基于分层监测的滨海地区地下水水化学特征分析

摘要： 为了探讨地下水分层监测技术在研究地下水不同含水层间的水力联系与地下水污染迁移变化中的应用， 以滨海地区山东省寿光市为研究区， 在垂直海岸线的淡水区—咸淡水过渡带—咸水区布设多层位监测井， 对地下水水位、 水质开展分层监测； 应用Gibbs图、 海水比值等离子相关性水文地球化学分析技术， 分析地下水的水化学特征及演化规律， 探测海水入侵的类型特点。 结果表明： 寿光市地下水中淡水、 微咸水的形成与碳酸盐和硅酸盐的风化有关， 咸水的形成与蒸发-结晶有关； Ca²⁺的来源为石膏风化和白云石的溶解， Na+、 K+的来源为硅酸盐风化及人类活动； 砂层富集带是海水入侵重要通道， 也是地下水的重要含水层， 是海水入侵防治的重要目标层位。

关键词： 地下水多层位监测； 水文地球化学； 海水入侵； 水化学特征

中图分类号： P641.8

文献标志码： A

开放科学识别码（OSID码）：

Analysis on Hydro-chemical Characteristics of

Coastal Groundwater Based on Layered Monitoring

GUAN Qinghua TI Yuyang3， WU Xian’ai4， CHEN Fengqin CHEN Xuequn QIU Yuting^1，2

（1. Water Resources Research Institute of Shandong Province， Jinan 250014， Shandong， China;

2. Shandong Province Key Laboratory of Water Resources and Environment， Jinan 250014， Shandong， China;

3. Shandong Survey and Design Institute of Water Conservancy Co.， Ltd.， Jinan 250013， Shandong， China;

4. Jinan Qingyuan Water Group Co.， Ltd.， Jinan 25001 Shandong， China）

Abstract： To explore the application of stratified groundwater monitoring technology in investigating the hydraulic connection among different aquifers， as well as the migration and variation of groundwater pollution， taking the coastal area of Shouguang City， Shandong Province as the research area， multi-layer monitoring wells were setupinthefreshwaterzone-brackish water transition zone-brackish water zone of the vertical coastline to carry out hierarchical monitoring of groundwater level and water quality. Using Gibbs map and ion correlation hydrogeochemical analysis of seawater ratio， the hydrochemical characteristics and evolution of groundwater were analyzed，andthetypecharacteristicsofseawaterintrusion were detected. The results show that the formation of fresh water and brackish water in groundwater in Shouguang City is relatedtotheweatheringofcarbonateandsilicate，andtheformationofbrackish water is related to evaporation and crystallization. The sources of Ca²⁺ are gypsum weathering and dolomite dissolution， while the sources of Na+ and K+ are silicateweatheringandhumanactivities.Inaddition，thesandenrichmentzone is an important channel of seawater intrusion， an important aquifer of groundwater， and an important target horizon for the prevention and control of seawater intrusion.

Keywords： multi-layer monitoring of groundwater; hydro-geochemistry; seawater intrusion; hydro-chemical characteristics

地下水是我国水资源体系的重要组成部分，与人类的生产和生活密切相关^［1］。近40 a来，随着工业化和城镇化的快速推进， 经济建设和人民日常生活对水资源的需求显著增加， 导致我国水资源的供需矛盾日益突出， 大量开采地下水引发了一系列生态环境问题， 如地下漏斗、 地面塌陷及海水入侵等， 同时地下水污染问题也愈发严重， 严重威胁地下水环境^［2］。在当前背景下， 地下水环境监测成为社会关注的焦点，水资源保护受到国家高度重视， 因此对地下水状况进行有效监测势在必行^［3］。地下水环境问题主要包括地下水超采和地下水污染， 超采导致了地下水位大幅度下降， 污染加剧了地下水水质恶化^［4］。特别是对于沿海地区， 地下水超采会引发海水入侵， 地下水矿化度增大， 引发土地盐碱化， 导致当地生态环境被严重破坏^［5］， 因此， 地下水环境管理的重点在于地下水超采治理、 污染程度评估以及水质时空变化的监测。齐玉涵等^［6］对河南省郑州市区浅层地下水化学特征的研究结果表明， 岩石风化作用是影响整个城市水化学特征的主要原因。杨会峰等^［7］分析了华北平原近40 a地下水水位演变， 提出针对当地地下水超采治理的建议。陶志斌等^［8］通过对比不同年代大沽夹河下游地下水水质，总结出地下水演变规律， 并预测水质变化趋势。刘绍等^［9］采用水文地球化学模拟软件PHREEQC对吉林省双辽市地下水水化学演化过程进行反向地球化学模拟，并利用离子比值法进行分析验证。

本文中以滨海区地下水为研究对象^［10］，深入分析地下水化学特征及演化规律，旨在为当地地下水资源管理和地下水环境监测提供科学参考。目前全球地下水污染调查和监测技术快速发展^［11］，欧洲的一些国家以及美国、 加拿大、 日本等开发了连续多通道监测技术^［12］，该技术在同一检测管内设计多个监测通道，每个通道可以监测一个目标层的地下水^［13］，利用一个监测管准确获得各个含水层的水位与水样信息^［14］。本文中提出地下水多层位监测系统，将监测管设计与监测井施工工艺相结合，能够实现地表取样、 测压分析水位、 水温等水文要素，且不受地表水体和降雨等影响^［15］。通过在滨海海水入侵区开展多层位监测应用，探索不同含水层的赋水性、 各含水层之间的水力联系，全面把握海水入侵的优势通道，并分析地下水体中污染物的垂向动态变化与污染物迁移变化规律。

1 地下水监测技术

1.1 单井监测方法

20世纪70—90年代，我国主要采用单井或一组群井进行地下水监测^［16］。单井监测采用完整井形式，透过单个钻孔穿越多个含水层，监测混合水的水位和水质。如图1所示，群井监测则是在同一区域钻进多个不同深度的监测井，通过上层封井工艺，监测目标含水层的水位和水质。尽管单井监测存在混合水体的问题，但群井监测则在工艺简单易施工的同时存在占地面积大、 成本高、 施工周期长等问题。随着地下水监测技术的发展，单孔多管监测技术日趋成熟，监测精度不断提高。

1.2 单孔多管监测技术

单孔多管监测井又称巢式监测井^［17］，通过在一个钻孔中下放多根不同长度的监测管到选定的监测层位。监测管采用聚氯乙烯（PVC）塑料管。以图2所示的单孔三管监测井为例，①号管监测潜水含水层，②号管监测第一承压含水层，③号管监测第二承压含水层。在安装过程中，利用在含水层回填中粗砂、 相对隔水层回填黏土的方法实现在同一监测井里的人工分层，监测不同层位的地下水。20世纪90年代，河南省地质环境监测院开展多管监测安装试验，在郑州市区西部采用硬PVC（PVC-U）塑料管实施了裸眼4次成井工艺的地下水监测井示范工程^［17］。监测井深度为350 m，单孔监测4个含水层，可监测深度分别为70～82、 172～190、 250～268、 316～328 m层位的地下水。裸眼4次成井工艺的钻井结构设计为：钻井深度为0～200 m时，监测井孔径为600 mm； 钻井深度为gt;200～350 m时，监测井孔径为450 mm。钻井过程不需要金属管护壁。在无井壁保护管的情况下，采用分别在同一眼井内成井4次的设计方案，即在同一井内分4次按照自下而上的程序（下管—投砾—止水）逐级成井。PVC塑料管安装示意图如图2所示。最后用空气压缩机和管径为50 mm的钻杆分别开展洗井和抽水试验。该技术虽然解决了单孔监测成孔数量多、 占地面积大、 成本高、 监测和管理不便等问题； 但在使用过程中遇到了技术难题，如分层封井困难，止水难度大，材料浪费等，因此地下水的连续多通道监测技术应运而生。

1.3 连续多通道监测技术

连续多通道监测技术是当前国内外先进的地下水监测井技术^［18］。该技术在同一管内设计3或7个连续通道的高密度聚乙烯（HDPE）管，外径分别为28、 43 mm，标准长度为30、 60、 90 m。利用钻井技术施工监测井，利用分层止水技术对隔水层实施止水，实现不同含水层水质的监测。监测管的安装须根据钻孔的含水层特点，在监测管与含水层对应的位置打孔，并在隔水层进行封堵。图3为PVC连续多通道监测管安装示意图，其中①号管监测潜水含水层，②号管监测第一承压含水层，③号管监测第二承压含水层。随着监测井的技术发展，目前连续多通道监测管安装深度可达150 m。

连续多通道监测技术最多能够同时提供7个不同监测区域，各层水样干扰小，成本低，避免了不同含水层之间的渗漏问题。围绕一根监测管的止水操作简单、 可靠，回填方便，易于分层止水，不会发生串孔，能够实现地下水水位和水质的高分辨率测量。该技术在国外主要应用于浅层地下水监测， 监测深度一般为20～50 m，在国内的地下水监测的最大深度达到150 m，可监测5个层位的含水层。

2 地下水含水层的水力联系

2.1 海水入侵区多层位监测

山东省寿光市现有14个地下水监测井，监测井分布如图4所示。14个监测井均为混合井，井深为30～50 m，直径为30 cm，根据当地水文地质条件和含水层结构，主要监测第一、 第二承压含水层的地下水，因此监测井过滤管基本安装在第一承压含水层位置，埋深约为20～30 m； 第二承压含水层位置，埋深约为35～40 m。2019年在原有监测系统的基础上，在寿光市垂直海岸线的淡水区—咸淡水过渡带—咸水区新建5眼多层位监测井，其中后古河村、 苇园子村、 中埠头村和李家庄子村4个监测点形成了田柳—王高监测剖面，另外在咸淡水过渡带布设了2眼监测井，分别为SZK-19和SZK-21。监测井在平面上布设在自海洋向内陆的海水入侵区、 咸淡水界面、 淡水区，在垂直地层方向上根据区域地质钻孔资料确定最大监测井深为100 m，按照含水砂层分布特点重点监测3个含水层位，自上而下： 第一承压含水层埋深为20～30 m，岩性以粗砂为主；第二承压含水层埋深为35～40 m，岩性为中砂； 第三承压含水层埋深为61～65 m， 岩性以粗砂为主。 在监测井施工过程中， 须对隔水层进行分层止水处理， 只监测目标含水层的水位、 水质情况， 且必须保证3个含水层相对独立， 不发生串层^［19-20］。

2.2 地下水含水层的水力联系

多层位监测井SZK-19监测的含水层的水位与降水量变化如图5所示。从2016年11月—2018年7月的监测结果可以看出， 地下水位与大气降雨呈正相关， 随着降水量增大，地下水水位相应抬升， 但水位较降雨具有一定的迟滞性， 迟滞时间为1个月。在3—5月份， 由于春季农业灌溉用水量较大时， 地下水位出现2～5 m的降幅。2018年汛期（6—8月份）降水量大于700 mm，上层及中层地下水位从-10 m上升到-2 m。由于汛期含水层得到了充分补给， 因此汛期过后，地下水位未出现明显的下降，水位变幅较小，约为1 m。

自陆地向海洋方向多层位监测剖面的监测井（后古河村、 苇园子村、 中埠头村、李家庄子村）水位变化如图6所示。由图可知，各监测井的上、 中、 下层水位在3月15日后普遍下降，说明春季农业灌溉及生活用水导致地下水开采量较大，水位持续下降。从内陆到海洋方向，第一承压含水层（上层）地下水水位依次增大，从-2 m上升到4 m（2021年3月1日），沿海区域的地下水水位高于内陆的，此时上层含水层地下水的由海洋向内陆径流。由于沿海区域地下水含盐量较高，在地下水径流过程中携带盐分，因此导致内陆地下水的盐度增大，形成海水入侵。中层及深层地下水水位的变化规律与上层差异较大，地下水的水流方向与上层不同，淡水区的地下水水位高于滨海区的，地下水径流方向为自内陆向沿海方向，说明该区域海水入侵主要发生在上层含水层，因此分层监测对海水入侵的优势通道、海水入侵治理意义重大。

3 地下水水文地球化学特征

在地下水水位分层监测的基础上，对寿光市监测点的水质进行了采样分析， 在淡水区、 咸淡水过渡带和咸水区采集水样22组，测试分析电导率，酸碱度，溶解性总固体（TDS）、 硫酸盐SO^2-4、 氯化物Cl-、 碳酸氢盐HCO-3、 钾离子K+、 钠离子Na+、 钙离子Ca²⁺、 镁离子Mg²⁺含量，研究水样的化学特征。

3.1 地下水化学特征

水质监测结果同一监测点不同含水层的Cl-含量存在明显差异，陆域（后古河村、 苇园子村）监测井的深层含水层中的Cl-含量最大，而中层和浅层含水层的Cl-含量最小； 而靠近沿海区（中埠头村、 李家庄子村、 SZK-21）监测井第二承压含水层的Cl-含量最大， 浅层含水层和深层含水层Cl-含量最小， 故海水入侵具有沿着优势通道和优势含水层入侵的特性。浅层及中层含水层从陆地向海洋方向Cl-含量逐渐增大，Cl-的质量浓度由117 mg/L增大到570 mg/L；中层含水层中Cl-的质量浓度由60 mg/L增大到741 mg/L。而深层含水层中Cl-的质量浓度变化是先减小再增大，由269 mg/L减小到134 mg/L，又增大到500 mg/L。

变异系数反映了数据在空间的聚集和离散程度，本文中采用化学指标的变异系数分析水化学的空间变异性。变异性按照等级可分为弱、 中、 强三类，即变异系数小于或等于0.1时为弱变异性，变异系数为（0. 1.0）时为中等变异，变异系数大于或等于1.0时为强变异性。由地下水水化学测试结果（表1）可知，浅层、 中层、 深层含水层中酸碱度的变异系数均小于0.1，为弱变异性，表明其空间分布均匀； 浅层含水层中除酸碱度外，其他化学指标的变异系数为（0. 1.0），为中等变异，具有一定的稳定性。中层含水层中Cl-、 Na+、 Mg²⁺含量的变异系数大于1.0，为强变异性，表明它们的空间分布具有显著的不均匀性，与含水层的不同位置受海水入侵影响的程度不同有关。除酸碱度，Cl-、 Na+、 Mg²⁺含量外，其他化学指标的变异系数为（0. 1.0），为中等变异，具有一定的稳定性。深层含水层的酸碱度为弱变异性，其他化学指标的变异系数为（0. 1.0），为中等变异，分布较为稳定。

根据地下水的Cl-含量，将22组水样分为3种类型，即Cl-的质量浓度小于150 mg/L时为淡水，Cl-的质量浓度为150～300 mg/L时为微咸水，Cl-的质量浓度大于300 mg/L时为咸水。根据寿光市22组水样的水化学测试结果，绘制Piper三线图如图7所示。

由图可知，山东省寿光市淡水的化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型， 微咸水的化学类型主要为HCO3·Cl-Ca·Mg·Na、 Cl·SO4·HCO3-Ca·Na·Mg，咸水的化学类型主要为Cl·SO4-Mg·Na、 Cl-Mg·Na、 Cl-Na。随着海水入侵地下淡水的强度增大，地下水的水化学类型发生转变，由陆地到海岸，地下水从低矿化度的HCO3-Ca·Mg型向高矿化度的Cl-Na型转变。地下水化学类型的改变，一方面受海水入侵的影响，另一方面是水-岩相互作用的结果，如田王西路地下水为HCO3-Ca·Mg型，但矿化度和Cl-含量较小，是水-岩作用下的白云岩-方解石和石膏溶解过程的体现。

3.2 地下水离子成分分析

通过地下水化学指标的皮尔逊相关性分析，分析地下水离子的关系及来源，地下水化学参数相关系数矩阵见表2。结果表明：地下水中SO^2-4、 Cl-、 Na+、 TDS之间具有较高的相关性，由内陆到沿海地下水中SO^2-4、 Cl-、 Na+的变化趋势与TDS一致。与此同时， Ca²⁺与SO^2-4的相关性较高，表明石膏（存在于黏土中）的风化是Ca²⁺的主要来源；Ca²⁺与Mg²⁺的皮尔逊相关系数大于0.6，这是由白云石溶解所致； K+与Na+、 Cg²⁺、 Cl-的皮尔逊相关系数分别为0.589、 0.684、 0.729，相关性较高，表明K+的来源主要是硅酸盐风化和人类活动。

在不考虑人为因素下，Gibbs图常用来识别自然水体中各离子的起源，如岩石风化、大气降水和蒸发作用。利用寿光市沿海区22组地下水水化学指标， 绘制了地下水水化学Gibbs图（见图8）。纵坐标为对数坐标，表示水体中溶解性离子TDS的总量；横坐标为普通坐标，用Na+与Na+-Ca²⁺或Cl-与Cl--HCO-3的质量浓度比值表示。由图8可以看出： 样本点全部位于岩石风化组与蒸发-结晶组， 大气降水组与蒸发组中无样本点。结合取样点位置和水化学测试结果， 淡水区、 微咸水区的监测井的样本全部位于岩石风化组， 咸水区监测井的样本全部位于蒸发-结晶组， 表明淡水、 微咸水区的地下水水质与碳酸盐和硅酸盐的风化有关， 而咸水区的地下水水质与蒸发-结晶作用密切相关。

3.3 海水入侵离子来源分析

海水比值为标准海水的各离子与Cl-的质量浓度比值（标准海水稀释线）。本文中将寿光市沿海区地下水中常规离子Na+、 K+、 Ca²⁺、 Mg²⁺、 SO^2-4、 HCO-3和Cl-的质量浓度之比与海水比值进行对比，探究不同区域地下水中盐分的来源。标准海水中常规离子含量数据见表3，反映了随着Cl-含量的增大，地下水中常规离子浓度与Cl-比值的变化。

图9为山东省寿光市沿海区地下水中阴、 阳离子与Cl-的质量浓度之比分析结果。由图9（a）可以看出：HCO-3与Cl-的质量浓度之比远大于标准海水稀释线，且随着Cl-含量增大，比值逐渐减小。一方面，因为地下水的流动冲刷了含水介质，含水介质中的碳酸盐类矿物不断溶解到地下水中，所以地下水中的HCO-3含量增加； 另一方面，从沿海到内陆，地下水中盐度减小，越来越适宜植物的生存，植物呼吸作用产生CO2，大气降水又与土壤中的CO2反应生成H2CO3进入地下水中，并电离分解为HCO-3和H+，使地下水中的HCO-3含量增大。从图9（b）、（c）可以看出，Ca²⁺、 Mg²⁺与Cl-的质量浓度之比均大于标准海水稀释线，原因是地下水溶解了土壤中的矿物，地下水中的Ca²⁺、 Mg²⁺含量增大。图9（d）显示，在部分淡水、微咸水及全部咸水类水样的Na+与Cl-的质量浓度之比均小于标准海水稀释线。图9（e）显示，大部分微咸水、 咸水类水样的K+与Cl-的质量浓度之比均小于标准海水稀释线。 由于地下水盐度较大的地区受海水入侵较严重，阳离子交换吸附作用使含水介质的固体颗粒表层吸附地下水中Na+、 K+，而将原来吸附的Ca²⁺、 Mg²⁺转为地下水中的组分， 因此导致地下水中Ca²⁺、 Mg²⁺与Cl-的质量浓度之比均大于标准海水稀释线。 由图9（f）可知， SO^2-4与Cl-的质量浓度之比大部分位于标准海水稀释线之上， 且随着Cl-浓度的增大， 比值呈逐渐减小的趋势， 原因是越靠近内陆地区， 地下水水质受人类活动影响越大， 含有SO^2-4的生活污水、 工业废水及化肥等随着大气降水及河流入渗， 导致地下水中SO^2-4含量增大。

4 结论

本文中对山东省寿光市的地下水开展多层位水位、 水质监测分析，为精准研究地下水不同含水层的水力联系、 地下水污染物的迁移、 海水入侵类型和特点等提供新的方法，得到以下主要结论：

1）根据寿光市地下水水文化学特征，从陆地至海洋方向，Cl-、 TDS含量，电导率逐渐增大； 同一监测点不同层位的物质含量也具有明显差别，浅层含水层中HCO-3、 Mg²⁺含量的平均值最大，中层含水层中电导率，TDS、 Cl-、 K+、 Ca²⁺、 Na+含量的平均值最大； 总体而言，寿光市沿海地区自内陆到海洋地下水从低矿化度的HCO3-Ca·Mg型向高矿化度的Cl-Na型转化。

2）地下水中Ca²⁺与SO^2-4间的相关性较高，黏土中石膏的风化是Ca²⁺的主要来源；Ca²⁺与Mg²⁺的皮尔逊相关系数大于0.6，这是由白云石溶解所致； K+与Na+、 Cg²⁺、 Cl-的相关性较高，说明K+与硅酸盐风化以及人类活动密切相关。

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（责任编辑：于海琴）