丹东市地下水化学时空演变规律及成因分析

林 磊

(辽宁省丹东水文局,辽宁 丹东 118001)

地下水化学特征是指地下水的主要离子含量、pH值、电导率(EC)及矿化度(TDS),受人类活动状况、水-岩作用进程、含水层介质特征及补给水类型影响,这是直接反映所处地质环境的重要参数[1]。

沿海地区经济发展速度较快,人口规模和水资源消耗量大,受人类活动、盐岩及海水等影响,土壤盐渍化、地面沉降和地下水咸化等地质环境问题频发,淡水资源短缺[2-6]。针对沿海地下水化学国内外学者开展了广泛研究,如杨巧凤等提出降水溶解蒸发盐是咸水的主要形成原因;Qi等认为海水稀释的卤水为浅层咸水的主要组成部分。因此,沿海地区具有复杂多变的含水系统,系统分析地下水化学成因对,对掌握该地区水化学发展趋势及现状显得非常重要。

丹东地处辽东半岛东南部的鸭绿江畔,地下水受黄海海侵-海退及大洋河冲-洪积过程的影响形成相互叠层的淡水及咸水体,而已有研究较少涉及丹东市地下水化学时空演变特征及成因分析。因此,文章结合丹东市2011—2020年浅层地下水离子监测数据,采用离子比、Gibbs图、Piper三线图、Arc GIS空间插值、数理统计及相关性分析等方法全面分析其化学时空分布规律及成因,为掌握丹东市地下水化学演化趋势及地下水合理开发、保护提供参考依据。

1 研究区概况

丹东市位于辽宁省东南部,南濒黄海,总面积15222km2,海岸线长120km。本次研究区按行政分区为东港市和振兴区,按流域分区属鸭绿江干流及辽东沿海区域,地处E123°23′～125°43′,N39°43′31″～40°09′21″,该区属于大陆性季风气候,年均气温8～11℃,年日照时数2390～2592h,由于地形差异等因素的影响,降水的时空分布极不均匀,年降水量为893.0m。

研究区出露地层有第四系的松散堆积物和前震旦系的变质片麻岩类,侏罗系的安山岩、角砾岩、玄武岩、凝灰岩及震旦系的砂岩、枚岩、片岩。根据赋存条件可以将该区域地下水划分成松散岩堆积物孔隙水、裂隙岩溶水和基岩裂隙水三大类。其中,以第四纪地层松散岩堆积物孔隙水为主,分布于刁家坝、廉家坝水库下的大部平原区及东港市椅圈镇至振兴区安民镇,椅圈一带还有地下热水分布。冲击平原含水层厚度4～20m,岩性以砾石、砂卵石为主,表层为淤泥质亚黏土。南部、沼泽凹地、北部地下水埋深一般为0.5～1.5m、<0.5m、1.5～2.5m,个别地段>2.5m,受海潮顶托和降雨影响沿海一带汛期地下水埋深接近地表。灌溉水与大气降水为地下水补给来源,排泄方式有垂直蒸发及地下径流,全区地下水流向与地表水总体一致,沿海平原自北向南流动。

2 材料与方法

2.1 样品采集

本研究网点布设共涉及3处常规地下水常规监测站和154处地下水代表井,2011—2020年每年对各监测井采集1次地下水样,共采集1570个。地下水位观测井点按水资源分区主要为鸭干(Ⅰ区),鸭～大(Ⅱ区)和大洋河(Ⅲ区),大～碧(Ⅳ区)。采样前先对250mL聚乙烯瓶用样品湿润2～3次,然后使用65%HNO3酸化阳离子水样,均匀混合后使水样pH值<2,装入瓶中封口密封,并移入冰箱(温度4℃)保存,其中阴离子水样维持原状不做处理。地下水采样、运输、保存、检测等符合《水质采样技术指导》和《地下水质量检验方法》等相关规范要求。水样的pH值、TDS使用玻璃电极法和称量法测定,水样的硝酸盐、硫酸盐及氯化物使用离子色谱法测定,水样的镁、钙及钠、钾和重碳酸盐使用EDTA滴定法、分光光度法与酸滴定法测定。

2.2 数据处理

对研究区地下水离子的标准误差、最小值、最大值和均值利用SPSS22.0软件进行统计分析。然后结合数据检验结果,对各离子均值使用反距离权重法做无偏差值,深入分析离子空间分布特征及其年际变化规律。根据Gibbs图、离子比例系数图、Piper三线图和相关资料推测地下水化学控制因素及其成因,并进一步揭示其演变规律。

3 结果与分析

3.1 地下水理化参数

从表1可以看出,丹东市浅层地下水pH值位于7.00～9.15范围,均值7.88,总体呈弱碱性,TDS位于280.12～24051.10mg/L范围,均值2578.25mg/L。研究区地下水阳离子主要为Na+,Ⅰ、Ⅳ区排序为K+

表1 2011—2020年丹东市地下水理化参数值

续表1 2011—2020年丹东市地下水理化参数值

为明确研究区水化学类型运用舒卡列夫分类法进行分析,结果表明:Ⅰ区水主要分布于鸭绿江干流南部及低山丘陵区外围,水化学类型为Na·Mg·Ca-SO4·HCO3·Cl和Ca-SO4·HCO3型;Ⅱ区主要分布于鸭～大两岸,水化学类型为Na·Mg·HCO3·SO4和Na·Mg·HCO3型;Ⅲ区大部分处于咸淡水交界处,水化学类型较复杂主要为Na·Mg-Cl、Na·Mg-Cl·SO4、Na·Mg-Cl·HCO3型;Ⅳ区距海较近,主要位于齐家堡子、前阳镇,水化学类型为Na-Cl、Na·Mg-Cl、Na·Mg-Cl·SO4型。总体而言,地下水化学类型从内陆的Ca-SO4·HCO3逐渐过渡到海的Na·Mg-Cl·HCO3、Na·Mg-HCO3·SO4型,近海除转变成Na-Cl、Na·Mg-Cl型。

3.2 地下水化学时空变化

2011—2020年研究区地下水化学组分监测数据显示各组分的年际变化较为明显,在2012—2013年NO3-、SO42-、Cl-、Na+和TDS浓度明显上升,2013—2020年呈波动下降趋势,HCO3-浓度波动不断上升,其最大值出现在2017。2013年地下水离子浓度明显上升可能与区域海水入侵有关,地下咸淡水间的动态平衡受人类活动或自然影响发生破坏,海水入侵海水层使得沿海地下水TDS快速增大。

从空间分布格局上,2011—2020年研究区地下水各组分空间变异表现出一定方向性,其一致性较好,从陆向海SO42-、Ca2+、Mg2+、Cl-、Na+和TDS浓度增高,高值区位于大～碧段。从陆向海地下水离子浓度增加可能是由于潜水位埋深逐渐下降,沿海土壤积盐及蒸发加重,在一定程度上胁迫植被的生长发育,植被减少导致蒸发量增加及地下水盐化过程加剧,相应的离子浓度升高。研究期间NO3-浓度呈明显变化特征,而人类活动产生的农药化肥、废物、废水等是NO3-的主要来源,较强的人类活动提供了更多的NO3-来源,所以研究区NO3-浓度变化显著。

3.3 地下水化学成因分析

3.3.1 水化学控制因素

将地下水化学组分控制因素按照Cl-/(Cl-+HCO3-)或Na+/(Na++Ca2+)与TDS的质量浓度比关系图划分成大气降水、岩石风化和蒸发结晶。结果表明,Ⅰ、Ⅱ区地下水Na+/(Na++Ca2+)值位于0.10～0.98范围,Cl-/(Cl-+HCO3-)值处于0.08～0.76范围,由于Ⅰ、Ⅱ区内地层有火山碎屑岩、角砾岩和火山熔岩等,在风化作用和降水溶解下岩石被剥蚀成细小颗粒进入地下含水层,经长期演化、迭代成为主要来源,故岩石矿物风化是Ⅰ、Ⅱ区水化学环境的主要控制因素;Ⅲ、Ⅳ区地下水Na+/(Na++Ca2+)值位于0.21～0.96范围,Cl-/(Cl-+HCO3-)值处于0.18～0.96范围,由于距海较近,海水入侵对部分水样造成影响使其表现出一定海水特征,但Ⅲ、Ⅳ区大部分水样都位于蒸发结晶区,故蒸发浓缩是Ⅲ、Ⅳ区谁化学环境主要控制因素。因此,从陆向海浅层地下水化学控制类型由岩石风化型过渡到蒸发浓缩型,近海区存在一定海水特性。

3.3.2 离子来源

通过相关性分析可以明确地下水主要离子之间的相互关系及来源,其相关矩阵如表2所示。

表2 地下水化学离子相关矩阵

由表2可知,Mg2+、SO42-、Na+、Cl-与TDS之间的相关系数均>0.9,说明Mg2+、SO42-、Na+、Cl-在很大程度上决定了浅层地下水矿化度。有研究认为黄河三角洲地区的常见矿物资源及其表层沉积物中非黏土矿物的主要成分是NaCl和白云石、钠长石,Mg2+、SO42-与Na+间以及SO42-、Mg2+、Na+与Cl-之间的相关性[11-14],故研究认为白云石、钠长石和岩盐等矿物的风化溶解可能是Mg2+、SO42-、Na+、Cl-离子的主要来源,而地下水中K+、Na+离子来源于蒸发岩盐、硅酸盐矿物溶解和大气降水。

3.3.3 人为因素影响

为全面分析影响研究区地下水化学变化的因素,以城市化率、人口、GPD等经济指标和浅层开采量、播种面积、生活污水、工业废水为变量,采用SPSS22.0软件进行相关性分析,如表3所示。

表3 地下水化学变化影响因素

由表3可知,各经济指标与SO42-、Ca2+、Na+、TDS之间不相关(P<0.05),城市化率与Mg2+、Cl-之间呈正相关(P>0.05);人口与HCO3-呈极显著正相关(P>0.01),播种面积、城市化率、GDP与HCO3-呈正相关(P>0.05),浅层开采量与HCO3-呈负相关(P>0.05);城市化率与NO3-呈极显著正相关(P>0.01),人口、GDP与NO3-呈正相关(P>0.05),浅层开采量与NO3-呈显著负相关(P>0.01);播种面积、人口与pH值呈极显著负相关(P>0.01),城市化率、GDP与pH呈显著负相关(P>0.05)。

人类活动对NO3-、Cl-的影响较大,故居民生活污水集中排放与NO3-、Cl-浓度变化有关。城市化率与、Cl-之间呈显著正相关(P>0.05),这与现有研究成果保持一致,说明人为因素对NO3-、Cl-的年际变化影响显著,且NO3-及Cl-的受影响程度随城市化率的增加而增大;浅层开采量与地下水NO3-、HCO3-呈负相关(P>0.05),NO3-与HCO3-含量随着开发量的减小逐渐升高,这是由于地下水位随开采量的减少而升高,上部含水层中污染物及其它可溶盐蒸发浓缩及淋溶作用加强,从而提高了NO3-与HCO3-含量。农业播种面积、人口与pH值呈极显著负相关(P>0.01),说明浅层地下水pH值随农业播种面积及人口的增加明显减少,这是因为加大耕地植物生产量会提高土壤中CO2含量和有机酸来源,从而导致使得pH值减少。

4 结 论

1)研究区地下水主要是微咸水,总体呈弱碱性,阴阳离子以Cl-和Na+为主,地下水化学类型从内陆的Ca-SO4·HCO3逐渐过渡到海的Na·Mg-Cl·HCO3、Na·Mg-HCO3·SO4型,近海除转变成Na-Cl、Na·Mg-Cl型。

2)从年际变化上,2012—2013年NO3-、SO42-、Cl-、Na+和TDS浓度明显上升,2013—2020年呈波动下降趋势,地下水各组分空间变异表现出一定方向性,其一致性较好,从陆向海SO42-、Ca2+、Mg2+、Cl-、Na+和TDS浓度增高,高值区位于大～碧段。

3)从陆向海浅层地下水化学控制类型由岩石风化型过渡到蒸发浓缩型,近海区存在一定海水特性。白云石、钠长石和岩盐等矿物的风化溶解可能是Mg2+、SO42-、Na+、Cl-离子的来源,而地下水中K+、Na+离子来源于矿物溶解和大气降水。