胶州湾北岸不同水体水化学及氢氧同位素特征研究

马健，黄勇，冀东，潘广山，吴振，许春萌，刘明明

(1.山东省地质矿产勘查开发局第四地质大队，潍坊 261021；2.山东省地矿局海岸带地质环境保护重点实验室，潍坊 261021；3.内蒙古国土资源勘查开发有限责任公司，呼和浩特 010020；4.青岛市勘察测绘研究院，青岛 266032；5.潍坊学院建筑工程学院，潍坊 261041；6.山东省海河淮河小清河流域水利服务中心，济南 250014)

水是重要的自然资源，其化学组分受气候、地形地貌、人类活动及水文地质条件等多种因素影响，在一定程度上能够反映不同水体的形成和运移过程[1-2]。地表水和地下水具有密切的水力联系，二者之间相互转化，是陆域水循环的重要组成部分[3]。研究地表水和地下水的相互转化关系，有助于合理开发利用水资源，对地表水与地下水污染协同防治和生态环境保护具有重要意义[4]。

在地表水—地下水转换关系的研究中，氢氧同位素由于化学性质稳定的特点被广泛应用[5]。许多学者通过对不同水体的水化学组成和同位素特征进行研究，揭示了水循环演化路径，在对不同尺度流域下地表水—地下水转化关系的研究方面取得了较好的效果[6-9]。冯瑞等[10]通过分析地下水化学组分和氢氧同位素，确定了飞凤山固体废物处置场地下水补给、径流与排泄关系，揭示了处置场范围内地下水的基本规律，其成果为处置场地下水截排工程提供科学依据。袁建飞等[11]通过分析西昌市南部典型区岩溶水、基岩裂隙水和地表水水化学组分和氢氧同位素特征，探讨了地下水补给来源和径流特征，识别了主要的水岩相互作用过程，研究成果对水资源开发利用具有借鉴意义。

胶州湾位于山东半岛东南部海岸，集港口、旅游、外贸、轻纺、海洋科研等多种功能于一体，是黄海伸入内陆的优良天然港湾和青岛发展的“摇篮”[12]。由于地理位置的特殊性，使其不仅属于环境变化的敏感区域，也是生态系统的脆弱地带[13]，因此，胶州湾地区的沉积环境演变历来备受研究者关注[14-15]，但对其水化学和氢氧同位素特征研究较少。随着胶州湾地区经济社会的发展，研究区地表水和地下水资源开发利用程度增大，进而引发了海水入侵等生态环境问题。

为此，利用胶州湾北岸地区浅层地下水、河水及海水的水化学及氢氧同位素数据，对不同水体氢氧同位素和水化学特征进行研究，以期为胶州湾北岸地区的地表水和地下水资源的合理开发利用提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理

研究区位于青岛市红岛经济区，南临胶州湾，地形较平坦，长期接受冲积、冲洪积、洪积和海积作用，堆积物厚度一般10～20 m，局部达25 m以上。地貌按成因类型及形态特征分类属于剥蚀丘陵、冲积平原和冲积-海岸平原区。

研究区内地表水主要由河流和人工改造水系组成。比较大的河流有洪江河、祥茂河及墨水河，主要人工改造水系有葫芦巷和海月湖等。地下水的分布除受地层、构造等地质条件的控制外，还受大气降水量、地形等自然因素的影响。地下水的来源主要由大气降水补给、河流补给，其次为灌溉回归补给。研究区地下水主要为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两种类型。其水力性质多为潜水，潜水面的形状及径流方向基本与地形一致，河流入海口附近易受海水流场影响。

1.2 水文地质条件

根据研究区含水岩组的分布特征、发育规模和发育特征，地下水类型主要划分为第四系孔隙水和基岩裂隙水。

1.2.1 第四系孔隙水

研究区为滨海堆积平原，堆积物多为粉细砂、粉土及海相淤泥构成，富水性差，地下水主要为海水和大陆淡水混合形成，水位埋深0.5～10 m。水质为咸水，矿化度大于2 g/L。补给来源为大气降水、上游径流补给和地表水补给，排泄方式以蒸发和地下径流排泄为主。

1.2.2 基岩裂隙水

研究区基岩裂隙水主要为喷出岩类裂隙水，风化带为主要含水层，岩性以安山质凝灰角砾岩、集块岩、安山玄武岩为主，风化裂隙发育不均匀，风化厚度30～45 m，涌水量一般小于100 m3/d。断裂发育附近涌水量较大，水位埋深随地形而异，受季节影响。

2 材料与方法

2.1 数据来源

采用的数据资料来自青岛市勘察测绘研究院红岛湾新区海水入侵项目组，共选取水样数据26组(图1)，其中，浅层地下水18组(基岩裂隙水样品6组、第四系孔隙水样品12组)，河水样品4组(祥茂河样品2组、洪江河样品1组、墨水河样品1组)，胶州湾海水样品3组。

图1 研究区水文地质及采样点位置

2.2 样品采集

样品采集时间为2020年8—9月，取样采用500 mL聚乙烯塑料桶采样，取样时将取样瓶用拟取水样的水清洗2～3次。装样时留10～20 mL的空间，以防温度改变将瓶塞顶开，造成水样损坏或污染。取样现场采用便携式多参数水质仪对温度、氧化还原电位、电导率等参数进行测定，填写水样标签和水样送样单，并将水样标签贴于水样瓶上。水样取好后，盖好瓶塞，用石蜡密封，防止漏水，及时送交试验室。

2.3 分析方法

表1 采样点主要成份测试结果

3 数据分析与讨论

根据研究区水文地质条件，综合运用统计学和Piper三线图，分析不同水体的水化学特征和影响因素，并结合氢氧稳定同位素特征研究其补给来源和转化关系。其中，水化学特征统计分析采用Excel和SPSS 21.0软件进行，图件利用MapGIS 6.7和Grapher 12软件绘制。

3.1 水化学特征

3.1.1 水化学统计特征

表2 研究区水化学特征统计

3.1.2 水化学类型

Piper三线图不仅能直观反映不同水体中各离子组分含量及水化学特征，还能分析确定水体的水化学类型[16-17]。由研究区水化学Piper三线图(图2)可知，基岩裂隙水水化学类型以Cl-Ca和Cl-Na·Ca型为主，第四系孔隙水以Cl-Na和Cl·SO4-Na型为主，河水和胶州湾海水主要为Cl-Na型。由图2可以看出，采样点在菱形区域主要分为3个区域：基岩裂隙水分布区、第四系孔隙水与地表水混合区和第四系孔隙水分布区，这表明研究区地表水和第四系孔隙水水力联系密切，存在明显的转化关系。此外，基岩裂隙水、第四系孔隙水沿Ca2++Mg2+轴依次分布，说明研究区第四系孔隙水受到了基岩裂隙水的补给。

图2 研究区水化学Piper图

3.2 氢氧同位素特征

3.2.1 河水、胶州湾海水和标准海水

由于全球海水处于长期流动状态，标准海水的稳定同位素和主要化学组分相对稳定，δ2H值和δ18O值均为0，Cl-浓度为19 400 mg/L[18]。但对于海岸带地区，受陆域河水排泄影响，海水的同位素数据及主要化学组分都会发生变化。胶州湾海水样品的δ2H值范围为-54.53‰～-30.36‰，δ18O值范围为-7.24‰～-3.91‰，均低于标准海水的δ2H和δ18O值，说明胶州湾海水样品受到了比海水δ2H和δ18O值都低的河水的混合影响。祥茂河、洪江河和墨水河采集样品的δ2H值变化范围为-74.23‰～-46.95‰，δ18O值为-9.91‰～-6.27‰，同位素数据整体较分散，说明不同河流河水成分具有差异性。

所采集的河水样品、胶州湾海水样品和标准海水样品的δ2H-δ18O关系如图3所示，实线为全球大气降水线GMWL，其表达式为δ2H=8δ18O+10。可以看出，祥茂河河水δ2H和δ18O值明显偏低且分布相对集中，距离大气降水线较近，说明祥茂河河水的主要来源为大气降水，这主要是由于取样时处于雨季，降水频繁，且入海河口处建有拦潮坝隔绝海水上溯所致。以祥茂河河水为一端元，标准海水为另一端元，而洪江河河水、墨水河河水和胶州湾海水处在中间，并且五者呈一条直线分布，说明洪江河、墨水河河水和胶州湾海水均为大气降水与标准海水的混合水，这主要是由于潮汐作用影响，胶州湾的海水在高潮时沿墨水河和洪江河河道上溯造成，且墨水河河水受海水混合影响程度大于洪江河河水。

图3 地表水δ2H-δ18O关系图

胶州湾海水为河水和标准海水的混合水，按混合比例来说，以祥茂河河水(取平均值δ2H=-73.84‰，δ18O=-9.88‰)中混合的河水比例为100%，以标准海水(δ2H=0，δ18O=0)中混合的河水比例为0%，采用插值方法计算，则胶州湾海水样品中S2混合的河水最多，约占73.56%，S3中混合的河水最少，约占40.35%[19-20]。

3.2.2 浅层地下水

为研究浅层地下水与大气降水、地表水之间的关系，将研究区第四系孔隙水和基岩裂隙水氢氧同位素值投到δ2H-δ18O关系图(图4)上。可以看出，各采样点均分布于大气降水线的下方且整体分为呈线性关系的3个区域，即基岩裂隙水分布区、基岩裂隙水与第四系孔隙水混合区和第四系孔隙水分布区，表明研究区地下水主要补给为大气降水，且基岩裂隙水和第四系孔隙水存在密切的水力联系，第四系孔隙水接受基岩裂隙水的补给。基岩裂隙水样品的δ2H值范围为-62.82‰～-48.25‰，平均值为-54.67‰，δ18O值范围为-8.70‰～-6.63‰，平均值为-7.53‰；第四系孔隙水样品的δ2H值范围为-53.48‰～-10.29‰，平均值为-36.51‰，δ18O值范围为-7.62‰～-0.80‰，平均值为-4.75‰，第四系孔隙水δ2H和δ18O值与基岩裂隙水相比整体较为富集且偏离大气降水线的距离较大，说明第四系孔隙水受蒸发效应较基岩裂隙水强烈。

图4 浅层地下水δ2H-δ18O关系图

(1)基岩裂隙水。从图4可知，G1、G4样品的δ2H和δ18O值较低且分布比较集中，说明这两处裂隙水补给水源稳定，受大气降水补给且补给路径较短，使δ2H和δ18O组成贫化；G2、G3、G5和G6采样点处于基岩裂隙水与第四系孔隙水混合区域内，δ2H和δ18O值富集且Cl-浓度相差较大，介于153～484 mg/L，说明其地下水来源除大气降水外，还与第四系孔隙水存在水力联系，受海水入侵的影响。

(2)第四系孔隙水。由图4可以看出，第四系孔隙水δ2H和δ18O值差别较大，且分布范围较离散，可能是由于第四系孔隙水部分采样点距离地表水较近，受到地表水的渗漏补给影响所致；其全部水样的δ2H和δ18O数据点相较于大气降水线均向右偏离，存在不同程度的氧漂移现象，表明其在径流过程中存在一定的蒸发作用。以基岩裂隙水(G1)为一端元，标准海水为另一端元，第四系孔隙水样品处在中间位置，并且成直线分布，说明其地下水成因为大气降水与海水的混合水，径流过程中接受基岩裂隙水的补给并经历过不同程度的蒸发作用。

蒸发作用的大小可以用氘盈余参数d(d=δ2H-8δ18O)来表征[21]。蒸发是影响氘盈余参数的一个重要因素，氘盈余参数主要受空气相对温度控制，其值越小，蒸发作用越强烈[22]。由表1数据计算可知，研究区第四系孔隙水氘盈余参数d值介于-4.78‰～8.3‰，平均值为1.51‰，远小于全球大气降水平均值(10‰)，表明第四系孔隙水径流过程中蒸发作用强烈，个别点位氘盈余参数d接近全球大气降水平均值，可能是受地表水体或基岩裂隙水补给所致。

4 结论

(2)研究区基岩裂隙水水化学类型以Cl-Ca和Cl-Na·Ca型为主，第四系孔隙水以Cl-Na和Cl·SO4-Na型为主，河水和胶州湾海水主要为Cl-Na型。Piper三线图将水样点分为基岩裂隙水分布区、第四系孔隙水与地表水混合区和第四系孔隙水分布区3个区域，表明研究区地表水和第四系孔隙水水力联系密切，存在明显的转化关系。

(3)研究区祥茂河河水的主要来源为大气降水；受潮汐作用影响，洪江河、墨水河河水为大气降水与海水的混合水，且墨水河河水受海水混合影响程度大于洪江河河水；胶州湾海水为河水和标准海水的混合水，其中，祥茂河河口取样点混合河水最多，约占73.56%。

(4)研究区基岩裂隙水来源除大气降水外，还与第四系孔隙水存在密切的水力联系，受海水入侵的影响；第四系孔隙水来源为大气降水与海水的混合水，径流过程中接受地表水体或基岩裂隙水的补给并经历不同程度的蒸发作用。