丹东市地下水化学特征及演化规律分析

姜 丹

(辽宁省丹东水文局,辽宁 丹东 118000)

研究分析地下水化学特征及演变规律是水质保护和地下水资源评价的基础工作,在实践中这类研究已得到广泛应用,对保障供水安全和地下水资源管理极具现实意义。地下水化学成分一般受人类活动和自然过程的影响,其中人类活动以居民生活、工业和农业影响为主,自然过程包括离子交换以及石盐、硅酸盐、白云石、方解石、石膏等矿物的沉淀和溶解[1-4]。近年来,许多学者利用不同方法研究了地下水化学特征及其成因,如有学者利用主成分法和层次聚类法有效提取地下水化学主成分及数据,鉴定不同矿物的沉淀、溶解和离子交换类型;也有学者利用多元统计分析、Gibbs图以及Piper三线图等研究地下水形成条件及其化学成分分类[5-10]。丹东市水资源可开发利用总量较少,供水水源以地下水为主,研究地下水化学特征及成因和水资源科学管理,对当地经济发展和水生态环境保护具有重要作用。然而,关于丹东市地下水资源特别是水化学特征及演变规律的相关研究鲜有报道。因此,文章结合有关研究成果,综合利用动态曲线图、Piper三线图、统计分析等方法研究丹东市地下水化学特征及演变规律,以期为丹东市地下水环境监测及其合理开发利用提供参考依据。

1 研究区概况

丹东市地处辽宁省东南部,总面积1.52万km2,海岸线长120km。该区域为辽东山地丘陵的一部分,从东北向西南地势逐渐降低。研究区属温暖带亚湿润季风气候,冬无严寒,夏无酷暑,年均气温9℃,多年平均降水量881.3～1087.5mm,其中2/3发生在夏季,7～8月为暴雨集中期,该区域是全省降水量最多且水资源最丰富的地区[11-13]。但随着人口规模的扩大和经济的发展,丹东市水资源承载压力不断加大,地下水环境问题日趋突出,地下水水质存在矿化度、氯化物和亚硝酸氮超标等情况。境内江河密布,全区流程超过2km的大小河流有944条,大江大河有叆河、浑江、大洋河和鸭绿江,但仍无法满足当地生活及工农业用水需求,地下水环境问题以海水入侵风险高、地下水开采量大最为突出[14-16]。充分考虑研究区地下水埋藏条件,可以划分成岩溶水、裂隙水和孔隙水,其中广泛分布的是裂隙水。

2 样品与方法

文章以主要离子浓度为地下水化学指标,结合丹东市2007—2021年水质监测数据,采用离子比值法、Gibbs图、动态曲线图、Piper三线图及数理统计法分析水样监测结果,以揭示研究区地下水化学特征及成因。根据《地表水和污水监测技术规范》现场测试地下水EC、pH值、水温和水温,水样采集后遮光保存,立即送地下水水质监测中心测试TDS、总硬度、NO3-、HCO3-、SO42-、Cl-、Na+、K+、Mg2+、Ca2+等。

统计分析代表年2007年、2012年及2021年地下水化学参数,通过对比水样数据(统一采集于9月份)揭示2007—2021年丹东市地下水化学特征及演变规律。根据丹东市4个典型监测点(同德堂、杨家堡、刘家店和李家堡子)2011—2021年地下水氯离子浓度、TDS、亚硝酸盐及pH值动态曲线,总结分析地下水水质动态及其受工农业活动、海水入侵的影响;结合2021年丹东市内地下水主要离子关系图、Gibbs图分析当地岩性与地下水化学之间的关系及其成因。

3 结果分析

3.1 地下水化学特征

统计分析丹东市2007年、2012年和2021年监测的地下水化学参数如表1。结果显示,从低到高阳离子平均质量浓度排序为K+

表1 丹东市地下水化学参数

化学成分集中反映了地下水演变规律,为分析丹东市地下水化学类型及其演变规律,将2007年、2012年和2021年地下水主要离子绘制成Piper三线图。结果显示,在3个代表年中丹东市地下水大部分阴、阳离子集中偏向HCO3-端和Ca2+端,说明Ca2+与HCO3-占地下水阴阳离子比例高,水质较好,碳酸盐岩风化在一定程度上影响着离子变化。沿箭头方向阴离子出现转移,阳离子变幅较小,说明地下水中硫酸根离子含量受附近工农业污水排放等因素影响明显增加,毫克当量从12%快速上升到25%,改变了SO42-含量排序,2007—2021年间地下水从Ca·HCO3型逐渐向Ca·SO4和Ca·HCO3型演化。

通过对比2012年丹东市部分采样点水质监测数据发现,地表水优势离子主要有SO42-、Cl-、Mg2+、Ca2+,地下水优势离子主要有Ca2+、HCO3-。地下水HCO3-阴离子浓度占比相比地表水显著增加而SO42-、Cl-减少,Mg2+、Ca2+阳离子浓度占比相比地表水减少而Na+、K+增大。地表水化学类型复杂可能与人类活动影响较大有关,以Ca·Mg-SO3、Ca·Mg·Cl和Ca·Mg-HCO3为主;地下水化学类型以Ca·HCO3为主,相对单一。研究表明,地表水补给不是地下水化学演变的主要因素,丹东市地下水与地表水化学类型具有明显差异。

3.2 成因分析

地下水环境变化通常是由自然因素和人类活动等多种原因所引起的,其中自然因素主要包括蒸发浓缩、溶滤和岩石风化作用,对于沿海地区地下水环境也会因海水入侵出现恶化;人类活动主要通过直接排放生活及工农业废弃物对地下水质造成污染,另外地下水质和水位还会受地下建设活动的间接影响发生改变。为探究丹东市地下水质受海水如今和工农业污染的影响,从同德堂、杨家堡、刘家店和李家堡子境内依次选取4个典型监测点,地下水监测指标为氯离子浓度、TDS、亚硝酸氮和pH值,研究分析2011—2021年地下水质变化特征,如图1所示。

(a)pH值

由图1(a)可知,各监测点pH值处于6.4～8.1区间,不同站点pH值相差不明显,在2014年和2019年附近出现两次比较明显的拐点。研究区地下水整体呈弱碱性,受水文地球化学过程和人类生产活动影响沿海地区近几年pH呈上升趋势。由图1(b)可知,各监测点亚硝酸氮处于0～45mg/L区间,除刘家店外其它监测点亚硝酸氮均未超出20mg/L的Ⅲ类水要求。由图1(c)可知,各监测点TDS处于187～3868mg/L区间,除同德堂地下水中TDS有两次升高拐点外其它均未表现出明显变化趋势,其它监测点TDS在400mg/L上下波动。由图1(d)可知,在2011—2021年4个监测点TDS与氯离子变化趋势基本相同,李家堡子、杨家堡、刘家店地下水中氯离子浓度在50mg/L上下波动,含量基本稳定。同德堂地下水氯离子浓度处于315～1812mg/L区间,按照海水入侵判断标准为地下水氯离子含量超过250mg/L,可以认为受附近断裂带影响导致海水入侵引起同德堂地下水氯离子浓度和TDS含量较高,水质较差,特别是在2014年与2017年变化幅度更加明显。通过分析4个监测点的水质变化特征发现,海水入侵及附近工业生产在一定程度上影响着丹东市部分地区地下水环境。

根据Gibbs图能够直观地揭示地下水离子来源,结果表明丹东市2021年大多数采样点集中分布在岩石风化型区,说明研究区地下水化学成分主要受岩石风化作用的控制。地下水环境主要体现在离子关系上,通过分析主要离子比例关系可以反映岩性与地下水环境的相互作用。由HCO3-+SO42-与Mg2++Ca2+关系可知,在Y=X线附近及上方采样点分布比较集中,(Mg2++Ca2+)/(HCO3-+SO42-)比例>1的采样点占75%,说明盐酸盐岩溶解为地下水中Mg2+与Ca2+的主要来源;(Mg2++Ca2+)/(HCO3-+SO42-)比例<1的采样点占25%,说明蒸发岩溶解和硅酸盐对于维持地下水离子平衡具有一定作用。由Cl-与K++Na+关系可知,(K++Na+)/(Cl-)比例>1的采样点占38%,说明岩盐溶解为地下水中一定K++Na+的来源,受海水入侵和人类活动影响Cl-含量较高。总体而言,人类活动、碳酸盐岩风化和海水入侵均会对丹东市地下水化学特征造成影响。

4 结 论

文章结合丹东市2007—2021年相关监测数据,采用多种方法和主要离子浓度分析地下水化学特征及成因,主要结论如下:

1)丹东市地下水演化过程中SO42-质量浓度明显增加,而HCO3-与Na+质量浓度显著减少,地下水离子以HCO3-与Ca2+为主,2007～2021年丹东市地下水从Ca·HCO3型逐渐向Ca·SO4和Ca·HCO3型演化。

2)研究选用的4个典型监测点pH值处于6.4～8.1区间,地下水整体呈弱碱性;各监测点亚硝酸氮处于0～45mg/L区间,除刘家店外其它监测点亚硝酸氮均未超出20mg/L的Ⅲ类水要求;TDS与氯离子变化趋势基本相同, 除同德堂外其它地区地下水中的氯离子浓度均在50mg/L上下波动,含量基本稳定。

3)丹东市地下水化学成分主要受碳酸盐岩风化作用的控制,研究区地下水环境受人类活动与海水入侵的影响较大,为维持地下水环境生态平衡应加强海水入侵防控和地下水超采治理,通过减少工农业废污水排放降低对地下水环境的不利影响。