山东省海岸带地下水环境动态演化特征研究

李波　关琴　林广奇　张海林　张翼飞

摘要：为研究山东省海岸带的地下水环境特征，依据山东省海岸带不同类型地下水监测数据，结合区域水文地质条件，从地下水动力场和地下水水化学场两个方面开展了分析。结果表明：地下水水位动态变化与大气降水呈正相关关系，同时还受地形地貌、地下水开采强度等因素制约；地下水水化学特征由中低山丘陵区向滨海区呈现分带性；近40 a来，阴离子HCO-3含量逐渐降低，Cl-含量逐渐升高，阳离子Ca2+、Mg2+含量逐渐降低，Na+含量逐渐升高；水化学动态特征主要受自然因素和人类活动的影响，受人类活动影响更为明显。

关 键 词：地下水环境； 水位动态变化； 水化学特征； 海岸带； 山东省

中图法分类号： P641.3

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.007

0 引 言

海岸带是人类开发强度最大的地区之一，因地域上的重要性及所具有的独特海陆相互作用环境特点，使其成为目前全球研究关注度最高的地理区带［1-4］。自20世纪90年代以来，中国在海岸带地区开展了大量水工环地质、海洋地质、地质资源、水土环境等调查研究工作［5-10］，如全国海岸带和滩涂资源调查、河口与陆架地球化学研究、海洋地质保障工程专项计划及海陆域不同比例尺调查工作等。开展海岸带地质环境工作可为海岸带基础设施规划建设和生态环境保护提供精准服务。

山东省是海洋大省，全省海岸线全长约3 345 km，占全国海岸线1/6，居全国第二位［11-13］。海岸带区域经济社会发达，在全省经济社会发展中占有极其重要的地位。随着经济、工业化及城镇水平的加速发展，各种外界因素加速地下水环境演变，不同程度的地质环境问题突显，制约着社会经济高质量发展［14-15］。地下水环境特征可以反映地下水系统在自然因素和人为因素影响下，地质环境在空间内质与量的变化结果，而人为因素对地下水环境的影响更为明显［16］。目前，对山东省海岸带地下水水环境特征研究多数集中在黄河河口、大沽河河口等个别重要河口地带，缺少区域整体研究。本文基于多年来在山东省海岸带开展的地下水监测工作，分析区内水文地质条件及地下水水化学、水位数据，总结归纳海岸带地下水环境特征，可为海岸带地区规划建设与生态环境保护、修复提供重要地质依据。

1 研究区概况

1.1 地理位置

研究区范围自海岸线向陆域及海域各延伸20 km，总面积约46 290 km2，其中，陆域面积约22 440 km2，海域面积约23 850 km2，涉及滨州市、东营市、潍坊市、烟台市、威海市、青岛市、日照市等7个城市。极值地理坐标为东经117°34′28″～122°53′55″，北纬34°58′32″～38°22′07″。

研究区地处暖温带季风型大陆性气候区，四季分明，气候温和，多年平均气温11.1～14.5 ℃，1月最冷，最低气温－23.3 ℃，7月最热，最高气温达41.9 ℃。区内各地市降水量分配不均，2020年沿海7城市平均降水量539.4 mm，其中东营、滨州、日照、潍坊四市降水量较高，威海、烟台、青岛三市降水量较低。

区内河流主要有黄河、马颊河、徒骇河、小清河、弥河、白浪河、潍河、大沽河、五龙河、母猪河、大沽夹河、黄水河、沁水河、胶莱河等。自然河流大多发源于丘陵山区，流入大海，大部分河流属间歇雨源型河流。

1.2 水文地质条件

1.2.1 含水岩组分布特征

根据含水层岩性及地下水赋存条件不同，区内含水岩组可划分为松散岩类孔隙含水岩组、碎屑岩类孔隙-裂隙含水岩组、碳酸盐岩类裂隙-岩溶含水岩组、岩浆岩类裂隙含水岩组和变质岩类裂隙含水岩组5种类型（见图1）。

松散岩类孔隙含水岩组分布于鲁西北平原及鲁东低山丘陵的山间河谷等地；由山前到平原到滨海，含水层结构由简单到复杂，变化规律明显［17］。

碎屑岩类孔隙-裂隙含水岩组出露于胶莱盆地东南沿海地区，

含水层岩性为古近系、白垩系、侏罗系及二叠系砂岩、页岩、砾岩，裂隙不发育，弱富水，单井出水量一般小于100 m3/d。碳酸盐岩类裂隙-岩溶含水岩组主要分布在烟台莱州虎头崖镇、蓬莱潮水镇、福山八角地区及莱山区等地，含水层岩性为元古界粉子山群白云大理岩，岩溶裂隙发育不均，富水性差异较大。岩浆岩类裂隙含水岩组多分布于胶东半岛丘陵山区，含水层岩性以中生代花岗岩、正长岩、闪长岩为主；地下水赋存于构造裂隙和风化裂隙之中，弱富水性。变质岩类裂隙含水岩组广布于鲁东丘陵山区，受岩性、地貌、构造等因素控制，地下水赋存在胶东群变粒岩、斜长角闪岩、片岩风化裂隙、构造裂隙中，主要以潜水形式存在［18-19］。

1.2.2 地下水補给、径流、排泄条件

依据水文地质条件及地下水运动规律，结合地形地貌等因素，研究区可分为鲁西北平原区和鲁东低山丘陵区［20］。大气降水是区内地下水主要补给来源，其次为河流侧渗、灌溉回渗补给，沿海地区还可接受潮汐海水补给。在鲁西北平原区，因地形平坦，水力坡度小，地下水径流滞缓，整体向北东沿海方向径流；在鲁东、南部低山丘陵区，受地形起伏变化影响，地下水径流与地形坡向大体一致，向地势低处径流。区内地下水排泄方式主要为人工开采与蒸发，山间沟谷地带可见泉排泄。

1.3 样品采集与分析

本次地下水水化学分析数据来自山东省地质矿产勘查开发局对研究区内不同类型地下水多年水质监测结果（1980～2020年）。水样严格根据GB 12998-1991《水样采样技术指导》进行采集、保存和运送。样品测试由具有检测资质的山东省地矿工程勘察院实验室完成，主检仪器有原子吸收分光光度计（TAS-990）、原子荧光光度计（PF51）、紫外可见分光光度计（TU-1810），主检依据包括DZ/T 0064-93，GB/T 5750-2006，GB 8538-2016。选取处于地下水补给、径流、排泄区域的8处典型监测点数据进行分析。

2 地下水环境特征分析

地下水环境特征主要包括地下水动力条件和地下水水化学条件两个方面，两者相互影响、相互体现［21-22］。本文结合山东省海岸带各地市监测点近40 a来水位、水质长期监测数据，分别进行阐述分析（由于1980～1990年的部分数据缺失，后续分析中部分指标在这10 a的数据不全）。

2.1 地下水动力条件特征分析

地下水水位是直接表征地下水动力条件的重要参数，主要受气象、水文、人类活动等多因素影响［23］。区内不同类型地下水受不同因素制约，水位动态变化也不尽相同。

（1） 松散岩类孔隙水。

在鲁西北平原区，滨州、东营北部为渤海海岸带。区内主要为浅层咸水区，地下水开发利用程度较低，地下水动态呈现降水-蒸发型，多年水位动态稳定，整体变幅在0～2 m（见图2）。在鲁东丘陵区，孔隙水为重要供水地下水类型，地下水位受开采量影响明显。在河流中上游山间河谷段，孔隙水处于动态平衡状态，水位埋深在3～5 m，水位与大气降水关系紧密，丰水期水位迅速回升，枯水期水位回落；在河流下游及滨海区，孔隙水受降水、开采强度双重制约，具有降水渗入-开采径流型特点，水位有缓慢下降的发展趋势（见图3）。

（2）裂隙水。

裂隙水为鲁东地区分布面积最广地下水，主要包括岩浆岩裂隙水、变质岩裂隙水，赋存于基岩风化裂隙、构造裂隙之中。受含水介质自身性质制约，地下水水位动态演化趋势主要受控于大气降水。由于地形、地貌及地质条件的不同，不同地区裂隙水水位多年动态变化有一定区别。

在中、低山丘陵区，因地形相对较高，近地表风化裂隙充填较差，透水性好，且地下水水力坡度较大，含水层能迅速接受大气降水补给。多年水位动态出现周期性升降，其变化幅度与降水量大小密切相关，水位变幅在2.0～3.5 m，水位变化曲线为陡升陡降型（见图4）。

在山前地带，地形相对较低，地下水水力坡度小，含水层透水性及径流条件差，地下水补给主要来源于大气降水入渗，较中低山地区呈现一定的滞后性。地下水水位变幅在2～3 m，受开采程度影响较小，水位变化曲线为缓升缓降型（见图5）。

（3）岩溶裂隙水。

岩溶裂隙水在鲁东地区分布具有不均匀性，一般呈块状分布。岩溶裂隙水接受大气降水、上游边缘地下水径流及地表水的补给，水位动态变化对降水量反应较为敏感，与降水量呈正向相关关系，受开发利用影响较小（见图6）。

2.2 地下水水化学特征分析

地下水的化学成分与浓度是在长期地质历史发展过程中，经溶滤、阴阳离子交替-吸附和蒸发浓缩等作用的结果［24-26］。在天然条件下，地下水化学组分按一定规律分布形成天然水化学场。人为的干扰会增加某些新的化学组分，原有组分及含量被打破，地下水地球化学环境发生变化［27］。

2.2.1 地下水水化学特征

（1） 松散岩类孔隙水。

在鲁西北平原海岸带一线，主要为浅层咸水区。水化学类型多为Cl型水，矿化度大于3 000 mg/L，总硬度跨越性也较大，都在650 mg/L以上。在鲁东海岸带地区，孔隙水以陆相溶滤水为主，近海洼地及河口地带为海相、海陆交互相沉积水；以烟台市孔隙水为例，水化学特征多年变化稳定，阴离子以HCO3型、HCO3·Cl型为主，阳离子以Ca2+、Na+为主（见图7）。另外，依据取样点位置不同，水化学还表现出水平分带性，从低山丘陵到滨海平原依次为HCO3-Ca·Mg型水、HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg·Na型水、Cl·HCO3-Ca·Na型水、Cl-Na型水。

（2）裂隙水。

裂隙水水化学类型较多，可分为HCO3型、HCO3·Cl型、Cl·HCO3型、Cl型与SO4型水。HCO3、HCO3·Cl型水约占监测点总数的85%，主要分布在中低山丘陵区及河谷地带，水化学以溶滤作用为主；在滨海地带及河流中下游，地形趋于平缓，径流速度变慢，水循环条件变差，水化学以浓缩作用为主，水化学类型主要为Cl型、SO4型。裂隙水阳离子以Ca2+、Na+为主。

（3） 岩溶裂隙水。

水化学类型一般为HCO3-Ca（Mg）型水，溶解性总固体多小于0.5 g/L，总硬度一般在250～400 mg/L。栖霞中桥、福山高疃西及张格庄碳酸盐岩发育地区，是本区岩溶裂隙水的主要分布地区，HCO3-、Ca2+、Mg2+来自于母岩成份的溶滤。

2.2.2 地下水水化学演化分析

（1） 松散岩类孔隙水。

在鲁西北平原区，孔隙水主要为咸水，地下水开采程度低。从图8可以看出，矿化度年際变化幅度较大，总体变化趋势为上升，其他离子变化幅度较小，总体保持动态稳定。2019年与监测初始年（1989年）数据对比发现，矿化度升高了2 358.69 mg/L，个别年份（2004年、2005年）矿化度达到了5 000 mg/L以上，为多年平均值（2 450 mg/L）的2.4倍；总硬度、氯离子和硫酸根离子含量变化幅度不大，总硬度多年平均值为844.3 mg/L，个别年份达到了2 000 mg/L，氯离子和硫酸根离子含量多年平均值分别为678.9 mg/L和516.3 mg/L，个别年份均超过1 300 mg/L。

在鲁东地区，孔隙水为重要地下水资源，水化学动态同时受气象和人为因素综合影响。在山间河谷径流区，人类活动活跃，地下水开发利用程度高。从图9可以看出，各主要离子成份含量基本上保持上升趋势。监测数据显示，2011～2019年主要阴离子成份中，Cl-含量为1994年的2.13～2.18倍，SO2-4含量为1994年的3.86～4.00倍，NO-3含量为1994年的18.33～18.64倍，HCO-3含量为1994年的1.28～1.33倍；主要阳离子成分含量升高2倍左右，溶解性总固体和总硬度升高2倍。

在滨海平原排泄区及河流中下游地区，各主要离子组分含量表现出动态平衡状态（见图10）。监测数据显示，2011～2019年主要阴离子成分中Cl-含量为1985年的1.91～2.68倍，SO2-4含量为1995年的0.43～1.17倍，NO-3含量为1995年的2.18～3.79倍，HCO-3含量为1985年的0.93～1.18倍；主要阳离子成分含量升高1.5倍左右，溶解性总固体和总硬度升高1.5倍。

从径流区到排泄区离子含量浓度升高可以看出，孔隙水受人类活动影响明显，其主要原因为区域农业发展导致农药、化肥施用量增加，致使地下水化学动态发生上述变化。

（2）裂隙水。

裂隙水径流与排泄条件较好，是区内孔隙水补给来源之一。水化学动态受控于基岩岩性、气象、水文、地形及人为因素。1984～2019年，水中各主要组份含量基本穩定（见图11）。除Cl-和溶解性总固体含量略有下降外，其余组份均有不同程度上升，各种离子含量多年变幅一般小于50 mg/L，地下水矿化度多年变幅小于0.2 g/L，升幅一般不超过20%。但SO2-4、NO-3升幅较大，分别达2.28倍、2.63倍，表明人为污染在裂隙水分布区有所加重。

（3）岩溶裂隙水。

岩溶裂隙水水化学动态主要受气象和人为两方面因素控制。自1986年至2019年，水中各主要离子组分含量呈上升趋势，但以SO2-4、NO-3升幅最为显著（见图12）。SO2-4和NO-3含量分别上升2.56倍和5.94倍。岩溶裂隙水水化学动态随降水量变化而呈现规律波动，丰水期各特征组分含量降低，枯水期升高，近5 a来水中各离子含量与1987年相比呈现上升趋势，水质变差，受人为污染影响加重。

3 讨论与分析

海洋经济是山东省社会经济发展的重要组成部分，近20 a来，山东省海洋经济迅猛发展，2019年全省海洋产业产值占全省地区生产总值的20%。随着海岸带社会经济发展迅速，地下水环境已出现不同程度演变，产生了海水入侵、地下水超采漏斗、水质污染等一系列环境地质问题。山东省在20世纪80年代已开始了地下水长期监测工作，取得了一系列长期水位、水质监测数据。为分析研究山东省海岸带地下水环境特征情况，本文选取海岸带内典型监测数据进行了分析研究。

通过水位、水质多年变化曲线可以看出，在人类活动强烈区域及地下水排泄区，地下水水位普遍出现不同程度下降，其主要影响因子为人类开采，不同类型地下水受大气降水补给影响略有差异；地下水各离子组分出现不同程度上升，特别是硝酸盐、硫酸根离子上升明显。在地下水补给区、径流区，受地形地势、径流条件、人类活动弱等因素影响，地下水环境变化相对较弱，总体呈现原生状态，水位、离子含量也较为稳定。

综上所述，山东省海岸带地下水环境随着社会经济发展已不同程度变差，产生了一系列环境地质问题。为了海岸带区域生态环境高质量发展，必须对地下水开采进行合理规划、加大地下水环境保护力度，确保社会经济与地下水环境可持续发展。

4 结 论

（1） 山东省海岸带地下水水位动态变化主要受大气降水、地形地貌、人类开采等因素影响。在鲁西北平原区，浅层孔隙水为咸水，地下水开发利用程度低，地下水呈降水-蒸发型，多年水位动态稳定。在鲁东地区，孔隙水呈降水渗入-开采径流型，人工开采致使水位下降作用表现突出，水位有缓慢下降的趋势；裂隙水在中低山丘陵区呈陡升陡降型的水位动态变化，而在山前地区呈现缓升缓降型变化，水位与降水相比呈一定滞后性；岩溶裂隙水对降水反应敏感，呈正相关关系。

（2） 在地下水水化学特征方面，不同类型地下水水化学特征略有差异。孔隙水在鲁西地区多为Cl型水，水化学动态变化基本稳定，在鲁东地区，呈现出分带性，水化学类型从低山丘陵区到滨海平原区依次为HCO3-Ca·Mg型水、HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg·Na型水、Cl·HCO3-Ca·Na型水、Cl-Na型水。阴离子中HCO3-含量逐渐降低，Cl-含量逐渐升高；阳离子中Ca2+、Mg2+含量逐渐降低，Na+的含量逐渐升高；总硬度、溶解性总固体也逐渐增高。岩溶水和裂隙水水化学类型以HCO3-Ca（Mg）、HCO3·Cl-Ca·Mg（Na）水为主，受自然因素和人类活动影响，各主要离子组份含量呈上升趋势，但以SO42-、NO3-升幅最为显著。

（3） 综合对近40 a来海岸带水位、水质监测数据的分析，发现在现状综合因素作用下，山东省海岸带地下水环境受人类活动影响较为明显，特别是在集中水源开采区及工农业发展区，地下水水位缓慢下降减少、水质呈现变差趋势。在今后地下水开采利用时，应加大地下水环境保护力度，合理规划地下水开采量；控制农业化肥农药、工业污水排放，树立保护水资源和防治水污染观念。

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（编辑：刘 媛）

Study on dynamic evolution characteristics of groundwater environment in coastal zone of Shandong Province

LI Bo1，2，GUAN Qin1，2，LIN Guangqi1，2，ZHANG Hailin1，2，ZHANG Yifei1，2

（1.801 Institute of Hydrogeology and Engineering Geology，Shandong Provincial Bureau of Geology & Mineral Resources，Jinan 250014，China； 2.Shandong Engineering Research Center of Environmental Protection and Remediation on Groundwater，Jinan 250014，China）

Abstract：

In order to study the characteristics of groundwater environment in the coastal zone of Shandong Province，its groundwater dynamic field and hydrochemical field were analyzed based on monitoring data of different types of groundwater and combined with regional hydrogeological conditions.The results showed that the dynamic changes of groundwater level had obviously positive correlation with atmospheric precipitation，and it was also restricted by factors such as topography，groundwater exploitation intensity，etc.The hydrochemical characteristics of groundwater showed zonation from hilly region to the coastal area.In the past 40 years，the content of anion HCO-3 showed gradually decreasing tendency and the content of Cl- showed gradually increasing tendency；the content of cation Ca2+and Mg2+ showed gradually decreasing tendency，and the content of Na+gradually increasing tendency.The dynamic hydrochemical characteristics were mainly influenced by natural factors and human activities，with human influence being more significant.

Key words： groundwater environment；water level dynamics change；hydrochemical characteristics；coastal zone；Shandong Province

收稿日期：2022-02-18

基金项目：山东省地矿局2020年地质勘查和科技创新项目（202003，202014）

作者简介：李 波，男，高级工程师，硕士，主要从事水文地质、工程地质、环境地质等方面的工作。E-mail：710445277@qq.com

通信作者：张海林，女，正高级工程师，硕士，主要从事水文地质、工程地质、環境地质等方面的工作。E-mail：63610572@qq.com