威海市地下水水化学特征及成因分析

孙乃波，陈学群，李 倩，管清花，冯婧怡，徐征和

（1.威海市水文中心，山东 威海 264209；2.山东省水利科学研究院，济南 250013；3.济南大学水利与环境学院，济南 250022）

0 引 言

地下水是我国水资源的重要组成部分，与人类生产生活密切相关[1]。近40年来，随着工业化和城镇化的快速推进，人们对水资源的需求明显增加，水资源的供需矛盾日益突出，致使人们大量开采地下水，导致地下漏斗、地面塌陷及海水入侵等生态环境问题进一步加剧，地下水污染程度加重，严重威胁地下水环境[2]。因此，面临日益严重的水资源短缺和水污染问题，地下水环境监测成为当前社会的热点话题，水资源保护受到国家高度重视，合理有效地管理地下水资源势在必行[3]。

地下水化学成分与地下水赋存环境存在重要联系。在人类活动和自然作用的影响下，地下水化学成分会发生变化，从而表现为不同的特征。分析地下水化学特征及演化规律，不仅可以直接对当前地下水水质有所反映，还可以根据地下水年内和年际变化揭示当地水文地质情况，实现针对性的监测和保护地下水环境[4]。

地下水环境问题主要包括地下水超采和地下水污染，超采导致地下水位大幅度下降，污染加剧地下水水质恶化[5]。对于沿海地区，地下水超采还会引发海水入侵，使地下水矿化度加大，引起土地盐碱化，严重破坏当地生态环境。因此，地下水环境管理主要针对地下水超采治理、污染程度和水质时空变化监测，人们在这方面已经得出了重要结论，齐玉涵等[6]通过对郑州市区浅层地下水化学特征研究，得出了岩石风化作用是影响整个城市水化学特征的主要原因。杨会峰等[7]对华北平原近40年地下水水位演变进行分析，精准提出针对当地地下水超采治理的建议。陶志斌等[8]通过对比不同年代大沽夹河下游地下水水质，总结出地下水演变规律，并进行水质趋势预测。刘绍等[9]采用PHREEQC 软件，对双辽市地下水水化学演化过程进行反向地球化学模拟，并利用离子比值法进行分析验证。本文基于前人的研究成果，以威海市地下水为研究对象，分析地下水化学特征及演化规律，为当地地下水资源管理和地下水环境监测提供参考。

1 研究区概况

威海市地处山东半岛最东端，地理坐标范围为东经121°11′～122°42′，北纬36°41′～37°35′，总面积5 797 km2。威海市东、南、北三面濒临黄海，西面与烟台市接壤，地理位置优越，是“一带一路”的重要节点城市，亦是山东半岛重要的蓝色经济开发区[10]。研究区地理位置见图1。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of study area

研究区按照地貌分区属于起伏缓和的鲁东波状丘陵区，主要地貌类型为低山、丘陵和平原，面积占比分别为15.7%、52.4%、27.6%，地势总体上呈现为西北高、东南低走势[11]。作为沿海城市，属于典型的北温带季风气候，年平均降雨量为737.7 mm，年平均气温为12.2 ℃，具有雨水丰沛、夏多冬少、气候温和的特点。但随着经济和人口的持续增长，水资源承载压力越来越大，地下水环境问题也频繁出现，多年监测中地下水水质主要超标项目有亚硝酸氮、氯化物等，个别年份存在矿化度超标情况[12]。研究区内多年平均水资源总量16.49 亿m3，人均水资源占有量585 m3，仅占全国平均水平的1/4，属于资源型严重缺水地区[13]。区域内大小河流1 000 多条，流域面积达100 km2以上的河流有10条，其中母猪河、乳山河及黄垒河流域面积较广，流域面积多达2 276 km2[14]，但仍不能满足当地工农业及生活用水的需求，地下水开采量较大，海水入侵风险突出，成为当地主要的地下水环境问题[15]。根据地下水的埋藏条件，将研究区内地下水划分为孔隙水、裂隙水和岩溶水，其中裂隙水分布较为广泛。本文将以威海市历年裂隙水的采集数据为研究对象，分析研究区内地下水水化学特征，从时间尺度上研究地下水演变规律及形成因素，揭示当地地下水环境问题。

2 样品采集及研究方法

威海市地下水水质监测信息可以追溯到1982年，本文以2006-2020年地下水水质监测数据为背景，综合分析前期数据资料，以地下水中主要离子浓度为水化学指标，采用统计分析法、Piper三线图、动态曲线图、Gibbs图及离子比值法对水样监测结果进行分析，得出当地地下水水化学特征及演变规律。水样采集依据《地表水和污水监测技术规范》，现场测试地下水水位、水温、pH 和EC等，采样后水样在4 ℃下遮光保存并送地下水水质检测中心检测，检测项目包括Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、总硬度、TDS 等。研究区采样点位置见图2。

图2 研究区采样点位置示意图Fig.2 Schematic diagram of sampling point position in the study area

以2006、2011 及2020年为3 个代表年进行地下水水化学参数统计分析，统一选用9月份采集的水样数据展开对比，以揭示近15年威海市地下水总体水化学特征及演化规律。

绘制威海市内4个典型监测点（大水泊镇、荫子镇、夏庄镇、俚岛镇）2010-2020年地下水pH、亚硝酸盐、TDS及氯离子浓度动态曲线图，总结近10年地下水水质动态，分析海水入侵及工农业活动对地下水水质的影响；对2020年研究区内地下水主要离子绘制Gibbs 图与离子关系图，分析地下水化学与当地岩性的关系，进一步综合判断影响地下水环境的主要成因。

3 结果与分析

3.1 地下水化学特征及演化规律

威海市监测的2006、2011 及2020年地下水水化学统计参数，如表1所示。3年中地下水主要阳离子平均含量从大到小排列顺序为：Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+，主要以Ca2+为主，Na+和Mg2+次之，K+质量浓度相对较低；2006年、2011年地下水中主要阴离子平均含量从大到小排列顺序为：HCO3-＞Cl-＞SO42-，主要以HCO3-和Cl-为主，HCO3-平均浓度远超Cl-，而2020年地下水中主要阴离子平均含量从大到小排列顺序为：HCO3-＞SO42-＞Cl-，主要以HCO3-和SO42-为主，HCO3-与SO42-平均浓度差异不明显。表明地下水从2006年到2020年演化中水化学参数发生了一定变化，地下水中SO42-含量均值明显增加，而HCO3-和Na+含量均值明显减少。SO42-和Ca2+在阴阳离子浓度中占比明显增加，而Na+和HCO3-占比明显减少。阳离子中Mg2+在15年中变异系数变化较大，由0.40增至1.40，离散程度变大，表明研究区内Mg2+受外界影响较大，分布变得更加不均匀；SO42-变异系数由0.39 增至1.33 及Cl-变异系数由0.53 增至1.68，都表现为在2006年到2020年水化学演变过程中离散程度变大，具有强烈的时间变异性。Ca2+、Na+及HCO3-在3 个代表年中变异系数均小于1，相对较小，表明其含量在研究区内分布较为稳定，受人类活动影响较小，主要受地质背景环境控制。

表1 威海市不同年代地下水水化学参数统计Tab.1 Statistics of hydrochemical parameters of groundwater in different years in Weihai City

地下水化学成分是地下水演化规律的集中反映，为阐明研究区内地下水水化学演化规律，确定地下水水化学类型，将2006、2011 及2020年地下水主要离子Ca2+、Mg2+、K++Na+、Cl-、SO42-、HCO3-绘制成Piper 三线图。如图3所示，威海市所选取的3个代表年中地下水碱土金属离子含量均超过碱金属离子，大部分阳离子集中落在Ca2+端，大部分阴离子集中偏向HCO3-端，表明地下水中HCO3-和Ca2+占阴阳离子比例高，说明水质还好，离子变化一定程度上受到碳酸盐岩风化的影响。沿箭头方向，阳离子变化幅度不大，阴离子发生了转移，表明受附近工农业污水排放等人类活动的影响，导致地下水中硫酸根离子含量明显增加，毫克当量百分数由15%增加至30%，改变了它在阴离子浓度中的排列顺序，使得2006-2020年地下水水化学类型发生由Ca·HCO3型向Ca·HCO3、Ca·SO4型演化。

图3 2006、2011和2020年地下水Piper三线图Fig.3 Piper diagram of groundwater in 2006,2011 and 2020

图4所示为威海市2011年部分采样点地下水与地表水水质监测数据对比。地下水中以HCO3-和Ca2+为主要优势离子，而地表水中以Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-为主要优势离子。地下水与地表水相比，HCO3-阴离子浓度占比明显增加，SO42-和Cl-相对减少，Ca2+和Mg2+阳离子浓度占比相对减少，K++Na+相对增加。地表水水化学类型较为复杂，造成原因可能是地表水受人类活动的影响相对较大，主要以Ca·Mg-HCO3、Ca·Mg-Cl 和Ca·Mg-SO4为主；而地下水水化学类型较为单一，主要以Ca·HCO3为主。表明威海市内地表水与地下水化学类型存在一定差异，在地下水水化学演变过程地表水补给不构成主要因素。

图4 2011年地下水、地表水Piper三线图Fig.4 Piper diagram of groundwater and surface water in 2011

3.2 水化学特征成因分析

地下水环境变动往往是由很多因素造成的，主要包括人类活动与自然因素。人类活动对地下水环境的影响，一方面通过地表工农业及生活废弃物排放直接污染地下水水质[16]，另一方面通过地下建设活动间接导致地下水水位与水质的变化[17]；自然因素主要包括岩石风化及溶滤作用、蒸发浓缩作用[18]，对于沿海地区，海水入侵也是一种常见的引起地下水环境恶化的现象[19]。本文为研究工农业污染和海水入侵对威海市地下水水质的影响，从沿海到内陆依次选取4 个典型监测点，分别位于俚岛镇、夏庄镇、荫子镇和大水泊镇境内，以地下水pH、亚硝酸氮、TDS和氯离子浓度为监测指标，分析2010-2020年地下水水质动态变化趋势。图5所示为典型监测点地下水水质多年动态变化。

图5 典型监测点地下水水质多年动态曲线图Fig.5 Multi-year dynamic graph of groundwater quality in typical monitoring points

pH 变化范围在6.5～8.2 之间，4 个典型监测点差别不是很大，近10年变化过程中有两次较明显的拐点，分别出现在2013年和2018年附近。当地地下水绝大部分呈弱碱性，是沿海地区长期的水文地球化学过程的影响，近几年有升高的趋势，可能是由于人类生产生活中污染物排放造成的。亚硝酸氮的变化范围在0～44 mg/L 之间，除荫子镇外均未超出我国地下水硝酸盐氮含量Ⅲ类标准20 mg/L，经查看荫子镇地下水中亚硝酸盐含量超标是由于受附近机械工业的影响。TDS变化范围在129～3 814 mg/L之间，除俚岛镇出现两次突然升高的拐点外，其余均围绕着400 mg/L 波动，没有明显的变化趋势。俚岛镇多数年份TDS 含量均超过1 000 mg/L，地下水极可能长期遭受化学污染。同时可以明显的看出4 个典型监测点氯离子浓度与TDS 在近10年变化趋势基本一致，大水泊镇、荫子镇和夏庄镇均围绕着60 mg/L 波动，质量浓度较为稳定。俚岛镇氯离子浓度变化范围在48～1 491 mg/L 之间，以地下水中氯离子含量高于250 mg/L 为判断海水入侵的标准，判定导致俚岛镇地下水水质较差的原因可能是受附近断裂带的影响[20]，诱发海水入侵，造成TDS 和氯离子浓度相对较高，10年内变化幅度较大，且在2013年和2016年异常严重。通过对沿海到内陆依次选取4 个典型监测点水质多年动态分析，发现威海市部分地区地下水环境一定程度上遭受附近工业及海水入侵的影响。

Gibbs 图可以从宏观上反映地下水离子的主要来源[21]，从图6（a）和图6（b）可看出2020年该区地下水多数采样点主要分布在Gibbs 图的岩石风化型区域，表明岩石风化作用是控制该区内地下水水化学成分的主要因素。离子关系是反映地下水环境的主要依据，由地下水中主要离子比例关系进一步分析地下水水环境与岩性的关系[22]。图6（c）所示地下水Ca2++Mg2+与SO42-+HCO3-的关系，大部分采样点位于Y=X线的上方及附近，近74%的采样点(Ca2++Mg2+)/(SO42-+HCO3-)比例系数大于1，表明地下水中Ca2+和Mg2+主要来源于碳酸盐岩溶解；而26%的采样点(Ca2++Mg2+)/(SO42-+HCO3-)比例系数小于1，表明地下水还需要由硅酸盐和蒸发岩溶解来保持离子平衡。图6（d）所示为Na++K+和Cl-的关系，绝大部分采样点落在Y=X线附近，仅有35%的采样点（Na++K+）/(Cl-)比例系数大于1，表明地下水中仅有少部分Na++K+离子来源于岩盐溶解，受人类活动和海水入侵的影响比较严重，导致Cl-过剩。总的来说，威海市地下水化学特征主要受海水入侵、碳酸盐岩风化及人类活动的影响。

图6 2020年研究区内地下水Gibbs与主要离子关系图Fig.6 Gibbs and relationship between main ions of groundwater in the study area in 2020

4 结 论

本文以2006-2020年地下水水质监测数据为背景，以地下水中主要离子浓度为水化学指标，对威海市内地下水化学特征及演化规律进行分析，得出以下结论：

（1）研究区2006-2020年地下水演化过程中，地下水离子主要以Ca2+和HCO3-离子为主，SO42-含量均值显著增加，而Na+和HCO3-含量均值明显减少，地下水水化学类型由Ca·HCO3型向Ca·HCO3、Ca·SO4型演化。应严格控制工农业废污水排放标准，减小SO42-排放对地下水环境的影响。

（2）研究区内地下水化学成因：由沿海到内陆选取的4个典型监测点近10年的地下水水质动态变化反映，pH 变化范围为6.5～8.2，绝大部分地下水为弱碱性；亚硝酸氮除荫子镇外均未超出我国地下水硝酸盐氮含量Ⅲ类标准20 mg/L；TDS 和氯离子浓度变化趋势基本一致，除靠海俚岛镇外均围绕着400、60 mg/L 波动，地下水水质变化趋势基本稳定。结合Gibbs 图与离子关系图分析地下水主要离子的来源，判定碳酸盐岩风化作用是控制该区内地下水水化学成分的主要因素，另外海水入侵和人类活动是影响威海市地下水环境的重要因素。需进一步加强研究区内地下水超采治理工作，巩固沿海地区海水入侵防控工作，确保地下水环境生态平衡。