莱州湾南岸浅层地下水咸化特征及其指示意义

刘宏伟，胡云壮，马 震，张 竞

(1. 中国地质调查局天津地质调查中心，天津 300170； 2. 中国地质调查局泥质海岸带地质环境重点实验室，天津 300170)

世界上约60%的人口集中在海岸线60 km以内的区域[1]，随着人口数量的不断增加，海岸带可利用淡水资源显得尤为紧缺。因居民生活用水和工农业生产所需，海岸带地下淡水被不断开采和利用，引发海(咸)水入侵，产生地下水明显咸化现象。同时，由于工农业的发展，地下水受人为污染造成的咸化也日趋明显。我国莱州湾南岸地区受地下水开采、历史海侵等因素影响，成为海岸带地区地下水咸化最为严重和明显的地区，已出现农业减产、居民饮水困难、生态环境退化等环境负效应。因此，开展该地区的地下水咸化评价研究工作势在必行。

多年来众多学者应用水化学、地球物理等手段，采用单指标评价法、多指标综合评价法、模糊数学评价法等评价了该区的海(咸)水入侵程度[2-5]。但以往研究成果均以地下水咸化是由海(咸)水入侵所致为前提，对农业灌溉水、生活污水、工业废水等因素考虑较少。层次分析法被广泛应用于灾害危险性评价[6-8]，也被有效应用于地下水咸化研究[9]，该方法的优点是在考虑不同来源地下水化学组分基础上建立评价指标体系，可以综合反映地下水咸化的咸化水平。

本次通过分析影响地下水咸化的主要水化学指标，了解莱州湾南岸浅层地下水咸化特征，进而识别地下水咸化的原因。

1 研究区概况

研究区位于莱州湾南岸第四纪覆盖区(见图1)，地理坐标范围36°41′00″～ 37° 19′00″N，118° 32′00″ ～ 119° 35′ 00″E，为暖温带半湿润季风型气候区，地形南高北低，平均坡降为0.047%。第四系沉积物由南向北增厚，自南部约30 m 至北部超过200 m; 区内发育弥河、潍河、白浪河等多条河流，南部地貌主要为冲积、冲洪积平原，北部地貌为海积平原; 含水层结构南部单一结构向北至中部过渡为多层结构，岩性由砂砾石逐渐向砂、粉土和黏土等过渡。晚更新世以来受黄骅、献县、沧州等多次海侵影响促使海陆相地层相互叠置，海相地层内赋存大量盐度较高的咸卤水[3,10]。

研究区的主要产业是农业和工业，区内中南部分布有大面积的蔬菜大棚，农作物主要种植小麦、玉米和棉花等；在研究区南部分布有造纸厂、食品厂和纺织厂，在北部分布大量海洋化工企业。由于地下水的过量开采，海(咸)水入侵面积已超过2 000 km2[11]。

图1 研究区位置及采样点Fig.1 Location of study area and sampling sites

2 水样采集与测试

3 评价方法

本次使用层次分析法(AHP)建立地下水咸化评价指标体系框图(见图2)，采用“9标度法”建立两两因素判断表，通过相对重要程度的比较和标度建立判断矩阵。求得矩阵的最大特征值和特征向量后对特征向量进行归一化处理，从而计算不同评价指标的权重值，并对判断矩阵进行一致性检验。具体步骤参见文献[12-14]。

图2 地下水咸化评价指标体系框图Fig.2 Flow diagram of groundwater salinization indexes

4 咸化特征

4.1 地下水咸化过程中总溶解固体(TDS)质量浓度的变化

研究区北邻渤海，地下水质量受到海(咸)水入侵影响引起明显咸化，入侵过程中地下水离子中变化最为明显的是总溶解固体(TDS) 和Cl-离子[9]。其中，TDS是指水中全部溶质的总和，是地下水含盐量和咸化程度的直接指示指标；研究区内TDS质量浓度为0.19～119.85 g/L，中值为1.03 g/L，均值为8.27 g/L，标准差为23.24 g/L。受海(咸)水入侵、蒸发和水-岩相互作用等影响，研究区地下水TDS质量浓度呈现自南向北增加的特征；部分地段受水文地质条件和河水顶托等影响，呈现向沿海或者向山区凸出的现象(见图3)。

图3 地下水TDS质量浓度分布Fig.3 TDS content in groundwater

依据TDS质量浓度，可将地下水分为淡水(<1 g/L)、微咸水(1～3 g/L)、咸水(3～10 g/L)、盐水(10～50 g/L)、卤水(>50 g/L)[15]。借鉴此分类标准，结合研究区TDS浓度变化情况，本次将地下水咸化等级划分为未咸化(<1 g/L)、轻度咸化(1～3 g/L)、中度咸化(3～10 g/L)和严重咸化(>10 g/L)4个等级。

4.2 地下水咸化过程中Cl-质量浓度的变化

研究区Cl-质量浓度为26.60～67 709.50 mg/L，中值为228.70 mg/L，均值为4 395.92 mg/L，标准差为13 247.74 mg/L；受海(咸)水入侵及人类排污等影响，在区域上Cl-质量浓度差异明显，尤其是南部和北部存在明显浓度差；由南至北随地貌类型的改变，Cl-质量浓度逐渐升高，与TDS分布特征较为吻合(见图4、图5)。

图4 地下水Cl-质量浓度分布图Fig.4 Cl- content in groundwater

Cl-可用来有效指示海(咸)水入侵和水质咸化等级，但目前等级划分的标准尚未统一，常见的为4级分类法[11]。赵建[16]、苏乔[4]、刘宏伟[11]、付恩光[17]等均以Cl-质量浓度250、600和1 500 mg/L为分界将研究区海(咸)水入侵划分为4个等级。借鉴此分类标准，本次将Cl-离子质量浓度划分为<250、250～600、600～1 500、>1 500 mg/L 4个区间，分别对应未咸化、轻度咸化、中度咸化和严重咸化4个地下水咸化等级。

4.3 钠吸附比(SAR)、潜在盐度分布特征

钠吸附比(SAR)是衡量灌溉水或土壤溶液中钠离子含量的重要指标，可以指示因灌溉水导致的土壤碱化程度[18]，同时SAR可以反映水岩(土)之间的阳离子交换作用，可被用于水质咸化评价[9,17]。研究区SAR值域范围为0.76～146.43，中值为4.47，均值为18.83，标准差为32.81；区域上呈现由中南部向沿海地段逐渐升高的趋势，值域大于10的区域主要分布在台头镇-侯镇-固堤镇沿线北部以及固堤镇西南部地段(见图5)。前者受到海(咸)水入侵影响显著，后者受矿物溶解影响较为明显。

图5 地下水SAR值域分布Fig.5 SAR level in groundwater

宋新山[18]等以SAR值10、18和26为界限将灌溉水的危害程度分为低或无、中等、高和非常高4个等级。借鉴此分类标准，本次将SAR值域划分为<10、10～18、18～26、>26这4个区间，分别对应未咸化、轻度咸化、中度咸化和严重咸化4个地下水咸化等级。

图6 地下水潜在盐度值域分布Fig.6 Potential salinity level in groundwater

4.4 硝酸盐、硫酸盐变分布特征

地下水中硝酸盐是指示人为污染来源的一项咸化指标，通常来源于家畜养殖、生活污水和工业污水中氨类废弃物排放、大气氮氧化合物干湿沉降以及农业氮肥的使用[22,23]。研究区硝酸盐质量浓度为2.12～392.59 mg/L，中值为148.02 mg/L，均值为156.75 mg/L，标准差为108.89 mg/L；区域上呈现由北部沿海地段向南部逐渐降低的趋势，高值区主要分布在研究区中部、西南部和东南部地段(见图7)，受海(咸)水入侵影响微弱。

图7 地下水硝酸盐质量浓度分布Fig.7 content in groundwater

地下水质量标准[24]和生活饮用水卫生标准[25]中对地下水硝酸盐的限值为90 mg/L(以N计为20 mg/L)，符合地下水质量分类中的Ⅲ类水标准，低于该限值的地下水适用于集中式饮用水源；地下水质量分类中的Ⅳ类水对地下水硝酸盐的限值为133 mg/L(以N计为30 mg/L)，低于该限值的地下水经适当处理可用作生活饮用水，高于该限值的地下水不宜做为生活饮用水源。借鉴上述硝酸盐界限值标准，并结合硝酸盐高于133 mg/L的值域范围(均值为260 mg/L)，本次将其划分为<90、90～133、133～260、>260 mg/L这4个区间，分别对应未咸化、轻度咸化、中度咸化和严重咸化4个地下水咸化等级(见图7)。

图8 地下水硫酸盐质量浓度分布Fig.8 content in groundwater

4.5 地下水咸化程度

表1 咸化指标等级分类标准Tab.1 Indicator values of different salinization indicators

表2 咸化指标比较判断矩阵Tab.2 Correlation matrix of salinization indicators

表3 咸化指标贡献权重Tab.3 Weight of different salinization indicators

利用Arcgis对各咸化指标值域进行归一化，乘以相应的权重系数后进行栅格计算。各栅格计算的咸化指数值域为0.10～0.40，将其等差分组可以得到4级分区(见图9)：未咸化区(0.10～0.175)、轻度咸化区(0.175～0.25)、中度咸化区(0.25～0.325)和严重咸化区(0.325～0.40)。结果显示，研究区出现了不同程度的地下水咸化现象，呈现自南向北逐渐加重的规律。近海地区已达到严重咸化程度，大致分布在台头镇北-侯镇北-固堤镇北-下营镇南沿线以北区域，覆盖面积约1 984.66 km2；中等咸化区大致分布在台头镇-侯镇-固堤镇-柳疃镇一线北侧，覆盖面积约598.68 km2；轻度咸化区分布在台头镇南-侯镇南-固堤镇南-昌邑市区地段，覆盖面积约548.79 km2；未咸化区主要分布于研究区南部，覆盖面积约1 331.28 km2(见图9)。

图9 地下水咸化等级分区Fig.9 Map resulting of groundwater salinization evaluation

5 讨 论

5.1 地下水咸化与海(咸)水入侵等影响因素的关系

地下水咸化等级分区与海(咸)水入侵程度[11]具有很好的响应关系(见图10)。地下水严重咸化区覆盖了海(咸)水严重入侵区的大部分区域；地下水中度咸化界线与海(咸)水中等入侵区界线较为一致；除固堤镇西-西北部和昌邑东南部等局部地段外，地下水轻度咸化界线与海(咸)水轻微入侵区界线近似平行分布。地下水咸化等级分区与海(咸)水入侵分区界线变化趋势具有类同的特点，反映地下水咸化的主要影响因素是海(咸)水入侵；胡云壮等[28]研究显示该区咸水混合的卤水比例为20.4%～55.4%，微咸水中混合的卤水比例为0.054%～4.5%，也为上述结论提供了佐证。侯镇-固堤镇一带受化工产业园工业排污和农业施肥等影响，昌邑城区南部受农业施肥和家畜养殖等影响，引起硝酸盐含量增高致使地下水进一步咸化(见图7)；昌邑东南部企业工厂较少，主要因农业施肥和矿物溶解等造成地下水咸化加剧(见图7、图8)。

图10 地下水咸化与海(咸)水入侵程度对比Fig.10 Relationship between groundwater salinization and saltwater intrusion

5.2 地下水咸化对地层沉积相的指示

从地层沉积相来看(见图11)，该区下三角洲平原沉积物为海相沉积，地层固有的盐分含量较高；上三角洲平原分布有陆相沉积物造成地层含盐量略低于下三角洲平原；湖积浅平洼地沉积物因蒸发浓缩作用等成因较冲洪积平原也呈现较高的含盐量[29]。图11显示三角洲平原和湖积浅平洼地沉积物均处于中度咸化界线以北；地下水严重咸化区覆盖了下三角洲平原，仅下营镇南部、固堤镇西部和台头镇东北部部分上三角洲平原和湖积浅平洼地处于地下水中度咸化区；地下水未咸化区和轻度咸化区全部处于冲洪积平原。地层沉积相受蒸发浓缩、水岩(土)相互作用等过程影响，地下水咸化程度与地层沉积相很好的对应关系说明该区地下水咸化对地层沉积相和水文地球化学作用具有很好的指示意义。

图11 地下水咸化与地层沉积相分布对比Fig.11 Relationship between groundwater salinization and sedimentary facies

6 结 论

(1)研究区地下水可划分为未咸化、轻度咸化、中度咸化和严重咸化4个区，已咸化区域占研究区面积的70.17%。其中，严重咸化区占比44.46%，中度咸化区占比13.41%，轻度咸化区占比12.30%。

(2)该区地下水咸化分布呈现一定的规律性。总体呈现由南向北自内陆向沿海逐渐增大的趋势，区域上显现中部-东部地区咸化范围较大，西部相对较小的特征。

(3)该区地下水咸化的主要原因是海(咸)水入侵，其次受工业排污、农业施肥和家畜养殖等因素影响。硝酸盐含量分布显示工业排污和农业施肥对侯镇-固堤镇一带地下水咸化影响较为明显；硫酸盐含量分布显示农业施肥和家畜养殖等对昌邑城区附近地下水咸化贡献明显。

(4)地下水咸化分区与地层沉积相特征的良好对应关系，显示该区地下水咸化对地层沉积相具有很好的指示作用。