郭明華 ,王 敬 ,戴長(zhǎng)國(guó) ,蔣 雷 ,張浩清,柳 超

(1.山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 威海 264209; 2.山東省深部金礦探測(cè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)工程實(shí)驗(yàn)室,山東 威海 264209; 3.山東省地礦局深部金礦勘查評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 威海 264209; 4.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,山東 青島 266011)

海水入侵是由于自然或人類活動(dòng)打破地下水咸淡水之間的動(dòng)態(tài)平衡導(dǎo)致海水侵入濱海含水層的現(xiàn)象[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者常用解析法[2-4]和數(shù)值模擬法[5-7]研究海水入侵機(jī)理。但含水層的海水入侵現(xiàn)狀直接影響著海岸帶地下水資源的利用以及相關(guān)政策的制定,因此本研究重點(diǎn)在區(qū)域地下水的海水入侵現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及其水化學(xué)演化。

Piper三線圖是常用的表示地下水化學(xué)組成的工具,廣泛地應(yīng)用在地下水化學(xué)分析中[8-10]。但海水入侵是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,Piper圖無(wú)法表示水化學(xué)類型變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。水化學(xué)相演化圖(hydrochemical facies evolution diagram,HFE-D)把海水入侵過(guò)程中地下水的化學(xué)演化分為淡化階段和咸化階段,既能反映地下水的化學(xué)組成,又能清晰地反映海水入侵過(guò)程中的水化學(xué)演化所處的時(shí)期,能更直觀地描述水化學(xué)演化這一動(dòng)態(tài)過(guò)程。HFED由Giménez-Forcada[11]提出,各國(guó)學(xué)者運(yùn)用 HFE-D分別評(píng)價(jià)了意大利[12]、黃河三角洲地區(qū)[13]、伊朗[14]、印度[15]、西班牙[16]、越南[17]的地下化學(xué)演化,但HFE-D無(wú)法反映區(qū)域的海水入侵情況。

在對(duì)區(qū)域海水入侵現(xiàn)狀的評(píng)價(jià)中,Cl-、總礦化度TDS(total dissolved solids,TDS)是常用的化學(xué)指標(biāo)。單一指標(biāo)法[18]或幾種化學(xué)指標(biāo)按照一定方法的組合[19]是評(píng)價(jià)海水入侵程度常用的方法。近年來(lái),通過(guò)硼、鍶[20,21]、鋰[22]的同位素反映海水入侵問(wèn)題也成為了研究熱點(diǎn)。但是海水在侵入含水層的過(guò)程中會(huì)發(fā)生一系列的水文地球化學(xué)反應(yīng): 咸淡水間的正向陽(yáng)離子交換[23]、水巖之間反向陽(yáng)離子交換[24]、 碳酸鹽溶解[25]等。因此,直接運(yùn)用化學(xué)指標(biāo)無(wú)法全面客觀地評(píng)價(jià)海水入侵問(wèn)題。TOMASZKIEWICZ[26]等提出了海水入侵地下水質(zhì)量指數(shù) (groundwater quality index for seawater intrusion,GQISWI),把海水入侵過(guò)程中的各種地下水化學(xué)類型轉(zhuǎn)換成數(shù)值(0～100)。該方法雖然考慮了海水入侵過(guò)程中復(fù)雜的水文地球化學(xué)反應(yīng),但能直接用分?jǐn)?shù)評(píng)價(jià)海水入侵程度,比單一指標(biāo)評(píng)價(jià)法更全面,比數(shù)值模擬更簡(jiǎn)便。TRABELSI等[27]運(yùn)用 GQISWI評(píng)價(jià)了突尼斯海岸帶含水層的海水入侵程度; AYED[28]等運(yùn)用GQISWI評(píng)價(jià)了突尼斯東南沿海含水層的海水入侵情況; LOTFATA等[29]運(yùn)用GQISWI評(píng)價(jià)了美國(guó)海岸帶地下水的水質(zhì)。

為確定研究區(qū)地下水的化學(xué)類型及其動(dòng)態(tài)演化、評(píng)價(jià)研究區(qū)的海水入侵現(xiàn)狀、針對(duì)研究區(qū)離子濃度并結(jié)合經(jīng)緯度坐標(biāo)利用反距離加權(quán)插值算法并結(jié)合滲透系數(shù)對(duì)研究區(qū)域海水入侵程度進(jìn)行劃分,作者采用HFE-D和 GQISWI共同分析海岸帶地下水的海水入侵現(xiàn)狀,兼顧了水化學(xué)組成的動(dòng)態(tài)演化和區(qū)域海水入侵的現(xiàn)狀評(píng)價(jià),為研究區(qū)地下水資源的開(kāi)發(fā)利用提供了參考,也確定了海水入侵防治措施在該區(qū)域的必要性。另外,在國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中尚未找到 HFE-D和 GQISWI的應(yīng)用案例,本文為國(guó)內(nèi)其他地區(qū)的海水入侵研究提供了參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概

本文選取山東省威海市文登區(qū)為研究對(duì)象。該區(qū)域面積 1 615 km2,南鄰黃海,屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。研究區(qū)降水總量少且分布不均,夏季降水約占全年70%。文登全區(qū)河流均為雨源型河流,在枯水季,除幾條主要河流中下游有很小徑流外,大都斷流。文登區(qū)地下水屬于淺層地下水,埋深 3～10 m。在溝谷中以裂縫下降泉的形式露出并進(jìn)入河道,是區(qū)域內(nèi)地表水在枯水期的主要補(bǔ)給水源。

母豬河是文登區(qū)內(nèi)最大河流,其上游的米山水庫(kù)是區(qū)域主要的水源地,但這還無(wú)法完全滿足工農(nóng)業(yè)和境內(nèi)58萬(wàn)居民的用水需求。因此,文登區(qū)對(duì)地下水依賴程度較大,同時(shí)人口增長(zhǎng)也帶來(lái)更高的用水需求,這會(huì)導(dǎo)致地下水超采從而增加海水入侵風(fēng)險(xiǎn)。文中水質(zhì)和地質(zhì)數(shù)據(jù)源于山東第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘察院的 46個(gè)地下水監(jiān)測(cè)井的鉆井?dāng)?shù)據(jù)(2013年—2014年)。本文用虛線把文登區(qū)劃分為南北兩部分,其中,小觀鎮(zhèn)、澤頭鎮(zhèn)、宋村鎮(zhèn)、侯家鎮(zhèn)和澤庫(kù)鎮(zhèn)屬于南部沿海區(qū)域,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)及監(jiān)測(cè)井位置如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)井位置圖Fig.1 Location of monitoring wells

1.2 水化學(xué)演化圖

HFE-D的計(jì)算過(guò)程涉及的陽(yáng)離子有 Na+、K+、Ca2+、Mg2+,陰離子有、、Cl-、。海水入侵中水文地球化學(xué)過(guò)程復(fù)雜,在簡(jiǎn)化復(fù)雜過(guò)程時(shí)忽略了一些次要過(guò)程,因此 HFE-D的繪制過(guò)程只考慮占比最大的Na+、K+、Ca2+、、Cl-、。其中 Mg2+、K+不在圖中展示,僅在計(jì)算中使用。另外和均可代表淡水,在圖中表示一個(gè)指標(biāo)即可[11]。本文選取作為淡水中的特征陰離子。

HFE-D中橫軸代表Ca2+和Na++K+濃度在總陽(yáng)離子濃度中的百分比; 縱軸表示和 Cl-濃度在總陰離子濃度中的百分比。HFE-D把含水層發(fā)生海水入侵時(shí)的水化學(xué)演化分為侵入期和恢復(fù)期,分別表示咸化過(guò)程和淡化過(guò)程。在侵入期,Ca-HCO3型淡水在咸化的過(guò)程由于反向陽(yáng)離子交換,先形成中間態(tài)的Ca-Cl型水,再逐漸演化成Na-Cl型海水,整個(gè)侵入期包括淡水與咸水的初始混合過(guò)程(Ⅰ)、反向陽(yáng)離子交換過(guò)程(Ⅱ)、后期混合水徹底咸化過(guò)程(Ⅲ)。淡水恢復(fù)期時(shí),Na-Cl海水與淡水混合生成過(guò)渡態(tài)的Na-型水,最終逐漸恢復(fù)成 Ca-HCO3型淡水,整個(gè)恢復(fù)期包括咸水與淡水初始混合過(guò)程(Ⅰ′)、正向陽(yáng)離子交換過(guò)程(Ⅱ′)、后期混合水徹底淡化過(guò)程(Ⅲ′)。除了以上提到的淡水Ca-HCO3、海水Na-Cl、反向陽(yáng)離子交換地下水Ca-Cl、正向陽(yáng)離子交換水Na-HCO3,在HFE-D中,用“Mix”表示圖中百分比小于50%的離子,即圖2中的混合過(guò)程,完整的 HFE-D(圖2)中各分區(qū)的水化學(xué)組成分別是:

1: Na-HCO3,2: Na-MixHCO3,3: Na-MixCl,4:Na-Cl,5: MixNa-HCO3,6: MixNa-MixHCO3,7:MixNa-MixCl,8: MixNa-Cl,9: MixCa-HCO3,10:MixCa-MixHCO3,11: MixCa-MixCl,12: MixCa-Cl,13:Ca-HCO3,14: Ca-MixHCO3,15: Ca-MixCl,16: Ca-Cl。圖2中的混合線把水化學(xué)演化分為淡化和咸化過(guò)程,由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中最接近100%Ca-HCO3和100%Na-Cl的點(diǎn)連接而成[23]。另外為了更清楚地表示水化學(xué)演化,HFE-D省略了坐標(biāo)軸0～33.3%的部分。

圖2 水化學(xué)演化圖HFE-DFig.2 Hydrochemical facies evolution diagram

1.3 海水入侵地下水質(zhì)量指數(shù)GQISWI

GQISWI是由地下水中各離子的濃度(meq/L)計(jì)算出的分?jǐn)?shù),能直接反映地下水的咸化程度。GQISWI考慮到海水占比和Piper圖。海水占比按照下式計(jì)算:

式中,各參數(shù)分別表示水樣,淡水和海水中的氯離子濃度(meq/L),可用0 meq/L和566 meq/ L分別表示淡水和海水中氯離子濃度[26]。為確保該分?jǐn)?shù)值域在 0～100,做如下處理:

海水入侵過(guò)程中的陽(yáng)離子交換會(huì)引起其他一系列的水文地球化學(xué)反應(yīng),如陽(yáng)離子交換,方解石溶解,硫酸鹽還原等,涉及的離子有 Na+,K+,Ca2+,Mg2+,,Cl-,。Piper圖能相對(duì)全面地表示地下水的化學(xué)組成,在GQISWI中,根據(jù)海水入侵中各水文地球化學(xué)過(guò)程把Piper圖分成6個(gè)區(qū)域(圖3)[26],Ⅰ到Ⅵ分別表示 Ca-HCO3,Na-Cl,Ca-Na-HCO3,Ca-Mg-Cl,Ca-Cl,Na-HCO3型水[26]。Ca-HCO3型水是最高分100分代表淡水,Na-Cl水是最低分0分代表海水。GQIPiper是對(duì)地下水Piper圖的數(shù)值解釋,運(yùn)用各離子濃度(meq /L)計(jì)算GQIPiper的方法見(jiàn)下式[26]:

圖3 Piper圖中GQIPiper(mix)和 GQIPiper(dom)的分區(qū)Fig.3 Domains of GQIPiper(mix) and GQIPiper(dom) in Piper diagram

在計(jì)算 GQISWI時(shí)使用到的是 GQIPiper(mix),Piper圖中其他過(guò)程用GQIPiper(dom)表示[26]。fsea能簡(jiǎn)捷地評(píng)價(jià)當(dāng)前海水入侵程度,但其僅僅考慮了氯離子濃度,并未考慮到海水侵入過(guò)程中復(fù)雜的水文地球化學(xué)反應(yīng)。Piper圖能直觀地表示地下水的水文地球化學(xué)過(guò)程,但無(wú)法量化海水入侵程度。GQISWI把兩種方法結(jié)合起來(lái),讓兩種方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),計(jì)算方法如下[26]:

1.4 數(shù)據(jù)獲取

本研究所采用的數(shù)據(jù)均來(lái)自威海文登區(qū)地下實(shí)地勘測(cè)的離子濃度真實(shí)數(shù)據(jù),離子主要包括 K+、Na+、Ca2+、Mg2+、、、Cl－,利用反距離加權(quán)插值(inverse distance weight,IDW)算法并結(jié)合滲透系數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)充處理,IDW 算法是非規(guī)則分布點(diǎn)變成規(guī)則分布點(diǎn)常用的網(wǎng)格化方法之一。經(jīng)過(guò)插值處理之后,最終的輸入數(shù)據(jù)共有900條,本研究擬對(duì)所有輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行水化學(xué)演化和海水入侵現(xiàn)狀分析討論。

2 結(jié)果與討論

2.1 水化學(xué)演化

用Piper三線圖表示文登區(qū)地下水的化學(xué)組成(圖4)。按照 GQISWI中對(duì) Piper圖中水化學(xué)類型的劃分,文登中北部地區(qū)地下水多為 Ca-Mg-Cl型,部分地區(qū)為 Ca-HCO3型,結(jié)果表明該區(qū)域地下水以淡水為主; 南部由 Ca-Mg-Cl型水和 Na-Cl型水組成,其中Na-Cl型水多位于澤庫(kù)鎮(zhèn)和宋村鎮(zhèn)等沿海地區(qū),結(jié)果表明以上區(qū)域含水層中海水占據(jù)了主導(dǎo)地位。

文登區(qū)地下水HFE-D如圖5所示。南部沿海地區(qū)的地下水多為 Na-Cl型海水,表明沿海地區(qū)地下水已經(jīng)完成了從淡水到海水的演化,發(fā)生了嚴(yán)重的海水入侵現(xiàn)象。南部?jī)?nèi)陸地區(qū)多數(shù)位于混合線以下,表明該區(qū)域地下水正處于海水侵入階段,并且多數(shù)地區(qū)地下水已經(jīng)完成由Ca-HCO3型向Ca-Cl型的演化,正在由Ca-Cl型向 Na-Cl型演化。HFE-D圖隱藏了坐標(biāo)軸 0～33.3%段各離子濃度相對(duì)均衡的區(qū)域,導(dǎo)致文登北部部分地區(qū)的低礦化地下水未能在圖中展現(xiàn),但圖5表明北部地區(qū)依舊有很多 Ca-Cl型水,這表明文登內(nèi)陸地下水也完成了由Ca-HCO3型水向 Ca-Cl型水的演化,沿海地區(qū)的咸水有向內(nèi)陸擴(kuò)散的趨勢(shì)。另外,由圖4和圖5可知研究區(qū)只有極少數(shù)地區(qū)表現(xiàn)為Na-HCO3型水,表明研究區(qū)咸水并沒(méi)有明顯的淡化趨勢(shì),可能的原因是文登區(qū)地下水補(bǔ)給不足。

圖5 文登區(qū)地下水HFE-DFig.5 Hydrochemical facies evolution diagram of Wendeng District

圖5中的斜線為保守混合線(conserve mixing line),該線為研究區(qū)域內(nèi)咸化和淡化過(guò)程趨勢(shì)的分界軸,位于保守混合線上的點(diǎn)為基礎(chǔ)指數(shù) 50,即代表該點(diǎn)位沒(méi)有明顯的淡化或咸化過(guò)程趨勢(shì)。之后按照該研究區(qū)域內(nèi) 900條數(shù)據(jù)的淡化和咸化過(guò)程趨勢(shì)進(jìn)行距軸計(jì)算,即在基礎(chǔ)指數(shù) 50上進(jìn)行相應(yīng)的加減分計(jì)算,最終得到 HFE-D指數(shù)分布圖,如圖6所示。

HFE-D指數(shù)越高的區(qū)域表示該區(qū)域內(nèi)淡化過(guò)程趨勢(shì)越強(qiáng),HFE-D指數(shù)越低的區(qū)域表示該區(qū)域內(nèi)咸化過(guò)程趨勢(shì)越強(qiáng)。由圖6可知研究區(qū)大部分區(qū)域的HFE-D指數(shù)在 50左右,說(shuō)明研究區(qū)大部分區(qū)域沒(méi)有明顯的淡化或咸化過(guò)程趨勢(shì),處于相對(duì)平衡狀態(tài)。研究區(qū) HFE-D指數(shù)北部區(qū)域高于南部區(qū)域,說(shuō)明研究區(qū)南部區(qū)域存在較為明顯的咸化過(guò)程趨勢(shì)。圖6中宋村鎮(zhèn)西部存在一個(gè)明顯的淡化過(guò)程趨勢(shì)區(qū)域,該區(qū)域位于母豬河、東母豬河交匯區(qū)域,該區(qū)域存在河道較寬、滲透系數(shù)較高的情況,因此大量淡水的流入會(huì)稀釋海水入侵后的水源,進(jìn)而降低水中的含鹽度。另外研究區(qū)北部 HFE-D指數(shù)文登營(yíng)鎮(zhèn)區(qū)域小于研究區(qū)其他區(qū)域,主要可能原因有兩點(diǎn): 首先HFE-D未考慮天然地表水離子濃度的影響,文登營(yíng)鎮(zhèn)區(qū)域天然地表水Cl-濃度較高; 其次文登營(yíng)鎮(zhèn)西部為文登區(qū)主城區(qū),東母豬河流經(jīng)文登區(qū)主城區(qū)且該河流兩側(cè)建有材料、機(jī)械、環(huán)保設(shè)備等工廠,部分生產(chǎn)污水對(duì)地表水離子濃度產(chǎn)生一定影響,且人類活動(dòng)導(dǎo)致形成隔水層,導(dǎo)致地下水難以得到充足的地表淡水補(bǔ)充,進(jìn)一步導(dǎo)致相關(guān)離子濃度升高。

圖6 水化學(xué)演化HFE-D指數(shù)分布圖Fig.6 Distribution diagram of Hydrochemical facies evolution diagram index of water chemical evolution

2.2 海水入侵現(xiàn)狀

利用 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、、、Cl-的插值結(jié)果計(jì)算得到研究區(qū)的GQISWI分布,見(jiàn)圖7。結(jié)果表明研究區(qū) GQISWI整體上從北到南逐漸降低,中部和北部地區(qū) GQISWI多數(shù)在 80以上,地下水以Ca-HCO3和Ca-Cl類型為主。南部沿海地區(qū)的GQISWI多在60以下。其中,小觀鎮(zhèn)、侯家鎮(zhèn)、澤庫(kù)鎮(zhèn)和宋村鎮(zhèn)的部分地區(qū) GQISWI低于 10,地下水化學(xué)類型以Na-Cl型為主。

由圖7可知研究區(qū)自南向北海水入侵現(xiàn)狀逐漸減緩,研究區(qū)南部的小觀鎮(zhèn)和澤庫(kù)鎮(zhèn) GQISWI指數(shù)極低,屬于海水嚴(yán)重入侵區(qū)域。宋村鎮(zhèn) GQISWI指數(shù)相對(duì)較低,屬于一般程度海水入侵區(qū)域。根據(jù)相關(guān)離子指數(shù)分布和GQISWI計(jì)算預(yù)測(cè)研究區(qū)南部的澤頭鎮(zhèn)和侯家鎮(zhèn) GQISWI指數(shù)中等,應(yīng)為輕度海水入侵區(qū)域,后期將通過(guò)進(jìn)一步的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采樣,驗(yàn)證澤頭鎮(zhèn)和侯家鎮(zhèn)的海水入侵情況。

圖7 海水入侵現(xiàn)狀: GQISWI分布圖Fig.7 Status map of seawater intrusion: distribution of GQISWI

另外,從 GQISWI指數(shù)分布圖可知,文登營(yíng)鎮(zhèn)及西側(cè)區(qū)域 GQISWI指數(shù)較高,說(shuō)明海水入侵程度很輕微,這與圖6的結(jié)果產(chǎn)生一定的矛盾。這是由于在GQISWI指數(shù)計(jì)算的時(shí)候,考慮了地表淡水的天然離子濃度影響,說(shuō)明 GQISWI指數(shù)法更能全面客觀地表述海水入侵現(xiàn)狀的情況。

3 結(jié)論與建議

Piper三線圖和 HFE-D結(jié)果表明文登區(qū)中北部地下水為Ca-Mg-Cl和Ca-HCO3型淡水; 南部沿海地區(qū)是Ca-Mg-Cl和Na-Cl型水,部分地區(qū)海水主導(dǎo)。HFE-D表明文登南部沿海地區(qū)地下水已經(jīng)完成了由淡水到海水的演化,由于淡水補(bǔ)給不足,并且沒(méi)有明顯的淡化趨勢(shì)。南部?jī)?nèi)陸和部分北部地區(qū)地下淡水也多處于海水入侵期,因此咸水有進(jìn)一步向北部?jī)?nèi)陸擴(kuò)散的趨勢(shì)。由GQISWI分析結(jié)果可知研究區(qū)南部小觀鎮(zhèn)和澤庫(kù)鎮(zhèn) GQISWI指數(shù)極低,屬于嚴(yán)重海水入侵區(qū)域; 宋村鎮(zhèn) GQI指數(shù)相對(duì)較低,屬于一般程度海水入侵區(qū)域,根據(jù)相關(guān)離子指數(shù)分布和 GQISWI計(jì)算預(yù)測(cè)研究區(qū)南部的澤頭鎮(zhèn)和侯家鎮(zhèn)GQISWI指數(shù)中等,應(yīng)為輕度海水入侵區(qū)域。 基于得到的海水入侵現(xiàn)狀圖取得了同樣的結(jié)果,傳統(tǒng)方法單純使用 Cl-和TDS插值計(jì)算并且使用單一指標(biāo)評(píng)價(jià)。GQISWI則運(yùn)用了Na+、K+、Ca2+等7種離子,這些離子都是海水入侵中發(fā)生的水文地球化學(xué)反應(yīng)中涉及的離子,因此 GQISWI更能反映海水入侵現(xiàn)狀。此外 GQISWI考慮了海水入侵過(guò)程中一系列水文地球化學(xué)過(guò)程,因此它比一般化學(xué)指標(biāo)評(píng)價(jià)法更全面客觀。HFE-D是能反映海水入侵這一動(dòng)態(tài)過(guò)程的方法,能根據(jù)地下水中占主導(dǎo)的離子判斷該地區(qū)地下水的淡化或咸化趨勢(shì)。GQISWI和HFE-D這兩種方法結(jié)合既能全面客觀地評(píng)價(jià)海水入侵現(xiàn)狀,又能判斷出海水入侵的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。研究結(jié)果有助于文登區(qū)確定地下水的開(kāi)采策略和海水入侵的防治措施。HFE-D和GQISWI的應(yīng)用為國(guó)內(nèi)其他地區(qū)的海水入侵評(píng)價(jià)提供了參考。