长江口北翼海滨地区海水入侵的地球化学特征初步研究

乔吉果，龙江平，许冬，周根元，翟万林

（1.国家海洋局海底科学重点实验室 国家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.国家海洋局东海预报中心，上海 200081）

长江口北翼海滨地区海水入侵的地球化学特征初步研究

乔吉果1，龙江平1，许冬1，周根元2，翟万林1

（1.国家海洋局海底科学重点实验室 国家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.国家海洋局东海预报中心，上海 200081）

利用2009年2月和8月两次在长江口北部滨海地区地下水调查取得水化学数据，综合运用数理统计法、Piper三线图法,分析长江口北翼滨海平原海水入侵区浅层地下水的地球化学特征，识别不同季节浅层地下水水化学类型的特征。研究结果表明：（1）研究区地下水主要靠大气降水及地表水体渗透补给，季节变化对区域内地下水水化学空间变异性影响较大。（2）Na+、K+、Cl-变异系数较大，而 HCO3-、CO32-绝对含量大，它们是决定海滨海水入侵地区地下水水化学类型的主要离子。（3）由陆向海方向，区域内水化学类型由主要从Mg-Ca-HCO3、Na-Mg-HCO3型经Mg-Ca-HCO3-Cl、Na- HCO3-Cl型向Na-Cl-SO4、Na-Cl型演变；大气降水、水-岩离子交换、残存海水上移、海陆地下水交互作用是控制地下水演变的主要因素。

滨海地区；海水入侵；水化学特征；长江口

Abstract: According to the investigation of water chemistry data in the northern coastal region of the Yangtze River Estuary both in August and February of 2009 by Second Institute of Oceanography, through comprehesively using the mathematical statistics method and the Piper Method，the paper completely analyzed the chemical characteristics of shallow groundwater in the Yangtze River Estuary, North Wing，and identified the water chemistry of shallow groundwater impact in different seasons.The results show that: (1) groundwater mainly depends on the supply of precipitation and surface water infiltration recharge；seasonal changes has greater impact on the spatial variability in water chemistry of groundwater in the region of the study area.(2) Na++ K+, Cl-has greater coefficient of variation， but HCO+COhas absolutely content in large, and they are all to determine major ion water chemistry types in the coastal seawater intrusion of groundwater.(3) from the coastside to land， the chemical type of water mainly turns from the Mg-Ca-HCO3, Na-Mg-HCO3type by Mg-Ca-HCO3-Cl, Na-HCO3-Cl type to Na-Cl-SO4, Na -Cltype evolution; atmospheric precipitation, water - rock ion exchange, residual water moving and the interaction of groundwater and sea are the main factors controlling the evolution of groundwater.

Keywords: coastal areas; seawater intrusion; chemistry characteristics; the Yangtze River estuary

世界上的滨海地区几乎都是人口高度密集区。据估算，全球 2／3的人口集中在滨海地区，大量的用水需求对地下水资源造成了巨大的压力。由于人类过量开采地下水，使淡水与海水之间的平衡状态遭受破坏，结果导致海水或与海水有直接动力联系的高矿化度地下水沿含水层向陆地方向运移，使咸淡水界面不断向陆地方向移动，从而使淡水资源咸化[1-2]。目前世界上很多国家沿海地区均发现有不同程度的水质咸化问题，给当地居民生活用水及经济发展造成极大危害[3-5]。长江口北翼滨海地区是中国较早发现海水入侵现象的沿海地区之一[6-8]，研究区皆为第四纪松散堆积物，堆积物成因以浅海三角洲、河湖相为主，并夹杂有浅海沉积物。地势呈现西北高东南低，有启海平原区、通吕水脊区和马蹄形海积平原区组成[9-11]（图1）。11世纪初，研究区大部分处在海平面之下（图1），不断接受长江和黄河沉积，逐渐形成现今海积地貌。研究区地面高程一般为2～4 m，每逢特大洪水及潮汛往往使广大地区置于高潮位之下；每年都有 4～5个月经受咸潮入侵[8、12]。研究区属于亚热带湿润季风气候，气候温和，雨量适中，每年的5～10月为丰水季节[12]，在全年降水量的80%左右，图2显示2000年至2008年各月平均降雨量[13]。随着近几年社会经济发展，沿海地区地下水开采量日益增加及地表水质污染，致使区域水质咸化程度加剧。三峡工程建设后，河水流速减缓，使河流水头压减小，使海水沿长江口向内上溯，使地下水质咸化，严重影响社会经济发展和人民生产生活[8]。本文选择长江口北翼滨海区为研究对象，依据国家海洋局第二海洋研究所2009年2月和8月两次在该区57孔民用井采取水样分析结果，重点探讨滨海地区枯水期（2月）和丰水期（8月）地下水水化学特征及变化规律，为该区地下水利用和保护提供科学依据。

1 水样采集与方法

1.1 采样方法

2009年2月、8月对长江口北滨海地区进行浅层地下水水质调查，筛选出 57口民用井进行水质取样(图1)，各井点基本上都为20世纪90年代后开挖的民用井，井深多为4～6 m。TDS现场采水样进行测定，样品在2天内采集完。用500 mL的聚乙烯瓶为采样瓶，采样瓶在取样前用蒸馏水清洗，再用所采水样润洗2-3次，用孔径0.45 μm的滤膜过滤后送至国土资源部杭州矿产资源监督检测中心进行水化学离子分析,基本上在2-3天内完成水样测试。

图1[9]长江口北翼滨海地区井点位置Fig.1[9]Location of the well in the coastal region of the northern changjiang

图2 2000年-2008年各月平均降雨量Fig.2 Average monthly rainfall distribution for study area from 2000 to 2008

1.2 测试项目、分析方法

测试项目包括：K+、Na+、Mg2+、Ca2+、、、、、Cl-和总溶解固体量(TDS)。其中：K+、Na+测试方法为火焰原子吸收分光光度法，精密度（K+±1.63%；Na+±0.58%）；Mg2+，Ca2+测定运用TU1810紫外可见分光光度计测定；、、、运用Leeman Prodigy全谱直读光谱仪（4001-D）测定；Cl-浓度测试方法为硝酸银滴定法；TDS现场运用DDBJ-350型便携式电导率仪现场测定，精密度为±1.0%。所有离子检测依据地下水质检验方法DZ/T0064（1-80）-93标准进行。检测温度控制在25℃，检测湿度在50% RH。

2 结果与讨论

2.1 滨海地区地下水水化学特征

变异系数（Cv）是通常用来表征水文变量长期变化的稳定程度。通常认为变异系数 0≤Cv≤10%时为弱变异，10%＜Cv≤100%为中等变异，当Cv＞100%为强变异[14]。通过对 2009年枯水季（2月）和丰水季（8月）地下水水样有关水化学值进行统计特征分析（表1），结果表明：(1)无论是枯水季节还是丰水季节，Ca2+、Mg2+绝对含量较低，而Na++K+绝对含量很高，占据阳离子总量60%以上；Cl-、+绝对含量很高，是区域内主要阴离子，反应了滨海地区除了受陆地淡水系统影响外，还受海水入侵影响。枯水季各离子浓度值均大于丰水期离子值，可能由于降雨量不同造成的（图2）；2009年2月份降雨量为20.6 mm，8月份降雨量为151 mm，加上区域内由西北向东南倾斜的地势，滨海地区浅层地下水离子浓度在地表径流作用下快速被稀释，相对丰水季（8月）含量降低。季节变化对浅层地下水水化学浓度含量影响较大。（2）Mg2+、Ca2+、、+变异系数相对较小，反应它们在含水层中含量相对稳定，同时也说明地下水咸化作用也较弱。+平均值为601.39 mg/L，标准差146.30 mg/L，而变异系数Cv只有24.33%，说明它在潜水中绝对含量较大，应作为浅水层主要阴离子。Na++K+、Cl-变异系数较大，反应它们在浅层水中含量变化大，是水体中对环境变化较为敏感的因子，是决定区域内水体咸化的主要因子。（3）浅层地下水TDS变异系数较大，说明水体中溶解物质含量变化较大。枯水期值大丰水期，反应它们在季节变化过程由于受降雨及含水层介质等因素影响。（4）一般情况下，纯海水各个组分浓度含量基本稳定，海水中浓度比为 0.0467，而该地区枯水季浓度平均值为0.2658，丰水季为0.3412，高浓度主要分布通州和吕四井点。S元素可能由于微生物循环造成，也有可能是由于人类生产生活污染造成的。浓度高低常用来做为地下水是否受人类活动影响造成地下水污染指标[15]。异常高的浓度值主要出现在吕四及通州区内靠近海岸的井点。高浓度的值表明这些井点附近受到禽畜污水、化肥等污染源污染。（5）运用Cl-为指标，判断该地区内水质好坏。枯水季（2月）Cl-平均值459.83 mg/L,标准差618.90 mg/L。雨季平均值为328.33 mg/L，标准差471.61 mg/L，枯水季水质差于丰水季，主要受降雨影响。

表1 监测井2009年2月和8月地下水水化学参数统计特征值Tab.1 Statistics eigenvalue of hydrochemical parameters of shallow groundwaters during the low - high water

2.2 滨海地区地下水离子水化学相关性分析

相关分析是研究两组变量间相互关系的一种数理统计方法[16]。相关系数是测定变量间相互依存程度的统计指标。本论文运用SPSS软件分析了2009年枯水期（2月）和丰水期（8月）研究区浅层地下水水化学参数，得到Pearson相关系数矩阵（表2）。分析结果表明：（1）研究区枯水季中Na++K+、Mg2+、Cl-与 TDS之间相关性较高，Ca2+、与 TDS相关性较低。丰水期除了 Mg2+、+与 TDS相关性较大外，其余离子与TDS相关性均较小。它们之间相互关系几乎无规律可循。主要原因是由于浅层地下水直接与外界环境相连接，处于一个相对开放的水体系统。除了受大气降水、地表径流、含水层岩性、孔隙度等自然因素影响外还受人工活动影响。枯水季节降雨量减少，同时河流入海径流量减少，导致地下水补给量不足，致使海水向陆入侵，加剧该地区浅层地下水水质咸化。（2）无论枯水期还是丰水期，Cl-和地下水主要离子 Na++K+、Mg2+、呈较强的相关性，表明该地区地下水化学成分明显受到海水入侵影响。Na++K+与Ca2+较差的相关性，主要是由于该地区正处于滨海海陆交界处，长期受海水和陆地淡水相互作用，很容易受外界环境影响造成含水层中水—岩离子发生交换[17]。当海水入侵到淡水含水层中时，阳离子按照下列模式发生交换，即Na++1/2Ca-X2 Na-X+1/2 Ca2+，陆淡水主要是通过 Ca2+使粘土和矿物颗粒上的负电荷达到饱和，而海咸水主要是通过Na+使粘土颗粒上的负电荷达到饱和。这些反应过程几乎是瞬时完成的。当淡水被海咸水取代时，固相放弃了吸附的Ca2+,部分的Mg2+,而用Na+或K+来代替[18-19]。也就是说，在淡水被海咸水代替时海咸水硬度升高了。而当海咸水被淡水取代时，固相放弃了吸附的Na+，被Ca2+和Mg2+所替换，这样淡水失去了Ca2+和Mg2+，海水入侵过程中阳离子交换基本是这样完成的。用T= Cl/HCO3来判断地下水是否受到海水入侵影响[18，20]，本文根据2月份数据进行海水入侵程度分类，T值范围在0.1-4.0之间，与浓度有较强的线性相关（图3）。将0≤T≤0.5为不受影响区，0.5≤T≤6.6为轻微影响区，T≥6.6为严重影响区[18,20]。该地区65%井点T值小于0.5，属于不受海水影响区；35%值介于0.5～6.6之间，属于海水轻微影响；并没有出现大于6.6值。结果表明滨海地区大部分地下淡水和海水之间并无明显交互现象。依据我国生活饮用水卫生标准（GB5749-85）和农田灌溉水质标准（GB5084-92）均要求氯化物含量不高于 250 mg/L[21～23]做标准判定是否遭受海水入侵，根据此标准，将有40%的井点受到海水入侵影响，其中1%左右井点属于严重影响, 基本都分布在距海岸最近地区。

图3 2月份浅层地下水 Cl-/HC比率与Cl-浓度关系Fig.3 Ionic ratio of Cl-/HCversus Cl-concentration in the groundwater in February

2.3 滨海地区地下水文化学特征变化规律

天然水域地下水化学特征主要由溶解、水—岩离子交换、水—气交换等因素决定。而靠近海岸带的滨海海水入侵地区，除了受以上因素影响外，还受到海水影响，海水侵染地下水系统，造成陆地淡水水头压发生变化，使沿海地区地下水系统遭受污染。从陆向海延伸过程地下水离子类型有如下变化规律：地下水由淡逐渐咸化，地下水系统中最明显的特征是水体中Cl-含量急剧增加[24]。另外Mg2+和在海水中含量也是比较高的，滨海地区地下水受海水入侵影响相应的Mg2+和SO42-含量增高。根据浅层地下水水化学类型Piper图（图3，图4）。从图中可以清晰的看出，①枯水期+毫克当量百分数多集中在 10%～80%之间，Cl-毫克当量百分数分布在 10%～80%之间，并有两部分集中分布，一部分集中在 20%～40%，另一部分在70%～80%左右。毫克当量百分数大部分少于20%。在丰水期（8月），+毫克当量百分比在 20%～70%之间，Cl-毫克当量百分数介于10%～80%之间，没有明显的两个相对集中区；毫克当量百分数介于 0～40%之间，Cl-浓度含量较高，说明该地区受到海水入侵影响；对比枯水期和丰水期各离子浓度含量变化，分析可知该地区接受大气降水量不同导致各离子含量变化（图2）。②由陆向海方向，浅层水化学类型变化很大，主要从Mg-Ca-HCO3、Na-Mg- HCO3型（TDS＜800 mg/L）向Mg-Ca-HCO3-Cl、Na-HCO3-Cl型（800 mg/L ≤ TDS ＜1 200 mg/L）转化，在靠近海岸部分地下水类型主要以Na-Cl、Na-SO4-Cl型（TDS≥1 200 mg/L）为主。

图4 枯水期（2月）浅层地下水水化学类型Fig.4 Piper diagram showing water chemistry of shallow groundwaters during the low water period

图5 丰水期（8月）浅层地下水水化学类型Fig.5 Piper diagram showing water chemistry of shallow groundwaters during the high water period

表2 监测井2009年2月、8月浅层地下水水化学参数相关系数矩阵Tab.2 Correlation matrices of hydrochemical parameters of shallow groundwaters during the low - high water period

这种化学类型转变模式可能是地下水化学成分受海水—淡水简单混合及阳离子交换所控制[17,26]。长江口北翼滨海平原区地势呈西北高东南低，在距海较远的淡水带，地下水径流条件较好，基本不受潮汐等海洋因素影响，地下水在含水层中停留时间短，水流交换迅速，含水层中的Na+、K+、Cl-等离子不断淋滤并不断被地下径流带走，离子以Mg2+、+、Ca2+等为主，形成低矿化度的Mg-Ca-HCO3、Na-Mg- HCO3型等地下水。在过渡区及海水入侵较为严重地区，受到潮汐、盐田、养殖塘等因素影响，造成这些区域内Cl-含量急剧增加，使含水层中Ca2+、Mg2+含量逐渐被Na+、K+等离子交换，出现Na-HCO3-Cl、Na-Mg- HCO3-Cl型地下水。③远离海岸的淡水带，地下水水化学类型季节性变化不明显，地下水形成和演变主要受岩性、降水等因素及各种物理化学作用控制；在过渡地带及海水入侵区地下水除了受降水、地表径流影响外，还受到人工养殖塘、盐田、潮汐等因素影响，人为的将海水引入地下水系统，枯水季降雨及径流流量减小，使地下水质呈现Na-Cl、Na-Cl-SO4型，在丰水季，降雨量及径流量增加，一定程度上缓解因人工引入海水造成地下水咸度增加的趋势，使水质类型呈现Na- HCO3-Cl型。

3结 论

通过对研究区浅层地下水水化学离子及特征研究分析可得出以下结论：

1 研究区不同月份浅层地下水TDS分析对比，认为研究区水化学类型变化复杂，受降水、地表径流等原因影响，丰水季（8月）地下水TDS含量轻度减弱，水质明显优于枯水季。

2 对枯水期和丰水期水离子特征对比分析，可知：Na++K+、Cl-属于强度变异，其余离子属于中度变异。降雨及地表径流是影响离子变异的主要原因。通州和吕四地区几个井点出现高浓度值表明该区明显受到人类活动影响。

3 由陆向海方向，研究区从Mg-Ca- HCO3、Na-Mg-HCO3型向Na-Cl、Na-Cl-SO4型演化。淡水地区地下水化学类型季节变化不明显。过渡带及海水入侵区地下水化学成分的形成和演变除了受降雨、岩性等方面影响外，还受人工养殖，盐田、潮汐等影响。

致谢：非常感谢国家海洋局第二海洋研究所海底科学实验室韩喜斌博士在论文写作中给予指导；感谢国家海洋局东海预报中心和上海市海洋局芦潮港海洋环境监测站工作人员在外业调查中给予帮助；感谢国土资源部杭州矿产资源监督检测中心化学实验室工作人员在水质化学分析中给予帮助。

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Preliminary study in geochemical characteristics of seawater intrusion in the coastal region north wing of the Yangtze River Estuary

QIAO Ji-guo1, LONG Jiang-ping1, XU Dong1, ZHOU gen-yuan2, ZHAI wan-lin1

（1.Lab of Submarine Geosciences, SOA, Second Institute of Oceanography，Hangzhou 310012, China; 2.East china sea forecast center of SOA, Shanghai 200081, China）

P736.4

A

1001-6932(2011)02-0200-06

2010-03-23；收修改稿日期：2010-05-30

“908”专项“海洋地质灾害调查与研究（908-01-ZH2）”、“海水入侵现状评价及防治对策研究”（908-02-03-05）。

乔吉果（1983-），男，硕士，主要从事海洋环境地质地球化学方面的研究。电子邮箱：jgqiao2010@163.com。