长江口滨岸浅层地下水化学组分时空分布特征及影响机制

许畅畅，温 瑶，成 思，高效江

(复旦大学环境科学与工程系, 上海 200433)

海岸带含水层是重要的淡水供应来源之一。2020年中国沿海省份的地下水供水量达240亿 m3，然而气候变化、海水入侵、人类活动等严重影响地下水化学特征和质量[1-3]。由于经历了典型的城市化和密集的农业活动[4]，地下水过度开采和海水入侵问题在沿海地区尤为严重[5-6]。滨岸地下水化学特征反映了区域地下水水文特质及其影响因素。

国内外学者对地下水化学特征及其形成机制进行了广泛研究，采用多元统计分析法、图解法、同位素示踪法、地理信息系统技术、水文地球化学模拟技术等方法探究地下水化学特征、空间分布及其影响因素[7-10]。近年来，滨岸地下水化学特征因沿海地下水盐碱化问题被广泛关注[11-12]，然而对长江口滨岸含水层地下水水文地球化学的时空变化研究较少[13-15]。本文对长江口南北两翼和崇明岛东部浅层地下水化学特征的时空变化及影响机制进行分析，以期为长江口地区水土环境污染防治以及海岸带水资源可持续开发利用和环境管理提供参考。

1 研究区概况

研究区域如图1所示，为长江河口入海所流经的滨岸区域，包括长江口北翼(江苏启东)、崇明岛东部和长江口南翼(上海浦东)滨海区域。研究区域位于江苏省东南端、崇明岛和上海市东部，地理位置为东经121°09′30″～121°54′30″、北纬30°53′20″～32°16′19″。气候自北向南由海洋性季风气候转变为海洋性气候，常年雨水丰富，年平均降水量为900～1 244.4 mm，年平均气温为15.0～16.3℃，多集中于5—9月，占全年降水量的60%以上。

图1 研究区域及采样点分布

长江口北翼(启东)为第四纪地层覆盖，属长江三角洲水文地质带，主要由海岸和河口沉积物组成，包括滨海相和河口相三角洲物质。启东滨岸的含水层由厚度为200～300 m的第四系全新统沉积物组成，其厚而松散的地层具有多砂层和良好的渗透性等特点，为孔隙地下水的形成提供了有利条件。启东滨岸含水层自上而下包含全新世含水层系统(饱和含水层)、上更新世和中更新世含水层系统(Ⅰ～Ⅲ承压含水层)、下更新世含水层系统(Ⅳ～Ⅴ承压含水层)3个含水层系统。启东的潜水层为近海沉积物。岩性可分为上、下两段，上段为粉砂、砂质黏土和亚黏土互层，下段为亚黏土混粉砂。饱和含水层底板埋深15～35 m，厚度15～35 m，地下水位埋深1～3 m。饱和含水层的水平和垂直导水率分别为3×10-4～8×10-4m/d和3×10-5～8×10-5m/d。单井涌水量一般为100 m3/d[15]。潜水层的矿物组成，主要是石英、钾长石、斜长石等硅铝酸盐和方解石等碳酸盐矿物，黏土矿物以伊利石和蒙脱石组成伊蒙混层[16]。地下水径流受地形控制，整体上由西北部向东南方向运移。

崇明岛东部同属长江三角洲水文地质带，主要为长江和海洋冲积平原，地下水位较高。含水层上部主要为全新世潜水含水岩组，以河口-滨海相堆积为主，顶板埋深为1.0～4.5 m之间，厚度约5～25 m，主要由粉砂、粉质黏土组成，含水层东部富水性与西部相比较差；中间主要为更新统承压含水层岩组，顶板埋深在30～45 m之间，厚度约为5 m；下部主要为下更新统承压含水层组。潜水层的矿物组成，主要是石英、钾长石、斜长石等硅铝酸盐和方解石等碳酸盐矿物，与启东和浦东大致相似。地下水从南部流向北部[17]，地下潜水主要补给源为大气降水、农业灌溉、江海河水体侧向补给，排泄方式为自然蒸发、人为开采和流入江河海[18]。

长江口南翼(浦东)地区松散土层厚度为160～360 m，广泛发育潜水含水层、第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ承压含水层，不同含水层空间分布、埋藏条件、富水性、水质等特征各异[19]。浦东滨岸潜水含水层为全新世中晚期河口-滨海相沉积物，上部为黏性土，下部为以砂性土为介质的孔隙水。浦东地势低平、地形平坦，滨岸基岩埋藏较浅。研究区域内地表水系沟、河纵横交错，水网密度高，潜水层与地表水互为补排[20]。潜水含水层由亚黏土、亚砂土互层，与下部含水层(Ⅰ～Ⅲ承压含水层)之间有较稳定的隔水层存在，潜水位埋深一般在1～3 m之间，地下水动态与地表水及大气降水关系紧密。

2 样品采集及分析测试方法

在长江口北翼(启东)、崇明岛东部和长江口南翼(浦东)滨岸带内，根据采样点均等分布原则，以民用水井作为地下水采样点，井深4.5～5.0 m，水面距地表约1.5 m，采样深度2～3 m，选取了18个采样点(Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、C1、C2、C3、C4、C5、C6、P1、P2、P3、P4、P5)于丰水期(2018年8月、2019年9月)和枯水期(2018年4月、2019年4月)采集浅层地下水样。在2020年1月选取10个地下水点位(Q2、Q3、Q4、C2、C3、C4、P1、P3、P4、CX)，3个地表水采样点(W1、W2、W3)及1个河口水采样点(R)分别采集相应的水样进行氢氧同位素分析。另外在崇明岛东部选取3个土壤采样点(S1、S2、S3，其中S1靠近C2，S2靠近C3，S3靠近C4)采集土壤表层样品。

通过数理统计、ArcGIS空间分析(反距离插值)、Piper图解、Gibbs图、离子比例系数等水文地球化学分析方法以及稳定同位素示踪技术来识别长江口滨岸浅层地下水化学离子来源，判断水岩相互作用以及解释地下水化学特征形成机制。

3 结果与分析

3.1 浅层地下水化学组分时空分布特征

长江口北翼(启东)、崇明岛东部、长江口南翼(浦东)滨岸浅层地下水pH值在丰水期和枯水期变化范围不大，均为弱碱性水；丰水期均值分别为7.95、7.56和7.59，其中启东pH值相对偏高；枯水期三地均值分别为7.68、7.59和7.79，其中浦东pH值相对偏高。

从长江口滨岸浅层地下水的整体化学特征来看，丰水期主要化学组分含量大于枯水期，尤其是启东和崇明岛东部浅层地下水中TDS在丰水期有明显增加(启东、崇明岛TDS平均质量浓度在丰水期分别增加了92.43 mg/L、522.83 mg/L)，且各个组分的空间变异值较枯水期偏大，表明季节的改变引起降水量的变化，对浅层地下水中的主要化学组分产生影响，说明长江口滨岸浅层地下水具有季节补给差异。

3.2 浅层地下水化学类型

(a)丰水期

(b)枯水期

(a)丰水期

(b)枯水期

4 讨 论

4.1 氢氧稳定同位素特征

氢氧稳定同位素(2H和18O)被广泛用于识别自然水循环和地下水运动、地下水补给来源、降水、蒸发和海水混合过程以及污染研究[25]。研究区浅层地下水δ2H值和δ18O值除C4点位的氢氧同位素值分别为23.5‰和-3.05‰外，其余浅层地下水点位δ2H值的范围为-41.3‰～-32.4‰，δ18O值介于-6.51‰～-5.07‰之间；地表水δ2H值和δ18O值的范围分别为-46.3‰～-40.8‰、-6.73‰～-5.82‰；选择吴淞口涨潮水作为长江河口水样，其氢氧同位素值分别为-54.7‰和-7.87‰。基于启东(W1)、崇明岛(W2)、浦东(W3)3个地区选取的地表水样氢氧同位素，长江口滨岸地表水氢氧同位素空间差异表现为，δ2H和δ18O从北到南贫化，氘盈余d值(δ2H与8倍δ18O之差)逐渐升高，说明启东地表水受海水影响强于浦东。另外，同位素采样时间为枯水期，分析结果与长江口南北支径流差异大，枯水期北支盐水入侵极度吻合[26]。浅层地下水δ2H、δ18O值与河口水、地表水相比偏正，而河口水的氘盈余d值则普遍小于浅层地下水、大于地表水，说明浅层地下水在接受补给后经历了强烈蒸发作用，使同位素富集。

Craig[27]根据大气降水中氢氧稳定同位素的相似性，建立了全球大气降水线(global meteoric water line，GMWL)：δ2H = 8δ18O + 10。根据研究区域的地理位置，选择南京站点的氢氧稳定同位素的数据作为长江口滨岸的区域大气降水线(local meteoric water line，LMWL)：δ2H=8.49δ18O + 17.71(n=58，R2=0.97)。如图4所示，长江口滨岸浅层地下水、地表水和河口水的δ2H和δ18O值分布在两线之间及右下方，表明研究区域内浅层地下水和地表水的最初补给来源为大气降水。此外氢氧同位素富集，研究区域在接受大气降水补给的同时，受到降水入渗过程或灌溉回流过程中蒸发作用的影响。

图4 不同水体δ2H-δ18O的关系

4.2 水化学影响机制分析

4.2.1水-岩作用

利用Gibbs模型图对水中主要化学成分的控制因素进行宏观分析，确定了控制天然水化学特征的3种主要机制：大气降水、岩石风化水解、蒸发浓缩[28]。如图5所示，丰水期浦东水样点均分布在岩石风化水解带；启东和崇明岛除了受岩石风化水解作用控制外，还受到蒸发浓缩作用的影响，这是由于其区域内浅层地下水埋深较浅，由内陆向大海蒸发浓缩作用显著。此外，启东和崇明岛区域部分采样点落在Gibbs模型区域图外，表明除了上述3种影响机制外，还存在其他影响因素。

(a) ρ(TDS)和 ρ(Na+)/[ ρ(Na+) + ρ(Ca2+)]关系

表1 丰水期浅层地下水化学参数相关系数矩阵

(b)c(Mg2+)/c(Na+)与c(Ca2+)/c(Na+)

4.2.2阳离子交换作用

(a)G1与G2关系

(b)氯碱指数

4.2.3海水混合作用

4.2.4土壤淋溶作用

通常浅层地下水化学组分受土壤淋溶作用影响较大。以崇明岛东部为例，随着围垦年代的临近(1950年围垦区S1、1960年围垦区S2、1990围垦区S3)，表层土壤中水溶性盐分含量逐渐增加(表2)。同时不同围垦区相对应的浅层地下水(C2、C3、C4)的矿化度和表层土壤水溶性盐分的变化趋势高度一致。结合前文讨论，大气降水是该研究区域地下水的主要补给来源，丰水期降水量增大，且启东和崇明岛东部浅层地下水受海水混合作用较小。因此可以推断大量降水补给地下水的过程中土壤水溶性盐分的淋溶作用是丰水期启东和崇明岛东部滨岸浅层地下水矿化度明显增加的主要原因。

表2 崇明岛东部表层土壤水溶性盐分和浅层地下水矿化度

4.2.5人类活动影响

长江口滨岸区人口居住密集，受人类生产生活影响较大，研究区有大量人口居住并且有大量农业

5 结 论

a.长江口滨岸浅层地下水在丰水期和枯水期分别为硬水-极硬水和硬水，均以淡水为主，局部出现微咸水。

b.丰水期主要化学组分含量和各组分空间变异值大于枯水期，研究区域具有季节补给差异；与浦东滨岸相比，启东和崇明岛东部滨海区域浅层地下水化学类型的季节性变化更明显。

c.研究区浅层地下水的主要补给来源为大气降水，且在降水入渗过程中经历强烈的蒸发作用；长江口北翼(启东)、崇明岛东部、长江口南翼(浦东)滨岸浅层地下水均受到浅层地下水中Ca2+、Mg2+与沉积层中Na+的阳离子交换作用的影响；浅层地下水化学影响机制具有空间差异性。启东和崇明岛东部区域浅层地下水化学组分除受到土壤淋溶作用，硅酸盐岩和碳酸盐岩溶解以及局部受到蒸发岩盐溶解作用控制外，也受到轻微海水混合作用的影响，农业活动对这两个研究区域的影响较大。浦东主要受到岩石风化水解作用影响，主要离子来源受硅酸盐岩和碳酸盐岩溶解控制，且基本不受海水混合作用的影响，农业活动对该区域影响较小。