南通市深层地下水咸化成因探究

王 琦， 马青山， 骆祖江

(1.江苏省地质环境勘查院,南京市 211102； 2.河海大学地球科学与工程学院，南京市 211100)

南通市深层地下水咸化成因探究

王 琦1， 马青山2， 骆祖江2

(1.江苏省地质环境勘查院,南京市 211102； 2.河海大学地球科学与工程学院，南京市 211100)

针对南通市深层含水层-第III承压含水层地下水咸化问题, 在分析水动力场和水化学场变化特征基础上，结合地下水同位素特征分析成果，对其地下水咸化成因进行了研究。结果表明，长期大量开采深层地下水, 造成了地下水位大幅下降，已形成了区域性的地下水位降落漏斗。深层含水层和上覆含水层之间出现了较大的水位差，致使上部咸水下移入侵到下部含水层，进而导致深层淡水水质咸化。

水动力场；水化学场；同位素分析；淡水咸化；南通市

0 引言

随着南通市社会经济快速发展，用水需求量不断增加，长期大量开采深层地下水，造成深层地下水水位大幅度下降,水质也相应地发生了一定的变化。区内深层地下水出现矿化度升高，水质咸化的趋势，部分地区的某些水井失去饮用价值。深层淡水的咸化已成为影响区内地下水环境的一个重要问题，引起人们普遍关注。

近年来，尽管地下水水质问题受到了社会的广泛关注[1-5]，但针对南通地区深层地下水咸化成因的系统研究还相对较少[6-9]。本文在掌握研究区域水文地质条件和地下水咸化现状特征的基础上，通过分析水动力场和水化学场变化特征，并结合地下水同位素特征，对南通市深层含水层-第III承压含水层地下水水质咸化成因进行分析，从而为地下水资源科学规划管理和保护地下水环境提供依据。

1 区域水文地质条件

研究区内除狼山、军山、剑山、马鞍山、黄泥山有志留系、泥盆系砂岩出露外，其余广大地区均被第四系堆积物覆盖。第四系厚度200～360m，为多沉积旋回韵律的海陆交替变化的巨厚松散地层，并夹有多层状透水性良好的砂层，为区内孔隙地下水的形成提供了有利的赋存条件。区内广泛分布着水量大、水质复杂、多层次的松散岩类孔隙水。根据地下水赋存条件、水理性质及水动力特征，以及含水层沉积年代，将孔隙地下水自上而下划分4个含水层组[10-11]，即：孔隙潜水含水层组(Q4)、第Ⅰ承压含水层组(Q3)、第Ⅱ承压含水层组(Q2)、第Ⅲ承压含水层组(Q1)、第Ⅳ承压含水层组(N2)(图1)。

孔隙潜水含水层组由第四系全新统构成，埋藏于50m 以浅，含水层厚度20～30m，处于一个开放性的地质环境中。富水性较差，除如皋-海安以西基本为淡水外，其它地区多为咸水，利用价值不大。

第Ⅰ承压水含水层(组)由上更新统冲积、冲海积松散地层组成， 分布广泛，顶板埋深30～70m，中间高南北低。含水介质以粉细砂、中粗砂为主，呈现西部颗粒粗，东部颗粒细的变化规律。单井涌水量2 000～5 000 m3/d，承压水头埋深1～3m。水质较复杂。受海水及后期地表水的补给淡化影响，具有明显的分带性：角斜镇(海安)-掘港镇(如东)-涂镇(通州)-包场镇(海门)-汇龙镇(启东)一线以东地区水质较差，地下水矿化度大于10 g/L，属C1-Na型咸水，不能饮用。此线以西受后期淡化影响，地下水矿化度1～3 g/L，属HCO3·C1-Na型微咸水。此线以东沿海地区、沿江地区(除启东沿江段外)矿化度小于1 g/L属淡水，水质类型为HCO3-Na型水。

图1 南通市水文地质剖面Figure 1 Nantong City hydrogeological section

第II承压水含水层(组)由中更新统河流、河口相沉积的松散层组成，分布广泛，含水层顶板埋深140m左右，含水层厚度20～60m，局部小于10m。含水层岩性为粉细砂、中粗砂及砂砾层，单井涌水量300～3 000 m3/d，承压水位埋深3～5m，与上部第Ⅰ承压水之间分布有10～15m厚的亚粘土层，隔水性能良好，但局部地段如东陈等地区隔水层缺失，造成Ⅰ、Ⅱ承压水直接接触，发生水力联系，水质复杂，在海安西北部、如皋西南及南通市区沿江等地带，矿化度小于1.0 g/L，其余大部分为半咸水和咸水。

第Ⅲ承压含水层由下更新统长江古河道沉积的松散层组成，分布广泛，是南通地区主要开采层，含水层顶板埋深187～270m，含水层厚度20～100m，含水层岩性为灰色中细砂、中粗砂，局部为含砾卵石层，单井涌水量1 000～3 000 m3/d，局部小于1 000 m3/d，承压水位埋深在海安、如皋及如东西部和北部为10～20m，南通市区、如东马塘至启东西部为30～40m，与上部第Ⅱ承压水之间有2～50m厚的灰黄、灰绿色黏土、亚黏土层，隔水性能良好，但局部地段如海门三阳一带隔水层缺失，造成Ⅱ、Ⅲ承压含水砂层直接接触，形成较强的水力联系。该含水层水质较好，大部分为矿度小于1.0g/L的淡水，部分地区矿化度1.0～3.0g/L，为微咸水(图2)。

大量开采地下水改变了天然条件下中的地下水补给、径流、排泄平衡状态。第III承压含水层由于水质优被广泛开发利用，并已达相当规模，地下水补给、径流、排泄条件发生较大变化。补给作用明显增强，主要可得到三方面的补给：

其一是来自顶部的渗流补给，受顶板隔水层的岩性和厚度以及第Ⅱ、Ⅲ承压含水层之间水头差双重因素控制，在平面区间补给强度变化较大。其二是来自周边(包括海域方面)的侧向径流补给，人为开采作用在含水层内部形成了较大的水力梯度，有利于地下水自四周向水位降落中心地段集流。区内长江边界为特定的水文地质边界，在研究区西部的长江段对岸，即张家港境内近长江边岸一带，曾有多个普查孔揭露Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承压含水层，并使之直接连通，表明长江水头可直接影响两侧Ⅲ承压含水层水头的变化。因此可不容置疑认为研究区西段长江岸线组成的边界具有一定的补给作用，但往东补给强度有变弱趋势。其三是来自顶底板粘性土层和弱透水层的释水补给，从补给量分析，该项补给较为微弱，但能较长时间反映在地下水流场中，在一定程度上可影响到地下水的量变和质变。

2 深层地下水咸水现状、分布及咸化进程

多年来高强度、普及性开采地下水，改变了深层地下水正常的补给、径流、排泄条件，出现了以氯离子含量增高为标志的咸水污染，矿化度明显增高，深层地下水逐渐咸化，有的已成为苦咸水。当前，海安西场一带、通州境内的骑岸-庆丰-五甲片、海门启东境内的三阳-通兴-启东城-寅阳地下水矿化度均超过了1 870 mg/L,最高值达5 460 mg/L。淡水分布区地下水矿化度为540～980 mg/L(图3)。

据监测，南通市深层地下水的咸化有如下特征：

(1) 咸化范围上，启东大部分地区和海门市三阳、悦来以及如东县环港沿海一带成片咸化现象较为明显，其他区域为点状咸化。(2) 咸化程度上，东部地区重于西部地区，沿海地区重于内陆地区，重度开采区重于一般开采区(图3)。(3) 咸化速度上，20世纪80年代开始逐步咸化，90年代中期以后加速发展。如启东市志良水点，1997年以来矿化度由1 450 mg/L 增到2009年的1 850 mg/L，每年增加近100 mg/L；氯离子体积分数由576 mg/L增加到692mg/L；全硬度由445 mg/L增到571 mg/L。海门市悦来水点早期矿化度仅为500 mg/L，1997年以来由1 110 mg/L增到2009年的1 680 mg/L；氯离子浓度由402 mg/L增加到639 mg/L；全硬度由404 mg/L增到543 mg/L，早期的优质淡水已变成半咸水；水化学类型则由HCO3-Na-Ca型转化成Cl-HCO3-Na型[6]。

图2 第III承压含水层矿化度等值线Figure 2 Isogram of salinity of confined aquifer III

图3 第III承压含水层矿化度、氯离子浓度及地下水位等值线Figure 3 Isogram of confined aquifer III salinity, chloride ion concentration and groundwater level

3 咸化原因探究

3.1 水动力场特征分析

20世纪80年代至90年代中期，由于国民经济的快速发展，城镇自来水不能满足工业生产需要，因而地下水开采量猛增。第Ⅲ承压水开采井数量由1982年的306眼增加至1996年的1048眼，日开采量由不足12万m3增加至39.3万m3，14年间开采规模已扩大了三倍。到1997年地下水开采量已达峰值。开采层位不仅有第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承压含水层，而且还有第Ⅳ或更深层位的第V承压含水层。1997年以后政府加强了对地下水资源开采管理，第Ⅲ承压地下水开采井2005年增至1141眼，但年开采量则明显下降，日开采量约为16.9万m3，不足上一阶段1/2。但由于受到社会经济发展规划等条件的限制，开采井仍大量集中分布于城乡地区，少数地区仍存在集中超量开采地下水的现象，如东马塘、海门三厂、启东吕四港等地，东部沿海地区依旧是第Ⅲ承压水的超开采区。

由于长期以来大量或过量开采，第Ⅲ承压水水位逐年降低，超采情况严重的东部沿海地区水位更是降到30m以下，水位降落漏斗不断扩大并形成区域性水位降落漏斗。第Ⅲ承压地下水历史开采量与地下水位曲线如图4所示。

图4 第III承压地下水开采量与水位曲线Figure 4 Confined water aquifer III groundwater withdrawal and water level curve

在天然条件下，由于地下水运动缓慢，区内各含水系统地下水水质状态相对稳定。但 20世纪80年代后，深井数和开采量大增，地下水位随之下降了10～40 m，在上部咸水和下部淡水巨大水头差的作用下，为了维持开采量与补给量之间的平衡,垂向上的水流机制起到了促进水体运动的作用,水头高的咸水向水头低的淡水层越流补给,造成深层淡水咸化。

3.2 水化学场特征分析

对比分析两个时期的地下水水化学场特征可以发现，长期大量开采地下水破坏了原始的水文地质环境，改变了原有的补给、径流、排泄条件，导致化学组分不断变化，矿化度、氯离子含量增高，使主采层地下水咸化程度加剧。可以看出，矿化度小于0.75g/L的样本数从20世纪60-70年代的2/3减小至不到1/3，大于1.0g/L的样本数比重呈现增大的趋势，至2001-2002年达到了42.03%，Cl-与矿化度的变化特征基本相似，也呈现为普遍增高的变化趋势。水化学类型由 HCO3-Na(Ca)型和HCO3·Cl-Na(Ca)型转变为Cl-Na型和Cl·HCO3-Na型, 早期的优质地下淡水变为了半咸水。

3.3 地下水同位素特征分析

3.3.1 H、O同位素特征

利用现有地下水氢氧同位素资料对南通地区地下水循环状态和补给运移规律进行研究，从水文地球化学角度探究地下水咸化原因[12-13]。地下水H、O同位素特征(2015年江苏省环境地质勘查院测试)如表1所示。

表1 南通市含水层氢氧同位素特征

从表1可以看出，第Ⅰ承压含水层地下水氢氧同位素含量比第Ⅱ、第Ⅲ承压含水层地下水氢氧同位素高。第Ⅱ、第Ⅲ承压含水层地下水中氢氧稳定同位素没有太大变化，矿化度含量随着深度的增加而逐渐降低。地下水的δ18O和δD在垂向上没有明显的分层特点，表现出均一的特点，指示着南通地区各承压含水层在垂向上具有紧密的水力联系。

3.3.2 δ18O和δD关系分析

根据研究区各个采样点的D、O同位素数据，绘出D、O同位素数据分布图(图5)。

图5 D、O同位素分布Figure 5 D and O isotopic distribution

①根据当地大气降水样品所确定的同位素降水线斜率为8.9，这与Craig(1961)首次提出的全球雨水线方程δD=8δ18O+10[14]，斜率为8，截距为10十分接近，稍微较高的斜率可能是由于研究区域靠近海洋水汽来源地。大气降水线所反映的氘盈余为15.3，明显高于全球大气降水线，同样说明研究区域降水并未受到内陆效应的严重影响，应该位于沿海区域。

②区域地下水样品均位于当地降水线附近，并且稳定同位素组成随着承压水的深度表现出逐渐偏负的趋势，表明当地大气降水与地下水存在着潜在的补给关系。图5中承压水没有明显的同位素偏正现象，可以推测承压水的深度应位于蒸发作用影响深度以下。

③对于不同承压含水层之间的水力补给而言，第Ⅰ承压含水层地下水同位素表现出两极分化的特征，大多数样品位于第Ⅱ承压含水层分布的区域，说明与第Ⅱ承压含水层存在着一定的水力联系。但也有少数的样品落在第Ⅲ层压含水层的区域，即具有区域偏负的特征，有理由推测第Ⅰ与第Ⅲ承压含水层存在一定的水力联系。第Ⅲ承压含水层部分样品位于第Ⅱ承压含水层分布的区域，说明与第Ⅱ承压含水层存在着一定的补给关系。

4 结论及建议

南通市多年大量开采主采层地下水，造成了主采层地下水位降低，破坏了原来含水层中介质-水系统内物理场、水动力场及水化学场的动态平衡，加剧了主采层和上覆咸水含水层之间的水力联系，产生了有利于咸水体向主采层运移的水动力条件，导致地下水的水质受到污染，破坏了地下水环境。因此，建议科学规划开采井布局，严格控制地下水开采量和强度，合理调整开采层次，按需分质取水，遏制主采层水质咸化蔓延扩大发展的趋势。

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ProbeintoDeepGroundwaterSalinizationGenesisinNantongCity

Wang Qi1, Ma Qingshan2and Luo Zujiang2

(1.Geological Environment Exploration Institute of Jiangsu Province, Nanjing, Jiangsu 211102; 2.School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 211100)

In allusion to the deep confined aquifer III groundwater salinization issue, on the basis of hydrodynamic field and hydrochemical field variation features, combined with groundwater isotopic features analytical results have carried out groundwater salinization genesis study. The result has shown that the long-term bulk mining of deep groundwater caused dramatic drop of groundwater level, and formed regional depression cone. Thus appeared large pressure head between deep aquifer and overlying aquifer, and caused upper part saline water downward intrusion into lower aquifer, result in deep fresh water salinization.

hydrodynamic field; hydrochemical field; isotopic analysis; fresh water salinization; Nantong City

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.08

1674-1803(2017)11-0041-05

A

江苏省地矿局专项基金资助项目(2014-ky-12)。

王琦(1972—)，男，高级工程师，主要从事水文地质、工程地质和环境地质研究工作。

2014-07-10

樊小舟