莱州湾东岸地下水化学特征及水质评价

张传奇 王晓曦 陈曦

（1. 辽宁华一环境咨询事务所有限公司，辽宁沈阳 110022；2. 辽宁省环境规划院有限公司，辽宁沈阳 110165）

1 引言

地下水是不可或缺的水资源，也是重要的生态与环境支撑要素，对经济社会全面、协调、可持续发展起着重要支撑作用［1］。近年来，由于工业化和城市化的高速发展，水资源需求猛增，地下水资源被长期过度开采，由此诱发了诸如地下水位下降、地下水水质恶化等环境问题［2］。在海岸带地区，过度开采地下水引发海水入侵，导致地下水水质恶化，使地下水不再适于饮用或农业灌溉［3］。对地下水化学特征和水质状况进行研究，有利于了解地下水化学环境与可再生能力，以便科学有效地管理和利用地下水资源，保护和改善地下水水质。

本文以莱州湾东岸地区为研究区域，在大量野外调查、取样和分析的基础上，对地下水化学特征进行分析，并对地下水质进行评价，通过水质参数的统计特征值以及Piper 三线图分析莱州湾东岸地下水化学特征，并利用ArcGIS9.3 地统计模块对地下水进行水质评价，以期为水环境保护和治理、水资源规划和管理政策的制定提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

莱州湾位于山东省北部，117°17′～120°45′E，36°25′～37°47′N，总面积1.01×104km2。莱州湾海岸低平，虎头崖东北称莱州湾东岸，以西为南岸，岸长约200 km，平原宽10～50 km。

研究区位于山东半岛西北部，莱州湾的东岸，主要包括莱州市，北起光明村，南至海沧一村。该区属温带大陆性气候区，年平均气温12.4 ℃，年均降雨量640.3 mm。降水多集中在7 月到9 月，占全年降雨量的72.4%。年均蒸发量2 118.7 mm［4］。莱州湾东岸海岸带隶属渤海坳陷的边缘部分，在山东半岛构造隆起区内是一个相对独立的比较特殊的地质单元。虎头崖以东为复式砂质海岸，沿岸发育有滩脊、连岛砂坝和泻湖，是由古黄土质侵蚀海岸演变而成的泻湖—砂坝堆积平原海岸；虎头崖以西为粉砂淤泥质海岸。莱州湾东岸晚第四纪表现为陆地系统与海洋系统间的自然相互作用。作为古地理标识与地质历史记录，海岸带范围相当于第四纪末期以来海面起伏波动交替性地被淹没或被暴露的地带。

近30 年来，随着人口的快速增长和经济的迅速发展，水资源需求量猛增。由于地表水资源不足，生产、生活用水主要依赖地下水。据调查，莱州湾东岸地下水年均开采量达1.54 亿m3［5］。过度开采地下水致使地下水位以1～3 m/a 的速度显著下降，引发海水入侵灾害。莱州湾东岸已成为我国海水入侵最为严重的地区之一［6］。由于海水入侵，地下水淡水水质恶化，可利用的地下水淡水资源量减少，从而加剧了该地区水资源供需矛盾［4］。

2.2 研究方法

本研究以沿莱州湾东部海岸线向内陆延伸约10 km 作为调查区，于2012 年4 月采集地下水样47个，取样时用GPS 定位，见图1。取样点主要依靠地下水长期观测孔、民用水井。对水温（T）、pH 值、电导率（EC）、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-、Cl-、NO3-和TDS（可溶性固体总量）等物理特性及主要离子进行分析。水温（T）、pH 值进行现场测定，其余离子成分在中国科学院烟台海岸带研究所分析测试中心完成，使用离子色谱仪测定水样中的主要离子。

图1 研究区示意图及采样点分布

3 结果分析

3.1 地下水水化学特征

对47 个地下水样的水质参数进行统计特征值分析，结果见表1。

表1 地下水水质参数统计

统计结果显示，研究区地下水中TDS，Cl-，HCO3-，Ca2+质量浓度很高，Na+，Mg2+，K+质量浓度很低。需要特别指出的是，研究区地下水中NO3-质量浓度很高，介于0.59～433.61 mg/L 之间，均值为172.88 mg/L，远大于《地下水质量标准》（GB/T 14848—93）的IV 类标准（≤30 mg/L），属于劣V 类水质。农业生产过程中过量使用化肥和城镇生活中的生活废水大量排放是造成调查区地下水NO3-浓度过高的主要原因［4］。

地下水中Cl-，SO42-，Na+和K+的质量浓度变异系数较大，分别为1.30，1.18，1.07 和1.60，其他水质参数的变异系数均小于1。这表明Cl-，SO42-，Na+和K+较其他离子对水文条件、地形地貌及人类活动等外界环境更为敏感，此外，由于上述离子的浓度均较大，反映了这4 种离子是地下水盐化的控制因子。虽然NO2-和NH4+的浓度变异系数也很大，但鉴于两者的质量浓度都很低，浓度均值都小于10 mg/L，因此其浓度变化对地下水盐化的贡献很小。

3.2 地下水化学类型及其分布

根据地下水中的主要阳离子（Na++K+，Ca2+，Mg2+）和阴离子（HCO3-，SO42-，Cl-）的毫克当量浓度，绘制Piper 三线图，见图2。

图2 地下水Piper 三线图

图2 显示各地下水水样都处于Piper 图的1 区，说明碱土金属（Ca2+和Mg2+）超过碱金属（Na+和K+），且绝大部分水样处于6 区和9 区，仅有2 个地下水样落于5 区，进一步说明研究区内以Ca2+，Mg2+和Cl-占主要优势。研究区主要水化学类型为Ca-Cl 型、混合Ca·Mg-Cl 型，只有2 个水样的水化学类型为Ca-HCO3型，分布在霍旺村西及后趴埠村一带。

水化学类型空间分布见图3。

图3 地下水化学类型空间分布

莱州湾东岸是海水入侵严重受灾区，海水入侵致使该区地下水Cl-浓度升高，地下水盐化现象严重。该区广泛分布的以Cl-为主要特征的地下水类型充分反映了其海水入侵的特征。造成地下水阳离子以Ca2+，Mg2+为主的原因在于莱州湾东岸地下淡水海水混合区发生了逆向离子交换反应，Na+被黏土吸附并置换出大量的Ca2+，Mg2+，致使后者的质量浓度升高，成为地下水化学的主控阳离子［3］。

3.3 饮用水水质评价

不同用途的地下水对水质的要求不同，应依据指定的标准来进行地下水水质的适应性评价。适于作为生活饮用水的地下水，其水质必须具有硬度低、盐度低而且毒性成分含量低的特点［7］。参照世界卫生组织（WHO）生活饮用水标准以及我国《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006），对研究区地下水的物理、化学参数进行评价。地下水质检测结果显示，地下水的pH 值介于6.80～7.53，达标率为100%；57%的水样中TDS 超出我国《生活饮用水卫生标准》的TDS 标准值（1 000 mg/L）；83%的地下水样NO3-浓度超出了我国饮用水水质标准值（88.6 mg/L），47%的地下水水样Cl-浓度超出国家水质标准（250 mg/L）。而Na+，K+，Ca2+分别有6%，19%，53%超出了WHO 水质标准的最大容许限值。

EC 是水体所含化学成分的简易综合评定指标［8］。按照WHO 标准，根据EC 的取值范围将地下水划分为3 个等级：I 为允许饮用的（＜1 500），II 为不允许饮用的（1500～3000），III有危害的（＞3000）。评定结果显示，约38%的地下水水样满足I 级地下水标准，53%的地下水处于II 级水平，水质较差已不适于饮用，剩余9%的地下水属于III 级危害性的水质。EC的空间分布见图4。

图4 地下水EC 空间分布

图4 显示I 级地下水主要分布在虎头崖—趴埠潘家—尹家一带以及连郭庄—韩家—过西一线以北地区。虎头崖以南在空间上表现出高EC 特征，这与研究区南部广泛分布卤水并遭受咸水入侵有关；虎头崖以北的沿海地区主要是现代海水入侵带，EC 也较高。虎头崖一带主要是基岩海岸，海水入侵对该区的影响相对较小，故表现出较低的EC 特征；过西以北地区受王河的影响致使地下水的EC 较低。

硝酸盐是地下水中最常见的污染组分。长期饮用含有高硝酸盐浓度的水可能导致人体患高铁血红蛋白症、胃癌等疾病［9-10］。参照WHO 水质标准和国家饮用水硝酸盐质量浓度卫生标准，将研究区NO3-质量浓度划分为4 级，见表2。

表2 NO3-质量浓度等级划分 mg/L

研究区NO3-质量浓度介于0.59～433.61 mg/L，变异系数为0.56，属于中度变异。所采水样中I 类水占11%，II 类水占6%，III 类和IV 类水分别占19%和64%，符合国家饮用水质量标准的仅占17%。

研究区硝酸盐的空间变化见图5。

图5 NO3-质量浓度空间分布

由图5 可见，研究区硝酸盐质量浓度普遍较高，空间上呈现带状分布特征。IV 类水主要分布在研究区北部和南部中央地带，I，II 类水分布在南部狭窄的沿海地带以及研究区中部。此外，后者还在过西村周围地区零星分布。

由于莱州湾东岸遭受海水入侵灾害严重，地下水中Cl-含量丰富。Cl-质量浓度空间分布见图6。

图6 Cl-质量浓度空间分布

符合国家饮用水标准（250 mg/L）的地下水主要分布在北部平原区，南部平原和北部的滨海地区Cl-质量浓度较高已不适于饮用。虎头崖一带由于是基岩海岸，未发生海水入侵，地下水Cl-浓度符合饮用水标准。

3.4 灌溉水水质评价

灌溉水水质评价通常选取能反映水中含盐量和碱性特征的参数作为评价指标［11］。灌溉水水质对土壤的物理化学性质和作物生产量的长期影响取决于灌溉水的总含盐量、钠离子、重碳酸盐和钙离子的质量浓度以及土壤的初始物理特征［12］。美国盐分实验室制定的灌溉水质分类标准被世界各国广泛使用于灌溉水水质分类以及灌溉水对特定土壤类型的适用性评价。美国盐分实验室选取钠离子吸附比（SAR）和EC 作为灌溉水水质分类指标。其中SAR 表征碱金属的危害性，EC 表征盐分含量的危害性。地下水EC 空间分布图（图4）显示，莱州湾东岸地下水盐分含量普遍较高，地下水盐化现象严重。SAR 空间分布见图7，莱州湾东岸碱金属危害风险较小，SAR 值介于0.41～5.13。

图7 SAR 空间分布

依据美国盐分实验室灌溉水水质分类标准（图8），研究区地下水可以分成4 种灌溉水水质类别，即C2-S1，C3-S1，C4-S1 和C5-S2。

图8 莱州湾东岸地下水水质分类

图8 显示莱州湾东岸只有1 个地下水样落在C2-S1 区，该类型的地下水碱性低、盐分含量中等适于灌溉，特别适于种植有中等耐盐作物的各种土壤。水样中有3 个落于C5-S2 区，该区地下水碱性中等但盐度含量极高，不适用于灌溉。大部分地下水样落于C4-S1 区（10 个）和C3-S1 区（33 个）。C4-S1 特征的地下水碱性低但盐分含量高，此种类型的水质仅可用来灌溉强耐盐性植物，并且要求土壤具有很强的渗透性和排水性能。C3-S1 特征的地下水碱性低、盐分含量高，适于灌溉各种排水性好的土壤类型。约72%的地下水可以安全用于灌溉，而不需要对土壤进行盐分控制；21%的地下水仅适于灌溉强耐盐植物。

根据上述灌溉水水质类型，分别将C2-S1，C3-S1，C4-S1，C5-S2 类型赋值1，2，3，4，并利用ArcGIS 9.3 绘制灌溉水水质评价图，见图9。

图9 莱州湾东岸灌溉水水质评价图

图9 显示莱州湾东岸地下水整体上适于进行灌溉。C5-S2 类型地下水由于盐分危害大不适于进行灌溉，主要在东北角和南部的卤水分布区。C2-S1 和C3-S1 类的地下水分布在莱州湾东岸的东南部、中部以及中南部的狭窄地带，可视为安全灌区；仅适用于灌溉强耐盐植物的C4-S1 地下水环绕安全灌区呈带状空间分布。

4 结论

（1）莱州湾东岸的地下水TDS，Cl-，HCO3-，Ca2+质量浓度很高，而Na+，Mg2+，K+质量浓度很低。地下水中NO3-质量浓度很高，均值为172.88 mg/L，远大于地下水质量IV 类水质标准（≤30 mg/L）。研究表明，农业生产过程中过量使用化肥和城镇生活中的生活废水大量排放是造成地下水硝酸盐浓度过高的主要原因。

（2）地下水中Cl-，SO42-，Na+和K+的质量浓度变异系数大，较其他离子对水文条件、地形地貌及人类活动等外界环境更为敏感；此外，4 种离子的质量浓度均较大，是地下水盐化的控制因子。

（3）研究区内以Ca2+，Mg2+和Cl-为优势离子，水化学类型以Ca-Cl 型、混合Ca·Mg-Cl 型为主，局部存在Ca-HCO3型，分布在霍旺村西及后趴埠村一带。海水入侵使地下水Cl-浓度升高，地下水盐化。逆向离子交换反应导致莱州湾东岸地下水中Na+离子含量降低，而Ca2+，Mg2+升高。

（4）参照世界卫生组织水质标准和国家饮用水水质标准，调查区地下水中超出最大容许标准值的组分有NO3-（超标率83%）、总溶解固体（超标率57%）、Cl-（超标率47%）、Ca2+（超标率53%）、K+（超标率19%）、Na+（超标率6%）。

（5）参照美国盐分实验室提出的灌溉水水质分类标准，莱州湾东岸72%的地下水可以安全进行灌溉，主要分布在莱州湾东岸的东南部、中部以及中南部3 个地区；21%的地下水仅适于灌溉强耐盐植物，并且同时要求土壤具有较高的渗透和排水性能，成带状分布在安全灌区周围；7%地下水不适于用作灌溉用水，主要分布在南部的卤水区及调查区的东北角。