨，夏季炎热多雨，秋季凉爽干旱，冬季寒冷少雪[6,7]。降雨主要集中在6-9月份，多年平均降水量为582.1 mm；多年平均蒸发量为1 189.63 mm，年内4-9月蒸发量较大。由于潍坊地下水超采区和水质监测井均集中在寿光、寒亭、昌邑三市(区)南部，因此，采用咸淡水边界以南作为研究区。研究区的北部以三市(区)中部的咸淡水分界线作为边界，南部以三市(区)行政边界为界，如图1。地下水化学成分观测井选择研究区漏斗及其周边15个井的水位监测资料，包括寒亭区2个、昌邑市6个、寿光市8个，测定时间为每年1月16日、5月16日、7月16日和11月16日，主要监测项目有：地下水位、pH、Cl-、SO2-4、HCO-3、Na+、K+、Ca2+、Mg2+等。

图1 研究区位置图Fig.1 Location map of the study area

2 地下水化学成分变化趋势

2.1 离子变化趋势分析

地下水中含量较多的离子有7种，即Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2-4、HCO-3等[8]。21世纪以来，潍坊市超采区的漏斗不断发展至今。因此，为综合反映超采区内地下水化学成分的变化情况，选取超采区内所有水质监测点，选择具有代表性的2000和2012年，运用Radial plot图对地下水中的主要离子含量进行分析，结果如图2。由图知，2000年HCO-3含量最高，SO2-4最少；2012年与2000年相比，HCO-3明显减少，SO2-4、Cl-、Ca2+、Mg2+含量增加，Na+、K+变化不大。各离子含量发生改变，可见研究区受自然条件和人类活动的影响而改变了其主要地球化学离子自然含量特征[9]。

图2 主要离子随时间变化趋势Fig.2 The trends of major ions by the time

为定量分析超采区内离子含量的变化，选取超采区内所有水质监测点2000和2012年水质资料，分别绘制box-whisker图，并剔除异常值，如图3。在box-whisker图中，主要包含5个数据节点，将一组数据从大到小排列，分别计算出其最大值，上四分位数(Q1)，中位数(Q2)，下四分位数(Q3)，最小值。

由图知，2012年离子浓度与2000年相比，SO2-4虽含量较少，但变化最为明显，以中位数进行对比，2012比2000年增加了1倍；Ca2+、Mg2+和Cl-的离子浓度分别增加了25.4%、34.8%、33.9%； HCO-3较2000年有所减少，减少了28.2%；Na+、K+变化不大。

2.2 水化学类型变化趋势分析

由piper三线图可知，2000年监测点主要落入5区。左侧三角形代表阳离子含量，2000年的监测点分布较为分散，主要集中在中部。其中Ca2+分布在20%～90%，Na++K+集中在40%～80% ，Mg2+的含量在10%～60%之间。右侧三角形表示阴离子含量，2000年监测点分布相对集中，其中HCO-3含量最多，大于70%，Cl-在20%～50%，SO2-4低于30%，说明地下水中的阴离子以HCO-3为主。因此，2000年潍坊超采区地下水化学类型以Na+-K+-HCO-3、Ca2+-Mg2+-HCO-3型为主。

2012年水样点主要落入1区。监测点的阳离子分布仍分散，但由中部变为左下方。Ca2+含量介于20%～80%，Na++K+在40%以上，Mg2+含量低于60%。2012年监测点的阴离子与2000年比较为分散，散落在下方，Cl-含量介于20%～80%，HCO-3最多，超过60%，SO2-4含量低于40%。2012年潍坊超采区地下水化学类型以Na+-K+-HCO-3-Cl-和Ca2+-Mg2+-HCO-3-Cl-型为主。

图3 离子含量图Fig.3 Diagram of ion content diagram

图4 Piper三线图Fig.4 Piper diagram

2.3 总硬度变化趋势分析

总硬度是研究地下水水质的重要指标之一，由于地下水超采、水污染导致水动力场和水化学环境改变，从而导致硬度发生变化[10]。研究区2000、2012年硬度时空变化情况见图5。

图5 总硬度等值线图Fig.5 The contour map of hardness

由图5可知，2000年总硬度以寿光和昌邑北部最大，达到160 mg/L，总体趋势是由西到东递减，昌邑市由南到北递增。到2012年研究区西部的硬度分布由向西南递增转变为向西北方向递增，昌邑市总体分布变化不大。从整体看，研究区硬度较2000年明显升高，寒亭区和昌邑北部达到190 mg/L。

由于潍坊北部地下水的长期过量开采，降落漏斗不断发展，地下水的硬度增加。地下水超采导致包气带厚度增大，使部分含水层转换为包气带，钙镁矿物被氧化、溶解；含水层厚度变薄，对盐分的稀释能力减弱，系统内的水盐平衡被打破，导致地下水硬度增高；同时，随着包气带厚度增大，入渗途径随之增多，渗入水中的Ca2+、Mg2+浓度增加，地下水硬度升高[11]。

2.4 TDS变化趋势分析

TDS(溶解性固体)能反映水体组分的总体分布特征和变化趋势，是研究地下水水化学特征和水质好坏的一个重要指标，根据其高低可以将地下水分为淡水(TDS <1g/L)、微咸水(1g/L

图6 TDS等值线图Fig.6 The contour map of TDS

2012年TDS含量较2000年有增多趋势。昌邑、寒亭TDS明显增多，昌邑部分地区TDS超过1g/L，为微咸水。寿光TDS有所降低，分布情况为由东向西递减。主要原因仍是漏斗区大量开采导致的地下水水位持续下降，大气降水等垂直入渗补给途径加长，含水层变薄，对盐分的稀释能力减弱，加大了对Ca2+、Mg2+、Na+、Cl-等离子的淋滤过程，从而使地下水中溶解性总固体浓度增加[14]。同时，研究区TDS的变化与地下水污染密切相关。根据2012年潍坊市地下水质评价结果，2012年寿光达到Ⅲ类水标准，有害成分均未超标，水质较好；寒亭和昌邑为Ⅳ类水，主要化学组分多数有不同程度的增加，水质变差[15]。地下水污染状况与各市(区)TDS变化趋势相同。由于地下水开采量增加，地下水漏斗不断扩展，导致地下水径流条件的改变，地表废弃物经淋滤随漏斗降深的加大渗入地下，加剧地下水的污染程度，引起水质恶化，导致地下水中TDS含量增加。

3 地下水化学成分动态演化特征分析

随着地下水降落漏斗的加大、加深，不仅引起地下水位的波动，地下水化学成分也随之发生变化。为进一步探求潍坊北部超采区地下水化学成分的波动情况，绘制地下水位和离子的变化曲线，以分析其相关性。由于潍坊市2009年后关闭部分监测井，采用新的监测井进行监测，因此，在考虑地下水化学成分时选用2000-2008年的长系列井。在长系列井中，156A号井既是水位监测点又是水质监测点，可以较好地反映水化学成分随水位的变化情况，因此，采用156A号井2000-2008年资料进行绘制，并通过SPSS分析其相关性。

Na+、K+、Cl-、HCO-3变化趋势与地下水位基本一致：2003-2005年地下水位有所回升，离子浓度升高，之后水位下降，离子浓度也呈下降趋势；说明156A号井附近地下水矿化度较低，形成以Na+、K+、Cl-、HCO-3为主的低矿化的地下水，其含量随着水位波动而发生变化。同时，由相关分析得，Na+、K+、Cl-、HCO-3之间相关性显著，说明超采区地下水受到蒸发浓缩作用，易溶盐类累积，离子浓度发生变化。

从整体上看，Ca2+、Mg2+、SO2-4离子含量随着地下水位的降低而升高；2001年、2003及2007年地下水位下降，Ca2+、Mg2+、SO2-4浓度呈上升趋势。由图8知，与其他离子相比，SO2-4含量少，说明156A井附近硫酸盐污染程度小，水质较好，但随着地下水位的下降，SO2-4也呈现一定的上升趋势。结合表1知，Ca2+、SO2-4离子间存在较好的相关性，相关系数为0.720，又因研究区位于华北地层区，含有泥岩、砂岩、砾岩等沉积岩，因此可初步推测研究区的沉积岩中含有少量石膏(CaSO4·2H2O)。Ca2+、Mg2+、SO2-4浓度受地下水超采的影响，地下水开采量越大，地下水位越低，含钙镁矿物和石膏等矿物的溶解越多，入渗量越大，Ca2+、Mg2+、SO2-4浓度越高。

4 结 论

(1)通过潍坊超采区2000年与2012年地下水化学成分对比，SO2-4、Cl-显著增加，Na+、K+、HCO-3含量减少。

图7 156A#井地下水水位、Na+、K+、Cl-、HCO-3变化趋势图Fig.7 The trend chart of groundwater level and Na+、K+、Cl-、HCO-3 in 156A well

图8 156A井地下水水位、Ca2+、Mg2+、SO2-4变化趋势图Fig.8 The trend chart of groundwater level and Ca2+、Mg2+、SO2-4 in 156A well

rCa2+Mg2+Na++K+Cl-SO2-4HCO-3Ca2+Mg2+0.813**Na++K+0.6200.472Cl-0.761*0.5630.881**SO2-40.720*0.5040.3830.529HCO-30.669**0.6190.880**0.708**0.255

注：**和*表示显著水平为0.01和 0.05。

(2)潍坊北部2000年研究区浅层地下水水化学类型以Na+-K+-HCO-3、Ca2+-Mg2+-HCO-3型为主，随着地下水降落漏斗的加剧，水化学类型发生改变，2012年以Na+-K+-HCO-3-Cl-和Ca2+-Mg2+-HCO-3-Cl-型为主。

(3)研究区过量开采地下水改变了地下水的流场，增大了入渗补给，钙镁矿物被氧化、溶解，同时区域地下水污染加剧，导致总硬度和TDS浓度的增加。

(4)从地下水化学成分的年际变化来看：①Na+、K+、Cl-、HCO-3含量变化与地下水位波动基本一致，离子浓度随地下水位的变化发生改变；②Ca2+、Mg2+、SO2-4的含量随着地下水位的降低而升高：地下水超采导致含钙镁矿物和石膏等矿物的溶解增多，入渗量增大，离子浓度升高。

□

[1] 崔素芳, 张保祥, 范明元,等. 肥城盆地地下水水化学演变规律研究[J]. 人民黄河, 2015, 37(3):75-79.

[2] 陈 洲, 王兮之, 李保生,等. 粤北岩溶区星子河流域水化学离子特征及其时空变化分析[J]. 地球与环境, 2014, 42(2):145-156.

[3] 姜体胜, 杨忠山, 王明玉,等. 北京市南口地区浅层地下水水化学时空变化特征分析[J]. 地球与环境, 2011, 39(2):203-208.

[4] Zabala M E, Martínez S, Manzano M, et al. Groundwater chemical baseline values to assess the Recovery Plan in the Matanza-Riachuelo River basin, Argentina.[J]. Science of the Total Environment, 2015, 541:1 516-1 530.

[5] 王雅欣, 冯忠伦, 邱庆泰,等. 南水北调通水对梁济运河流域地下水化学成分影响[J]. 中国农村水利水电, 2015,(11):110-114.

[6] 高树东. 潍坊市地下水资源评价[D]. 南京：河海大学, 2005.

[7] 李成军. 潍坊市农业节水的战略研究[D]. 南京：河海大学, 2005.

[8] 束龙仓. 地下水水文学[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2009.

[9] 叶宏萌, 袁旭音, 葛敏霞,等. 太湖北部流域水化学特征及其控制因素[J]. 生态环境学报, 2010,19(1):23-27.

[10] 王焰新.地下水污染与防治[M]. 北京:高等教育出版社,2007.

[11] 杜 涛. 南水北调入京后北京西南地区地下水水质演变的实验模拟研究[D].长春： 吉林大学, 2004.

[12] 王晓娟. 银川平原地下水化学成分演化规律及其形成机制研究[D]. 西安：长安大学, 2005.

[13] 曹建荣, 徐兴永, 于洪军,等. 黄河三角洲浅层地下水化学特征与演化[J]. 海洋科学, 2014,38(12):78-85.

[14] 姜体胜, 杨忠山, 黄振芳,等. 北京郊区浅层地下水总硬度变化趋势及其机理浅析[J]. 水文地质工程地质, 2010,37(4):33-37.

[15] 唐培军. 潍坊市地下水漏斗区水位恢复技术研究[R]. 山东潍坊: 潍坊市水文局, 2015.