山东省日照沿海浅层地下水化学特征与成因探讨

高宗军，张洪英，孙梦醒，徐红兵，姚东旭

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.青岛地质工程勘察院，山东 青岛 266071)

山东省日照沿海浅层地下水化学特征与成因探讨

高宗军1，张洪英1，孙梦醒1，徐红兵2，姚东旭1

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.青岛地质工程勘察院，山东 青岛 266071)

日照地处山东省东南沿海，浅层地下水类型为第四系松散岩类孔隙水与基岩裂隙水。通过对日照市浅层地下水1984～1992年与2013年水化学资料进行分析对比，结果显示，从1980年以来，日常市浅层地下水水化学特征发生巨大变化，由HCO3型或HCO3·Cl型为主逐渐转化为NO3-、SO42-型，出现NO3-Ca·Na型水和NO3·SO4型水等更复杂类型地下水。且靠近沿海区域的地下水Cl-离子含量相对较高。分析认为，该特征形成原因是东南季风携带了海水气溶胶干降或随降水湿降所致。该区近年来硫酸盐及硝酸盐污染急剧加重，致使浅层地下水中的硫酸根含量剧增，使地下水水质受到严重污染，应引起足够重视。

沿海；浅层地下水；氯离子含量；东南风；海水气溶胶

地下水[1]是一种天然溶液，其物质组成是所处地质环境的直接反映[2]。影响地下水化学性质的因素包括自然和人类活动两个方面[3]，自然因素包括气候、水文、地理、地貌等，人类活动主要的表现形式就是工农业生产以及生活对包括气候在内的自然环境的改变，特别是对微地形地貌、地表水文与浅层土壤及水环境的改变，如工农业及居住用地及工农业污染物排放等，将直接造成地下水化学性质变化。地下水水化学类型是地下水化学成分的集中反映，是地下水水文地球化学特征研究的重要内容[4]，可以示踪地下水的循环途径同时反映地下水流动特征。随着地下水污染的日益加重[5-6]，国内外学者对于地下水水化学的研究越来越重视[7-13]。这里仅就沿海地区浅层地下水(未进行地下水类型划分)水化学成分中出现较高的Cl-离子含量进行了成因探讨，认为其形成原因应该是东南季风携带大量海水气溶胶干降或随降水湿降所致。

1 日照市概况

日照[14]位于山东半岛南翼，东临黄海，海岸线长98.77 km (图1)。属暖温带半潮湿季风气候区，四季分明。年均降水量826.8 mm，蒸发量1 299.0 mm。降水多集中在夏秋季，常伴以南风、东南风；冬季干旱少雨。日照地区从东向西地形基本呈海滨平原—低山丘陵—山间盆地分布，以中部的北东—南西向低山群为界，西部为莒县盆地，东部为向黄海倾斜的低山丘陵—海滨平原区(图2)。

根据地下水赋存条件、含水层性质及水力特征，日照市地下水类型可分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水及基岩裂隙水等，靠近沿海地区，地下水类型主要为松散盐类孔隙水及基岩裂隙水两种类型，相互水力联系密切，目前开发利用强度较低，它们的补径排条件依然保持着近天然的裂隙水补给孔隙水的状态。研究发现，不同类型地下水的水化学特征具有一致性或连续性，加之其埋藏条件较浅，因而本次把各类地下水统称为浅层地下水。

图1 日照市交通位置图

图2 日照市地形及分水岭分布示意图

图3 1984-1992年地下水水化学图

2 沿海浅层地下水化学特征

利用1984-1992年浅层地下水的水质分析资料所做的水化学类型图(图3)可以看出，日照市浅层地下水的水化学类型主要以HCO3型或HCO3·Cl型为主，其中HCO3型主要分布于当地分水岭以西的五莲县和莒县境内，HCO3·Cl型或Cl·HCO3型主要分布于日照东部沿海地区，靠近海岸则主要为Cl型。这就说明，在分水岭以东的沿海地带，浅层地下水中Cl-含量较高。

表1 1984年-1992年部分日照沿海浅层地下水库尔洛夫式统计表

说明：为示读方便，本表对库尔洛夫式中各种离子的化学符号做了简化：分子中的阴离子，C表示Cl-，H表示HCO3-，S表示SO42-；分母中的阳离子，C表示Ca2+，N表示Na+，M表示Mg2+

然而，由表1可见，1984-1992年期间浅层地下水的矿化度不高，绝大部分低于0.3 g/L，这与内陆地区大部分近天然状态的浅层地下水是相一致的，所不同的是其Cl离子含量相对要高的多。

1994年-2005年的十余年间，是日照市作为地级市发展进入最快期，浅层地下水的水化学变化也呈现快速变化(表2)。位于日照市最大河流的中上游日照水库之下的小代疃村地下水TDS增加1倍，硝酸根含量从无到有，并逐渐上升到第一位，其Cl-相对含量一直保持较高水平。

表2 小代疃村浅层地下水1994-2004库尔洛夫式统计表

由2013年在全区开展了地下水污染调查，所采得的浅层地下水水化学分析结果(图4，表3)可以看出：靠近海边的局部区域，分布有小范围的Cl型及Cl·HCO3型水；其外围、稍远离海边较大面积分布的是HCO3·SO4或HCO3·Cl型水；甚至在分水岭东侧，出现了条带状分布的NO3-型或NO3·SO4型或NO3·HCO3型水，即有相当部分浅层地下水中硝酸根的相对含量已经超过了其它的阴离子。

图4 2013年地下水水化学图

样号库尔洛夫式样号库尔洛夫式样号库尔洛夫式WRY01DM0．70N42C27S17H14C52N30M18WRY16LM0．69N42C27S19H13C53N34M14WRY-17M0．46N39S24C21H17C51M24N24WRY-20M0．39S28N28H22C22C48N26M24WRY-29M0．25S33N28H20C19C51M25N24WRY33M0．30N47H23C16S15C49N30M20WRY37TM0．52C39N30S16H15N45C39M16WRY-40M1．09N40H25C23S19C46NH23N21WRY-47M0．70N34C30H25S11C57M22N21WRY-49M0．64N35S23C22H20C48M34N18符号意义同表1

显然，与20世纪八九十年代相比，2013年日照市浅层地下水的水化学类型中除了保持了足够多的Cl-以外，还大量出现了NO3-、SO42-。与之相对应，阳离子则基本保持了Ca·Na或Ca·mg或Ca·Na·Mg类型(表3)，Ca离子保持着巨大的优势。尽管水化学成分相对含量发生了巨大变化，大部分地下水的矿化度也提高了一倍，但是依然保持在较低的水平(表3)，处于0.3～0.7 g/L之间，仅个别达到了1 g/L以上。

3 讨论

通过以上可以看出，日照市浅层地下水具有与内陆地区显著的水化学差异，其显著的特征主要有二：(1)靠近沿海区域的浅层地下水中氯离子含量相对较高，即便在地下水的矿化程度较低、其TDS低于0.3 g/L的时候也是这样；(2)1990年以来，全市浅层地下水的类型发生了巨大变化，由HCO3型(当地分水岭以西，远离海边)或HCO3·Cl型(当地分水岭以东，靠近海边)为主，转化为NO3-、SO42-相对含量逐渐快速增加，在水化学类型中参与命名，并且有的已经占绝对优势，如出现了NO3-Ca·Na型水、NO3·SO4型水等或更复杂类型的水。经调查与研究，发现其成因如下：

3.1 海水汽沉降造成沿海区域浅层地下水氯离子相对含量偏高

通常认为地下水中Cl浓度的改变只是由于蒸发浓缩、原始降雨补给地下水，和地下水中不同浓度的Cl混合，或者基岩裂隙水中Cl的弥散作用而受到影响。一般情况下，Cl型水多出现在盐碱地区或者高矿化度的地下水中，盐碱地区由于蒸发浓缩作用强烈，地下水中的盐分不断聚集，最终导致Cl含量较高；深层地下水中，由于地下水的不断运动，其矿化度逐渐升高，通常从补给区到排泄区地下水化学类型的变化规律为：HCO3--SO42--Cl，因此盐碱地和排泄区的地下水多为Cl型水。但是日照市相反，其矿化度并不高，但是其氯离子的相对含量却较高。

日照市浅层地下水的主要来源是大气降水，尤其是在广泛分布于的低山丘陵区。众所周知，雨水的化学成分决定于水蒸汽和水汽的来源。由于该区东部沿海区域受到中部低山(当地分水岭)的阻隔，与西部内陆区域大气循环减弱，特别是雨季，该处东南季风发育，所以沿海地区降水主要来源于东部海洋海水的蒸发作用形成的蒸汽(图5)。

在海洋上空，水蒸气大多数来自于海水的蒸发，水汽类似于被强烈稀释的海水，其氯化物的浓度可达到10～15 mg/L。特别是海岸带上空，水汽中包含了大量海浪破碎或海水表面气泡突然破裂时产生的由小液滴组成的海洋气溶胶，其最大的微粒直径可超过10 μm，并仍保留着接近海水的成分，即含有海盐，因而其组分与海水相似。

海风带来的海水汽形成的降水的补给，是造成沿海区域浅层地下水氯离子相对含量偏高的主要原因。即使在天然或近天然条件下，由于其补给的来源含有大量的含有海盐成分的海水汽，浅层地下水的循环速度快，因而矿化程度较低，但是其氯离子含量却普遍相对偏高。

图5 降水形成模拟图

3.2 人类活动对地质环境的影响是造成水化学性质急剧变化的根源

与我国的其它沿海地区一样，沿海的日照市改革开放以来，工农业发展十分迅速，城市化进程突飞猛进，但是也带来了对地质环境的严重影响，尤其是对环境的污染。

根据1978年至2013年统计数据，当地的农业有效灌溉面积由1978年的90 094 hm2增加到2011年的最高值120 220 hm2，有效灌溉面积增加了1.3倍，随后有所下降；化肥使用量由1978年的107 599 t(折纯量46 606 t)增加到2006年最高的425 187 t(折纯量159 996 t)，化肥使用量增加了3.95倍(之后化肥施用量有下降趋势)(图6)。由此看出，在有效灌溉面积耕地增长有限的的情况下，化肥使用量增加的幅度较大，说明目前的农业对化肥的依赖越来越强，当然对环境的氮污染加重就成为必然。

图6 日照市历年有效灌溉面积与化肥施用量曲线图

至于浅层地下水中硫酸盐的污染，该市与淮河以北的城市一样，工业、发电、取暖等都离不开燃煤。而燃煤中含有大量的硫，致使空气中弥漫着大量的硫化物(即由当地形成的，也有内陆地区飘移来的)，通过大气干降和降水湿降灯形式落到地面，然后随着降水入渗一同进入地下，氧化为硫酸根，这就是造成该区浅层地下水中硫酸根含量增加的主要原因。

4 结语

(1)沿海浅层地下水受海水汽形成的降水补给影响而呈现较高的氯离子含量。日照市靠近东南沿海，其北东向展布的低山丘陵构成了本区的分水岭，致使其东西两侧的浅层地下水的水化学性质也出现了差异。位于分水岭东部的靠近海边的沿海地区，浅层地下水中的氯离子含量较高，即使是在近天然状态的20世纪八九十年代，其矿化程度较低，TDS约为0.2～0.3 g/L时，其氯离子相对含量也较高，与内陆同等矿化程度的、分布于低山丘陵区的浅层地下水大多含有较低的氯离子是截然不同的。研究发现，这是由于当地雨季东南季风将含有大量海水气溶胶的海水汽携带到陆地，遇低山受阻形成局部降水，从而补给浅层地下水的缘故。

(2)过渡施用氮肥导致浅层地下水硝酸根含量猛增，燃含硫煤导致浅层地下水硫酸根含量升高。从1980年至今，日照市浅层地下水的水化学性质发生了巨大变化：由HCO3型(当地分水岭以西，远离海边)或HCO3·Cl型(当地分水岭以东，靠近海边)为主，转化为NO3-、SO42-相对含量逐渐快速增加，在水化学类型中参与命名，并且有的已经占绝对优势，如出现了NO3-Ca·Na型水、NO3·SO4型水等或更复杂类型。研究认为，其硝酸盐含量增加，是由于农业大量使用氮肥的结果；而硫酸盐含量的增加，源于当地及内陆地区大量燃烧含硫份较高的煤炭，使得大气中的大量硫份以大气干降或降水湿降的形式落到地面，再随着大气降水入渗进入地下，经过不断氧化形成稳定的硫酸盐，致使浅层地下水中的硫酸根含量剧增。

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The chemical characteristics and causes of shallow groundwater in the Rizhao coastal area of Shandong province are discussed

GAO Zong-jun1, ZHANG Hong-ying1, SUN Meng-xing1, XU Hong-bing2, YAO Dong-xu1

(1.Shandong University of Science and Technology School of Earth Science and Engineering，Shandong Qingdao 266590;2.Qingdao Geological Engineering Investigation Institute，Shandong Qingdao 266071)

The Rizhao is located along the southeastern coast of Shandong province, and the shallow groundwater type is the fourth line of the loose rock pore water and the rock crack water. The analysis and comparison of water chemical data from 1984-1992 and 2013 were shown that, since 1980,a great change of the shallow groundwater hydrochemical characteristics in Rizhao, by mainly HCO3type or HCO3Cl type gradually transformed to NO3-, SO42-, NO3-Ca·Na water and NO3SO4type water more complex types of groundwater. And near the coastal area of groundwater, Cl-content is relatively high. The analysis suggests that this feature is caused by the fact that the southeast monsoon carries seawater aerosols dry or is caused by the decrease with precipitation. In recent years, the pollution of sulfate and nitrate has increased sharply, which results in a sharp increase of sulfate content in shallow groundwater and seriously polluted groundwater quality, which should be paid enough attention to.

coastal; shallow ground water; chloride ion content; the southeast wind; the seawater aerosol

2017-03-23

山东半岛蓝色经济区(日照部分)1:10万地下水污染调查评价

高宗军(1964-)，男，山东泰安人，教授，主要从事水文地质环境地质等教学研究。

P641.12

A

1004-1184(2017)04-0001-04