吳振，王松濤

(山東省第四地質礦產勘查院 山東省地礦局海岸帶地質環(huán)境保護重點實驗室， 山東 濰坊 261021)

白浪河流域內地下水可分為淡水和鹵水兩種類型，人類生產活動主要聚集在淡水區(qū)。研究白浪河流域平原區(qū)地下水化學特征及其形成影響因素，對于正確理解流域地下水資源，保障供水安全具有重要意義。畢延鳳等[1]研究表明，白浪河流域淡水區(qū)和鹵水區(qū)的分界線為泊子鄉(xiāng)-大官莊村一線，以南為淡水區(qū)，以北為咸水-鹵水區(qū)，淡水區(qū)地下水總溶解固體(total dissolved solids，TDS)質量濃度一般小于3000 mg/L，水質較好，鹵水區(qū)地下水TDS質量濃度(ρ(TDS))一般大于20 000 mg/L，最高可達100 000 mg/L以上。白浪河流域北部海岸帶的地下鹵水資源較為豐富，其ρ(TDS)可達海水的2～6倍。鹵水中主要離子成分是Na+和Cl-，其次還含有K+、Br-、B3+、Mg2+、I-、Sr2+、Li+等[2]。

根據一般水文地質規(guī)律，平原區(qū)地下淡水主要來源于濰坊南部山區(qū)的補給，關于白浪河流域北部地下鹵水的來源，主要有兩種觀點：第一種觀點認為歷史時期三次海侵和海退，遺留的古海水蒸發(fā)濃縮形成鹵水，原因是該區(qū)具備海水蒸發(fā)濃縮的三個條件，即蒸發(fā)量大于補給量、海水補給、鹵水儲存的封閉場所[3-6]，且萊州灣南岸的鹵水賦存于三次海侵形成的三個松散砂層含水層中，這也從鹵水賦存空間角度側面印證了這一觀點；第二種觀點認為鹵水中的鹽分與溶解蒸發(fā)鹽有關，確定蒸發(fā)鹽的主要鹽源為海洋鹽分[7-9]，即隨著地下水的流動，地層中的易溶鹽溶解，地下水的水化學成分雖然呈現為鹵水的特征，但是鹵水中的水分子已經不是原來的海水了，已經被新的地下水所驅替。研究人員使用水化學和同位素分析的方法，發(fā)現鹵水分布區(qū)地下水的氘氧同位素值為負值，且位于大氣降水線附近，說明鹵水區(qū)的地下水來源于大氣降水。因為如果鹵水是由海水蒸發(fā)濃縮形成，則鹵水的同位素值應為正值且位于蒸發(fā)線上，萊州灣南岸的鹵水的氘氧同位素特征并不符合這一條件。

綜上所述，對于萊州灣南岸地下水鹵水的形成已有一些研究，兩種觀點分別從地層和水化學同位素數據角度給出了解釋，但是對于白浪河流域地下水化學成分的演化機理尚不清楚。本文以已有研究為基礎，從地質演化角度出發(fā)，通過水化學分析，進一步分析了全流域地下水水化學演化規(guī)律及影響因素。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于白浪河流域，地下水類型為松散巖類孔隙水，含水層巖性以沖積、沖洪積砂礫石為主，夾黏土、粉砂質黏土、黏土質粉砂。含水層厚度分布不均，從南到北由薄變厚，顆粒由粗變細，含水層由單層變?yōu)槎鄬?。地下水流向為由南向北[10]，地下水埋深總體上為南深北淺。

白浪河沖洪積扇的軸部及外圍、河流兩側第四系孔隙水最為發(fā)育，含水層顆粒粗，孔隙率大，富水性強，單井涌水量一般1000～3000 m3/d，強富水地段可達5000 m3/d，ρ(TDS)一般小于1000 mg/L。水位埋深一般11～25 m，局部因強烈開采，水位埋深可超過50 m。白浪河流域北部為鹵水區(qū)，ρ(TDS)一般大于10 000 mg/L，水位埋深一般小于10 m，該區(qū)域含水層巖性以粉細砂夾黏土層為主，富水性一般小于1000 m3/d。

白浪河流域北部為沖積、海積平原區(qū)，分布著廣泛的鹵水資源[11-12]，鹵水賦存于海岸帶的海陸交互相沉積層中，形成于晚更新世至全新世。根據前人鉆孔資料，自晚更新世以來，濰坊北部海岸帶發(fā)生過三次地殼升降運動，并形成三次海侵-海退，從而形成了三個海相地層[5,13]。鹵水含水層的厚度由陸地向海洋方向有變厚的趨勢。鹵水濃度具有分帶性，一般在近岸和遠岸出現低濃度帶，在中間出現高濃度帶，局部地段出現高濃度區(qū)，呈長條狀或不規(guī)則狀分布[13]。

2 樣品數據和研究方法

表1 地下水樣品數據表Table 1 Table of groundwater sample data

在水質樣品測試完成后，利用了Gibbs圖、Piper三線圖及無機離子示蹤劑的方法，研究了萊州灣南岸平原區(qū)地下水的水化學特征及控制因素。Gibbs圖主要用于分析地下水化學成分的來源。Piper三線圖主要分析地下水的水化學類型及其變化。無機離子示蹤劑主要用于分析不同無機離子之間的相互作用。

3 結果與討論

3.1 TDS變化

圖1為白浪河流域從出山口至海岸帶地下水的ρ(TDS)變化曲線，其中橫坐標為與出山口的距離。從圖1中可以看出，地下水的ρ(TDS)隨著距離增大呈現升高趨勢，在淡水區(qū)，地下水的ρ(TDS)一般小于3000 mg/L，平均值為1 098.1 mg/L；在鹵水區(qū)，地下水的ρ(TDS)一般大于80 000 mg/L，平均值為115 669.3 mg/L。從圖中可以看出，ρ(TDS)的變化非常劇烈，升高很明顯。這種劇烈變化與內陸盆地地下水咸化不同，內陸盆地的地下水咸化會有由低到高漸變的過程，只有在鹽湖區(qū)，才會有劇烈升高。而白浪河流域北部平原地下水的ρ(TDS)在很短的流動路徑上即有非常劇烈的升高。所以，根據其ρ(TDS)的不同，可以將研究剖面分為淡水區(qū)和鹵水區(qū)分別討論。

圖1 出山口至海岸帶地下水TDS變化曲線Fig. 1 TDS change curve of groundwater from mountain to coastal zone

3.2 水化學成分

地下水的水化學成分是由地下水的經歷所決定的，主要有地下水的補給來源、地下水流動路徑、氣候條件以及水巖相互作用等，同時地下水的水化學成分也受人類活動的影響，可以利用Piper三線圖揭示地下水的水化學特征及其演化規(guī)律[14-18]。圖2為白浪河流域地下水的Piper三線圖，從圖中可以看出，淡水區(qū)地下水化學成分的演化為沿著圖中的箭頭由上到下，由弱酸區(qū)演化到強酸區(qū)，水化學類型則由HCO3-Ca·Mg型、HCO3- Mg·Ca型為主逐漸變?yōu)镾O4·HCO3- Mg·Ca型、SO4·HCO3- Mg型、HCO3·SO4-Mg·Na型為主。鹵水則主要分布在強酸區(qū)，水化學類型以SO4-Na型、Cl-Na型為主。從Piper三線圖上可以看出，在淡水區(qū)，地下水中鈉的毫克當量百分數一直處于升高的趨勢，說明淡水區(qū)地下水在流動過程中溶解了含鈉的礦物。

圖2 白浪河流域地下水樣點Piper三線圖Fig.2 Piper diagram of groundwater sample in Bailang River catchment

3.3 蒸發(fā)濃縮

Gibbs模型可以反映大氣降水、水巖相互作用和蒸發(fā)濃縮作用等對水化學成分的影響，該模型以ρ(TDS)表示縱坐標，以c(Na+)/c(Na++Ca2+)、c(Cl-)/c(Cl-+HCO3-)為橫坐標，樣品在Gibbs圖中的分布位置可以反映地下水化學特征的主要影響因素[19]。當ρ(TDS)值較低且c(Na+)/c(Na++Ca2+)或c(Cl-)/c(Cl-+HCO3-)>0.5時，表明地下水化學組分主要受大氣降水作用影響；當樣品ρ(TDS)值分布中等且c(Na+)/c(Na++Ca2+)或c(Cl-)/c(Cl-+HCO3-)<0.5時，表明地下水化學組分主要受水巖作用影響；當ρ(TDS)值較高且c(Na+)/c(Na++Ca2+)或c(Cl-)/c(Cl-+HCO3-)比值接近1時，表明該地下水化學成分主要受蒸發(fā)作用影響[20-22]。

從圖3可以看出，白浪河流域淡水區(qū)地下水樣點都落在了水巖相互作用區(qū)，表明淡水區(qū)地下水水化學成分的形成主要是水巖相互作用。鹵水區(qū)的地下水樣品落在了蒸發(fā)濃縮區(qū)，表明鹵水區(qū)地下水化學成分的形成是由于蒸發(fā)濃縮作用。不同于內陸盆地的蒸發(fā)濃縮作用，地下水咸化的直接原因是蒸發(fā)濃縮；鹵水區(qū)地層中的鹽分主要來源于三次海侵剩余海水的蒸發(fā)濃縮，在地下水流動過程中，溶解了海水蒸發(fā)濃縮而析出的鹽分，在Gibbs圖上，水化學成分表現蒸發(fā)濃縮的特征。

圖3 白浪河流域地下水樣品Gibbs圖Fig.3 Gibbs map of groundwater samples in Bailang River catchment

3.4 離子關系

注：1 meq/L=電荷數×103 mol/L。圖4 鹵水區(qū)陽離子與Cl-的關系Fig.4 Relationship between cations and Cl- in the coastal zone

濰坊市海岸帶經歷了三次海侵和海退，沉積了大量的鹽分。首先確定海水蒸發(fā)析出的礦物，再反演地下水在徑流過程中對礦物的溶解。海水蒸發(fā)試驗給出了礦物沉淀的基本順序，即首先沉淀難溶礦物，再沉淀易溶礦物[25]，具體過程是：蒸發(fā)開始后，首先沉淀CaCO3；當海水蒸發(fā)掉80%以后(此時碳酸鹽都已沉淀)，石膏(CaSO4)開始沉淀；當海水蒸發(fā)掉90%后(此時海水中的大多數Ca2+已隨石膏沉淀)，石鹽(NaCl)開始沉淀；當海水蒸發(fā)掉95%后，MgCl2、MgSO4、KCl和K2SO4開始沉淀。

Harvie等[26]通過理論推導出礦物溶解的難易順序，按溶解度由大到小，主要礦物由快到慢的溶解速度排序為：MgCl2、NaCl、KCl、Na2CO3、Na2SO4、CaCl2、CaSO4。利用Pitzer理論[27-30]計算鹵水樣品的飽和指數，見表2，從表中可以看出，易溶鹽的飽和指數都小于0，說明易溶鹽尚未達到飽和，地下水在流動的過程中會首先溶解易溶鹽。CaSO4的飽和指數接近于0，部分樣點大于0，表明CaSO4已經基本達到飽和，所以不會再溶解CaSO4。

圖5 鹵水區(qū)地下水樣品中c(Na++K++Mg2+)與關系圖Fig.5 Relationship between c(Na++K++Mg2+) and of groundwater samples in coastal zone

3.5 水化學成分的影響因素

從上文的分析中可以看出，淡水區(qū)的ρ(TDS)較低，鹵水區(qū)的ρ(TDS)較高，有明顯的區(qū)別。從Piper三線圖分析可以得出，淡水區(qū)地下水水化學成分的形成主要是地下水徑流過程中的溶濾作用。根據鹵水區(qū)地下水樣品的Gibbs圖，鹵水區(qū)地下水化學成分有蒸發(fā)濃縮的特征，這是由于地下水在流動過程中溶解了易溶鹽，而這些易溶鹽則是歷史時期海侵和海退遺留的古海水蒸發(fā)濃縮形成的。根據前人對鹵水區(qū)地下水同位素的研究，鹵水中的水分子未經歷過蒸發(fā)。這兩項研究看似矛盾，實則是因為所提及的時間點不同。地層中的鹽分是歷史時期海水蒸發(fā)形成；而同位素研究中的水分子未受蒸發(fā)，是指現在所取水樣中的水分子未受蒸發(fā)。從地質演化角度考慮，三次海侵距今已有一萬年左右，海侵時留下的海水形成了現在地層中的鹽分。海侵和海退結束后，陸地的地下水向海洋排泄，一萬年前留在地層中的地下水，已經被一萬年以來的地下水徑流所驅替，所以原來經受蒸發(fā)的水分子已經不復存在，現在含水層中的水是新補給的水，而地下水中的化學成分是溶濾地層中的鹽分形成的。

4 結論

(1)淡水區(qū)ρ(TDS)一般不超過3 000 mg/L，鹵水區(qū)的ρ(TDS)一般為80 000～170 000 mg/L，較淡水區(qū)的ρ(TDS)有明顯的升高，這一點不同于典型的沖洪積平原的ρ(TDS)分布規(guī)律，是由于鹵水區(qū)地下水化學成分的演化主要受控于三次海侵沉積的鹽分。

(2)淡水區(qū)地下水化學成分的演化在Piper三線圖上表征為由上到下，由弱酸區(qū)演化到強酸區(qū)，水化學類型則由重碳酸型為主逐漸變?yōu)榱蛩嵝蜑橹?。鹵水則主要分布在強酸區(qū)，水化學類型以氯型為主。

白浪河的下游為鹵水區(qū)，鹵水是一種有效資源，未來可以進一步定量研究鹵水的可持續(xù)開發(fā)，這對當地資源開發(fā)和社會經濟發(fā)展都有一定的促進作用。