浅层地下水水化学特征与土体盐分相关性研究

2021-04-23龚绪龙苟富刚

水资源与水工程学报 2021年1期

李进，龚绪龙，刘彦，张岩，苟富刚，刘源

(1.江苏省地质调查研究院，江苏南京 210018；2.自然资源部地裂缝地质灾害重点试验室，江苏南京 210049)

1 研究背景

地下水与土体中的盐分紧密联系，地下水及土体盐分主要与地质条件、地层时代、历次海侵、灌溉条件等因素影响有关[1-2]。沿海地区浅层地下水和土体盐分由于受到大气降雨和农业灌溉的影响，盐分会逐渐降低，而当降雨不足、气候干旱时，地下水位下降，受毛细作用的影响，下部咸水中的盐分会返回地表[3-4]。在我国沿海地区，当地下水位较浅时，地下水TDS越高，土体盐度也越高，两者具有正相关性，地下水中的主要离子含量和土体中的离子含量基本相同[5]。由于受多次海侵的影响，南通地区浅层地下水多为咸水、盐水等，深层地下水主要以淡水为主，但随着人类大规模开采地下水，部分地区的深层地下水也发生了水质咸化的现象，主要是由于浅层地下水中的盐分越流补给到深层地下水中[6]。

由于地下水与土体一直在发生各种离子的交换作用，两者中主要离子的含量基本相同，因而具有相关性分析的前提条件。相关性分析在水文地球化学的研究中被广泛应用[7-10]，通过分析各指标之间的相关性，若得出的相关性系数越高，表明指标之间的内在关系越密切[11-15]。在得到多个指标之间的相关性系数后，需要表达某个指标与其他多个指标之间的关系时，可以采用多元线性回归分析，建立线性回归方程[16-17]。

在以往的研究中，以分析浅层地下水水化学为主，而分析土体盐分的较少，涉及到土体盐分的研究范围也多在潜水位波动带之内，其深度大多为3～4 m，而本次研究的钻孔深度达20～30 m，最深的钻孔HY41可达150 m，并且在研究范围上并非就某一场地或某个港口进行分析评价，而是对南通地区进行整体的分析评价。另外，在已有的研究成果中，单独分析地下水水化学的或者土体盐分的较多，而把这两个具有相关性的要素作为整体进行分析，并建立线性回归方程的较少，本文在详细分析220件土样和91件水样的基础上，对南通地区浅层地下水和土体盐分特征进行了系统分析，并建立了多个线性回归方程。

2 研究区概况

南通，江苏省地级市，位于江苏东南部，长江三角洲北翼，面积8 544 km2。东临黄海，南倚长江，有“江之尾、海之头”的地理位置，素有”江海门户“之称。该区属中纬度北亚热带湿润气候区，海洋性季风气候特征明显，四季分明，光照充足，气温温和，雨水充沛，无霜期长，春季天气多变，夏季多台风，秋季天高气爽，冬季多西北风，年平均气温15 ℃，年平均降水量1 030 mm，台风、冰雹、龙卷风为常见的灾害性气候。

南通是长江三角洲水文地质区的一部分，浅层地下水主要赋存在第四系松散岩类孔隙中，受沉积环境的影响在垂向具有显著的分层特征，地下水质变化主要受古海平面升降(海侵、海退)及人为因素的影响[18]。本次研究的浅层地下水主要为全新统潜水含水岩组，为冰后期堆积地层，以河口-滨海相为主，伴有河流、湖泊相堆积。含水砂层主要沿分支古河道、当代河口和滨海岸分布，受全新世海进的作用，含水岩组中堆积了淤泥质黏土和亚黏土，使其分为上部潜水含水层和下部微承压含水层。

3 样品采集与测试

为研究南通地区浅层地下水与土体盐分的相关性，分别于2015年9-10月和2017年5-6月在南通滨海地带布置了16口水文井，每口水文井均采集水样和土样，土样自上而下每隔2 m取1个，共采集16件水样和220件土样，另在其他浅层水文井中采集12件水样，在黄海采集3件海水样品，并收集了60组地下水质资料。研究区采样点分布位置和浅层地下水TDS等值线见图1。

4 浅层地下水的水化学特征

由图1可看出，南通地区浅层地下水由于受到全新世海侵的影响，TDS总体表现出西低东高的特征，并呈条带状分布。在西场-白蒲-兴仁-小海-海门一线以西的地区，TDS多为小于3 g/L的淡水和微咸水，面积约占研究区的1/3；往东到袁庄-岔河-四甲-悦来-南阳一带，TDS在3～10 g/L之间，为咸水，面积也约占1/3；再往东到洋口-丰利-三余-吕四-向阳-寅阳一带，TDS在10～15 g/L之间，水质较差，为盐水；最东部的滨海地带水质最差，TDS多大于15 g/L，最高可达26.64 g/L(南通通州湾)。由于南部浅层地下水受长江水的补给，发生淡化现象，因而在长江沿岸地带的TDS显著偏低，等值线向北偏移。

图1 研究区采样点分布位置及浅层地下水TDS等值线图

对本次采集的地下水水样测试结果进行统计分析，地下水水样主要离子质量浓度统计见表1，地下水水样水化学组分特征值统计见表2。由表1和2可看出，地下水水样中，含量最大的阳离子为Na+，其浓度平均值为4 572.57 mg/L，含量最大的阴离子为Cl-，其浓度平均值为8 691.78 mg/L，水化类型全部为Cl-—Na型；TDS在3 748～26 646 mg/L之间，平均值为15 059 mg/L；水样pH值在6.93～8.52之间，平均值为7.46，水质偏碱性。

表1 研究区地下水水样主要离子质量浓度统计表 mg/L

表2 研究区地下水水样水化学组分特征值统计表

28个地下水水样的水质按TDS大小分类可分为6个咸水(3～10 g/L)和22个盐水(10～50 g/L)，其中盐水居多。

表3 研究区地下水水化学组分相关性分析结果

5 土体的盐分特征

5.1 土体含盐特征

对采集的220个土样盐分化学组分特征值进行统计，结果见表4。由表4可知，土体中含量最大的阳离子为Na+，其含量在118～4 225 mg/kg之间，平均值为1 530.22 mg/kg；含量最大的阴离子为Cl-，其含量在108～6 515 mg/kg之间，平均值为2 310.55 mg/kg。总盐量在616～12 313 mg/kg之间，平均值为4 493.63 mg/kg。pH值在7.38～9.84之间，平均值为8.24，呈碱性。

表4 研究区土体土样盐分化学组分特征值统计表

根据盐渍土的定义：对易溶盐含量大于0.3%，且具有溶馅、盐胀、腐蚀等特性的土[19-20]，土样中有154个盐渍土，66个非盐渍土。盐渍土按含盐化学成分分类，c(Cl-)/2c(SO42-)比值在3.71～44.80之间，平均值为12.31，全部为氯盐渍土；非盐渍土的c(Cl-)/2c(SO42-)比值在0.47～28.52之间，平均值为11.18，表明非盐渍土中所含盐分也主要为氯盐。按含盐量分类，土样中有弱盐渍土66个，中盐渍土10个，以弱盐渍土为主。

表5 研究区土体易溶盐化学组分相关性分析结果

5.2 土体盐分分布特征

由于研究区内地形地貌、地下水质、海侵范围等各不相同，土体盐分特征与地下水相似，也存在水平和垂直向的差异。为此布置了一条勘探线，自西向东依次为HY42、HY20、HY19、HY18采样点，位于西部海门镇附近的HY42土体的各离子含量和总盐量均为最小，HY42位于长江附近，除受海水的影响较小外，还受到长江水的补给、稀释作用，各盐分含量较小；位于东部启东寅阳镇附近的HY20、HY19、HY18，由于受海水的影响，其土体中各离子含量和总盐量逐渐增大。该4个特征采样点土体盐分化学组分统计见表6，各采样点土体总盐量随深度的变化见图2。

表6 4个特征采样点土体盐分化学组分统计表

图2 4个特征采样点土体总盐量随深度的变化

图3 HY15和HY16采样点土体主要化学组分含量随深度的变化规律

6 线性预测模型的建立与应用

6.1 土体盐分与地下水化学组分相关性分析

表7 研究区土体与地下水主要化学组分含量平均值 %

以上分析表明，土体与地下水中离子含量有显著的相关性，通过计算相关系数进一步定量分析土体易溶盐与地下水化学组分各离子的相关性，结果及表8。由表8可看出，土体中的K+、Na+、Cl-、SO42-与地下水中的K+、Na+、Cl-、SO42-相关性系数分别为0.782、0.720、0.712和0.693，相关程度都很高。地下水的TDS与土体的总盐量、K+、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-的相关性也很高，相关性系数分别为0.735、0.812、0.714、0.714、0.741和0.835。与K+、Cl-、SO42-在0.01水平上显著相关，与总盐量、Na+、Mg2+在0.05水平上显著相关。

6.2 建立预测模型

通过相关性分析可知，土体的盐分含量与地下水TDS存在线性相关性，因此可以建立数学模型来预测土体的总盐量SSC和地下水TDS值。TDS与总盐量SSC、K+、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-这6个指标的相关性高(表8)，可以建立TDS的多元线性回归预测模型。

表8 研究区土体易溶盐与地下水化学组分的相关系数

利用SPSS软件的统计分析功能建立了7个TDS与土体参数的线性回归方程，见表9。由表9可知，这7个方程的回归模型预测效果良好，相关系数平均值达0.839，最大值为0.935，F显著性统计量平均值为0.0125，小于0.05，最小值仅为0.006；利用7个回归预测方程，对南通地区的地下水TDS进行预测，预测准确率的平均值达到了88.93%，准确率最大值为公式(3)，达90.62%，表明TDS与土中的K+、Cl-、SO42-浓度关系最为密切，主要是由于土体中K+、Cl-很稳定，不易被转化。