張傳奇 王曉曦 陳曦

（1. 遼寧華一環(huán)境咨詢(xún)事務(wù)所有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110022；2. 遼寧省環(huán)境規(guī)劃院有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110165）

1 引言

地下水是不可或缺的水資源，也是重要的生態(tài)與環(huán)境支撐要素，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展起著重要支撐作用［1］。近年來(lái)，由于工業(yè)化和城市化的高速發(fā)展，水資源需求猛增，地下水資源被長(zhǎng)期過(guò)度開(kāi)采，由此誘發(fā)了諸如地下水位下降、地下水水質(zhì)惡化等環(huán)境問(wèn)題［2］。在海岸帶地區(qū)，過(guò)度開(kāi)采地下水引發(fā)海水入侵，導(dǎo)致地下水水質(zhì)惡化，使地下水不再適于飲用或農(nóng)業(yè)灌溉［3］。對(duì)地下水化學(xué)特征和水質(zhì)狀況進(jìn)行研究，有利于了解地下水化學(xué)環(huán)境與可再生能力，以便科學(xué)有效地管理和利用地下水資源，保護(hù)和改善地下水水質(zhì)。

本文以萊州灣東岸地區(qū)為研究區(qū)域，在大量野外調(diào)查、取樣和分析的基礎(chǔ)上，對(duì)地下水化學(xué)特征進(jìn)行分析，并對(duì)地下水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)水質(zhì)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值以及Piper 三線(xiàn)圖分析萊州灣東岸地下水化學(xué)特征，并利用ArcGIS9.3 地統(tǒng)計(jì)模塊對(duì)地下水進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，以期為水環(huán)境保護(hù)和治理、水資源規(guī)劃和管理政策的制定提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

萊州灣位于山東省北部，117°17′～120°45′E，36°25′～37°47′N(xiāo)，總面積1.01×104km2。萊州灣海岸低平，虎頭崖東北稱(chēng)萊州灣東岸，以西為南岸，岸長(zhǎng)約200 km，平原寬10～50 km。

研究區(qū)位于山東半島西北部，萊州灣的東岸，主要包括萊州市，北起光明村，南至海滄一村。該區(qū)屬溫帶大陸性氣候區(qū)，年平均氣溫12.4 ℃，年均降雨量640.3 mm。降水多集中在7 月到9 月，占全年降雨量的72.4%。年均蒸發(fā)量2 118.7 mm［4］。萊州灣東岸海岸帶隸屬渤海坳陷的邊緣部分，在山東半島構(gòu)造隆起區(qū)內(nèi)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的比較特殊的地質(zhì)單元?；㈩^崖以東為復(fù)式砂質(zhì)海岸，沿岸發(fā)育有灘脊、連島砂壩和瀉湖，是由古黃土質(zhì)侵蝕海岸演變而成的瀉湖—砂壩堆積平原海岸；虎頭崖以西為粉砂淤泥質(zhì)海岸。萊州灣東岸晚第四紀(jì)表現(xiàn)為陸地系統(tǒng)與海洋系統(tǒng)間的自然相互作用。作為古地理標(biāo)識(shí)與地質(zhì)歷史記錄，海岸帶范圍相當(dāng)于第四紀(jì)末期以來(lái)海面起伏波動(dòng)交替性地被淹沒(méi)或被暴露的地帶。

近30 年來(lái)，隨著人口的快速增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水資源需求量猛增。由于地表水資源不足，生產(chǎn)、生活用水主要依賴(lài)地下水。據(jù)調(diào)查，萊州灣東岸地下水年均開(kāi)采量達(dá)1.54 億m3［5］。過(guò)度開(kāi)采地下水致使地下水位以1～3 m/a 的速度顯著下降，引發(fā)海水入侵災(zāi)害。萊州灣東岸已成為我國(guó)海水入侵最為嚴(yán)重的地區(qū)之一［6］。由于海水入侵，地下水淡水水質(zhì)惡化，可利用的地下水淡水資源量減少，從而加劇了該地區(qū)水資源供需矛盾［4］。

2.2 研究方法

本研究以沿萊州灣東部海岸線(xiàn)向內(nèi)陸延伸約10 km 作為調(diào)查區(qū)，于2012 年4 月采集地下水樣47個(gè)，取樣時(shí)用GPS 定位，見(jiàn)圖1。取樣點(diǎn)主要依靠地下水長(zhǎng)期觀測(cè)孔、民用水井。對(duì)水溫（T）、pH 值、電導(dǎo)率（EC）、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、HCO3-、Cl-、NO3-和TDS（可溶性固體總量）等物理特性及主要離子進(jìn)行分析。水溫（T）、pH 值進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，其余離子成分在中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所分析測(cè)試中心完成，使用離子色譜儀測(cè)定水樣中的主要離子。

圖1 研究區(qū)示意圖及采樣點(diǎn)分布

3 結(jié)果分析

3.1 地下水水化學(xué)特征

對(duì)47 個(gè)地下水樣的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征值分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 地下水水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，研究區(qū)地下水中TDS，Cl-，HCO3-，Ca2+質(zhì)量濃度很高，Na+，Mg2+，K+質(zhì)量濃度很低。需要特別指出的是，研究區(qū)地下水中NO3-質(zhì)量濃度很高，介于0.59～433.61 mg/L 之間，均值為172.88 mg/L，遠(yuǎn)大于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—93）的IV 類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)（≤30 mg/L），屬于劣V 類(lèi)水質(zhì)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中過(guò)量使用化肥和城鎮(zhèn)生活中的生活廢水大量排放是造成調(diào)查區(qū)地下水NO3-濃度過(guò)高的主要原因［4］。

地下水中Cl-，SO42-，Na+和K+的質(zhì)量濃度變異系數(shù)較大，分別為1.30，1.18，1.07 和1.60，其他水質(zhì)參數(shù)的變異系數(shù)均小于1。這表明Cl-，SO42-，Na+和K+較其他離子對(duì)水文條件、地形地貌及人類(lèi)活動(dòng)等外界環(huán)境更為敏感，此外，由于上述離子的濃度均較大，反映了這4 種離子是地下水鹽化的控制因子。雖然NO2-和NH4+的濃度變異系數(shù)也很大，但鑒于兩者的質(zhì)量濃度都很低，濃度均值都小于10 mg/L，因此其濃度變化對(duì)地下水鹽化的貢獻(xiàn)很小。

3.2 地下水化學(xué)類(lèi)型及其分布

根據(jù)地下水中的主要陽(yáng)離子（Na++K+，Ca2+，Mg2+）和陰離子（HCO3-，SO42-，Cl-）的毫克當(dāng)量濃度，繪制Piper 三線(xiàn)圖，見(jiàn)圖2。

圖2 地下水Piper 三線(xiàn)圖

圖2 顯示各地下水水樣都處于Piper 圖的1 區(qū)，說(shuō)明堿土金屬（Ca2+和Mg2+）超過(guò)堿金屬（Na+和K+），且絕大部分水樣處于6 區(qū)和9 區(qū)，僅有2 個(gè)地下水樣落于5 區(qū)，進(jìn)一步說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)以Ca2+，Mg2+和Cl-占主要優(yōu)勢(shì)。研究區(qū)主要水化學(xué)類(lèi)型為Ca-Cl 型、混合Ca·Mg-Cl 型，只有2 個(gè)水樣的水化學(xué)類(lèi)型為Ca-HCO3型，分布在霍旺村西及后趴埠村一帶。

水化學(xué)類(lèi)型空間分布見(jiàn)圖3。

圖3 地下水化學(xué)類(lèi)型空間分布

萊州灣東岸是海水入侵嚴(yán)重受災(zāi)區(qū)，海水入侵致使該區(qū)地下水Cl-濃度升高，地下水鹽化現(xiàn)象嚴(yán)重。該區(qū)廣泛分布的以Cl-為主要特征的地下水類(lèi)型充分反映了其海水入侵的特征。造成地下水陽(yáng)離子以Ca2+，Mg2+為主的原因在于萊州灣東岸地下淡水海水混合區(qū)發(fā)生了逆向離子交換反應(yīng)，Na+被黏土吸附并置換出大量的Ca2+，Mg2+，致使后者的質(zhì)量濃度升高，成為地下水化學(xué)的主控陽(yáng)離子［3］。

3.3 飲用水水質(zhì)評(píng)價(jià)

不同用途的地下水對(duì)水質(zhì)的要求不同，應(yīng)依據(jù)指定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行地下水水質(zhì)的適應(yīng)性評(píng)價(jià)。適于作為生活飲用水的地下水，其水質(zhì)必須具有硬度低、鹽度低而且毒性成分含量低的特點(diǎn)［7］。參照世界衛(wèi)生組織（WHO）生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)以及我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006），對(duì)研究區(qū)地下水的物理、化學(xué)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。地下水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果顯示，地下水的pH 值介于6.80～7.53，達(dá)標(biāo)率為100%；57%的水樣中TDS 超出我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的TDS 標(biāo)準(zhǔn)值（1 000 mg/L）；83%的地下水樣NO3-濃度超出了我國(guó)飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值（88.6 mg/L），47%的地下水水樣Cl-濃度超出國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（250 mg/L）。而Na+，K+，Ca2+分別有6%，19%，53%超出了WHO 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的最大容許限值。

EC 是水體所含化學(xué)成分的簡(jiǎn)易綜合評(píng)定指標(biāo)［8］。按照WHO 標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)EC 的取值范圍將地下水劃分為3 個(gè)等級(jí)：I 為允許飲用的（＜1 500），II 為不允許飲用的（1500～3000），III有危害的（＞3000）。評(píng)定結(jié)果顯示，約38%的地下水水樣滿(mǎn)足I 級(jí)地下水標(biāo)準(zhǔn)，53%的地下水處于II 級(jí)水平，水質(zhì)較差已不適于飲用，剩余9%的地下水屬于III 級(jí)危害性的水質(zhì)。EC的空間分布見(jiàn)圖4。

圖4 地下水EC 空間分布

圖4 顯示I 級(jí)地下水主要分布在虎頭崖—趴埠潘家—尹家一帶以及連郭莊—韓家—過(guò)西一線(xiàn)以北地區(qū)?；㈩^崖以南在空間上表現(xiàn)出高EC 特征，這與研究區(qū)南部廣泛分布鹵水并遭受咸水入侵有關(guān)；虎頭崖以北的沿海地區(qū)主要是現(xiàn)代海水入侵帶，EC 也較高?；㈩^崖一帶主要是基巖海岸，海水入侵對(duì)該區(qū)的影響相對(duì)較小，故表現(xiàn)出較低的EC 特征；過(guò)西以北地區(qū)受王河的影響致使地下水的EC 較低。

硝酸鹽是地下水中最常見(jiàn)的污染組分。長(zhǎng)期飲用含有高硝酸鹽濃度的水可能導(dǎo)致人體患高鐵血紅蛋白癥、胃癌等疾?。?-10］。參照WHO 水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家飲用水硝酸鹽質(zhì)量濃度衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)NO3-質(zhì)量濃度劃分為4 級(jí)，見(jiàn)表2。

表2 NO3-質(zhì)量濃度等級(jí)劃分 mg/L

研究區(qū)NO3-質(zhì)量濃度介于0.59～433.61 mg/L，變異系數(shù)為0.56，屬于中度變異。所采水樣中I 類(lèi)水占11%，II 類(lèi)水占6%，III 類(lèi)和IV 類(lèi)水分別占19%和64%，符合國(guó)家飲用水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的僅占17%。

研究區(qū)硝酸鹽的空間變化見(jiàn)圖5。

圖5 NO3-質(zhì)量濃度空間分布

由圖5 可見(jiàn)，研究區(qū)硝酸鹽質(zhì)量濃度普遍較高，空間上呈現(xiàn)帶狀分布特征。IV 類(lèi)水主要分布在研究區(qū)北部和南部中央地帶，I，II 類(lèi)水分布在南部狹窄的沿海地帶以及研究區(qū)中部。此外，后者還在過(guò)西村周?chē)貐^(qū)零星分布。

由于萊州灣東岸遭受海水入侵災(zāi)害嚴(yán)重，地下水中Cl-含量豐富。Cl-質(zhì)量濃度空間分布見(jiàn)圖6。

圖6 Cl-質(zhì)量濃度空間分布

符合國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)（250 mg/L）的地下水主要分布在北部平原區(qū)，南部平原和北部的濱海地區(qū)Cl-質(zhì)量濃度較高已不適于飲用?；㈩^崖一帶由于是基巖海岸，未發(fā)生海水入侵，地下水Cl-濃度符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 灌溉水水質(zhì)評(píng)價(jià)

灌溉水水質(zhì)評(píng)價(jià)通常選取能反映水中含鹽量和堿性特征的參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)［11］。灌溉水水質(zhì)對(duì)土壤的物理化學(xué)性質(zhì)和作物生產(chǎn)量的長(zhǎng)期影響取決于灌溉水的總含鹽量、鈉離子、重碳酸鹽和鈣離子的質(zhì)量濃度以及土壤的初始物理特征［12］。美國(guó)鹽分實(shí)驗(yàn)室制定的灌溉水質(zhì)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)被世界各國(guó)廣泛使用于灌溉水水質(zhì)分類(lèi)以及灌溉水對(duì)特定土壤類(lèi)型的適用性評(píng)價(jià)。美國(guó)鹽分實(shí)驗(yàn)室選取鈉離子吸附比（SAR）和EC 作為灌溉水水質(zhì)分類(lèi)指標(biāo)。其中SAR 表征堿金屬的危害性，EC 表征鹽分含量的危害性。地下水EC 空間分布圖（圖4）顯示，萊州灣東岸地下水鹽分含量普遍較高，地下水鹽化現(xiàn)象嚴(yán)重。SAR 空間分布見(jiàn)圖7，萊州灣東岸堿金屬危害風(fēng)險(xiǎn)較小，SAR 值介于0.41～5.13。

圖7 SAR 空間分布

依據(jù)美國(guó)鹽分實(shí)驗(yàn)室灌溉水水質(zhì)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)（圖8），研究區(qū)地下水可以分成4 種灌溉水水質(zhì)類(lèi)別，即C2-S1，C3-S1，C4-S1 和C5-S2。

圖8 萊州灣東岸地下水水質(zhì)分類(lèi)

圖8 顯示萊州灣東岸只有1 個(gè)地下水樣落在C2-S1 區(qū)，該類(lèi)型的地下水堿性低、鹽分含量中等適于灌溉，特別適于種植有中等耐鹽作物的各種土壤。水樣中有3 個(gè)落于C5-S2 區(qū)，該區(qū)地下水堿性中等但鹽度含量極高，不適用于灌溉。大部分地下水樣落于C4-S1 區(qū)（10 個(gè)）和C3-S1 區(qū)（33 個(gè)）。C4-S1 特征的地下水堿性低但鹽分含量高，此種類(lèi)型的水質(zhì)僅可用來(lái)灌溉強(qiáng)耐鹽性植物，并且要求土壤具有很強(qiáng)的滲透性和排水性能。C3-S1 特征的地下水堿性低、鹽分含量高，適于灌溉各種排水性好的土壤類(lèi)型。約72%的地下水可以安全用于灌溉，而不需要對(duì)土壤進(jìn)行鹽分控制；21%的地下水僅適于灌溉強(qiáng)耐鹽植物。

根據(jù)上述灌溉水水質(zhì)類(lèi)型，分別將C2-S1，C3-S1，C4-S1，C5-S2 類(lèi)型賦值1，2，3，4，并利用ArcGIS 9.3 繪制灌溉水水質(zhì)評(píng)價(jià)圖，見(jiàn)圖9。

圖9 萊州灣東岸灌溉水水質(zhì)評(píng)價(jià)圖

圖9 顯示萊州灣東岸地下水整體上適于進(jìn)行灌溉。C5-S2 類(lèi)型地下水由于鹽分危害大不適于進(jìn)行灌溉，主要在東北角和南部的鹵水分布區(qū)。C2-S1 和C3-S1 類(lèi)的地下水分布在萊州灣東岸的東南部、中部以及中南部的狹窄地帶，可視為安全灌區(qū)；僅適用于灌溉強(qiáng)耐鹽植物的C4-S1 地下水環(huán)繞安全灌區(qū)呈帶狀空間分布。

4 結(jié)論

（1）萊州灣東岸的地下水TDS，Cl-，HCO3-，Ca2+質(zhì)量濃度很高，而Na+，Mg2+，K+質(zhì)量濃度很低。地下水中NO3-質(zhì)量濃度很高，均值為172.88 mg/L，遠(yuǎn)大于地下水質(zhì)量IV 類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（≤30 mg/L）。研究表明，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中過(guò)量使用化肥和城鎮(zhèn)生活中的生活廢水大量排放是造成地下水硝酸鹽濃度過(guò)高的主要原因。

（2）地下水中Cl-，SO42-，Na+和K+的質(zhì)量濃度變異系數(shù)大，較其他離子對(duì)水文條件、地形地貌及人類(lèi)活動(dòng)等外界環(huán)境更為敏感；此外，4 種離子的質(zhì)量濃度均較大，是地下水鹽化的控制因子。

（3）研究區(qū)內(nèi)以Ca2+，Mg2+和Cl-為優(yōu)勢(shì)離子，水化學(xué)類(lèi)型以Ca-Cl 型、混合Ca·Mg-Cl 型為主，局部存在Ca-HCO3型，分布在霍旺村西及后趴埠村一帶。海水入侵使地下水Cl-濃度升高，地下水鹽化。逆向離子交換反應(yīng)導(dǎo)致萊州灣東岸地下水中Na+離子含量降低，而Ca2+，Mg2+升高。

（4）參照世界衛(wèi)生組織水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)查區(qū)地下水中超出最大容許標(biāo)準(zhǔn)值的組分有NO3-（超標(biāo)率83%）、總?cè)芙夤腆w（超標(biāo)率57%）、Cl-（超標(biāo)率47%）、Ca2+（超標(biāo)率53%）、K+（超標(biāo)率19%）、Na+（超標(biāo)率6%）。

（5）參照美國(guó)鹽分實(shí)驗(yàn)室提出的灌溉水水質(zhì)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，萊州灣東岸72%的地下水可以安全進(jìn)行灌溉，主要分布在萊州灣東岸的東南部、中部以及中南部3 個(gè)地區(qū)；21%的地下水僅適于灌溉強(qiáng)耐鹽植物，并且同時(shí)要求土壤具有較高的滲透和排水性能，成帶狀分布在安全灌區(qū)周?chē)?%地下水不適于用作灌溉用水，主要分布在南部的鹵水區(qū)及調(diào)查區(qū)的東北角。