李明波,周勇,張金鑫*,張宇豐,武斌

(1.山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 濰坊 261021;2.山東省地礦局海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護重點實驗室,山東 濰坊 261021;3.濰坊市土地儲備中心,山東 濰坊 261021;4.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院,山東 青島 266100)

0 引言

萊州灣鹽區(qū)溴素產(chǎn)量占全國溴素總產(chǎn)量70%,被譽為中國溴鹽之鄉(xiāng)。近20年來,地下鹵水資源經(jīng)歷了掠奪式的開采,鹵水工業(yè)品位逐年下降,地下鹵水可持續(xù)開采的重要性與迫切性日益突出[1]。實現(xiàn)鹵水資源可持續(xù)開采,清晰鹵水鹽分喪失與接受補給的平衡。厘清在當前鹵水開采、停采模式下,地下鹵水鹽分來源及化學構(gòu)成變化規(guī)律對未來合理規(guī)劃地下鹵水資源開采有重要意義。

萊州灣地下鹵水鹽分的喪失主要受鹵水開采作用以及淡水、微咸水向鹵水體入侵影響。研究表明,在21世紀以來大規(guī)模地下鹵水開采影響下,開采區(qū)內(nèi)地下水位呈持續(xù)下降趨勢,形成了以多個鹽場為中心的大型降水漏斗,降水漏斗深度約在10～40m間不等[2-4]。地下鹵水水位的降低進一步增大了南部淡水水頭與其間的水力梯度,低鹽度水體不斷入侵鹵水體引起“咸水淡化”,進一步造成了鹵水資源中鹽分的喪失[5]。

然而在鹵水停采區(qū)域,地下水位已有明顯的恢復,降水漏斗深度與影響范圍顯著減小。此外,該區(qū)域地下鹵水鹽度顯著升高,意味著萊州灣南岸地下鹵水具有可持續(xù)開發(fā)的潛力。

萊州灣地下鹵水體鹽度能夠恢復,得益于鹵水體周圍存在多種鹽分來源能夠?qū)ζ鋵嵤┭a給。當前研究普遍認為,補給濱海鹵水資源的鹽分有4類:

(1)寬緩的潮灘、干旱的氣候以及頻繁的風暴潮事件,使潮灘成為天然曬鹽場,鹽分在潮灘沉積物中蒸發(fā)累積后下滲補給至含水層中實現(xiàn)對鹵水資源的補給[6-7]。

(2)蒸發(fā)鹽、鹽巖溶解后釋放到鹵水層中[8]。

(3)相鄰鹵水層中的高鹽度水體通過越流的方式實現(xiàn)鹽分的補給[9-11]。

(4)弱透水層中累積的古海水及鹽分釋放到鹵水層中[12-13]。

在萊州灣沿岸及濱海平原區(qū)域,眾多學者在不同位置分別證明了以上類型的鹽分能夠補給濱海鹵水體,但尚未綜合評價不同來源類型的鹽分補給鹵水所占比例或主次關(guān)系。此外,已有研究多側(cè)重于探究地下鹵水的形成機制,鮮有研究分析在人類活動作用(地下鹵水開采、停采)影響下,地下鹵水受何種鹽分補給模式控制,以及在相應的鹽分補給模式影響下其鹽分組成會呈現(xiàn)何種變化規(guī)律。

本研究以萊州灣南部濱海地下鹵水開采場地為靶區(qū),對離岸不同距離鹵水開采區(qū)的地下水位、地下水樣品開展為期10個月的監(jiān)測與采集,通過對比不同點位開采期、停采期內(nèi)地下水TDS、氯溴元素含量、氯溴摩爾比變化規(guī)律,分析在人類活動影響下地下鹵水鹽分來源及鹽分組成變化規(guī)律,對地下鹵水可持續(xù)開采具有指導意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國萊州灣南岸,毗鄰渤海,屬溫帶季風性氣候(圖1)。該區(qū)域年平均氣溫為12.1℃,日照充足,蒸發(fā)作用顯著,4月—7月蒸發(fā)量大,月蒸發(fā)量達191.4～371.6mm,全年總蒸發(fā)量為總降雨量的兩倍。自6月、7月開始,萊州灣南岸進入雨季,直至9月結(jié)束,該時段降雨量占全年總降雨量的60%～65%,該區(qū)域地下水位與河流徑流量受降雨影響顯著[14-15]。

圖1 研究區(qū)位置及工作點位布設

萊州灣南部為廣闊的沖積平原,其北部毗鄰的淤泥質(zhì)潮灘與地下發(fā)育的多層含水層為地下鹵水的形成、運移提供了條件。主要地層為晚更新世與全新世地層。晚更新世以來,萊州灣南岸濱海平原經(jīng)歷了3次大規(guī)模的海侵海退事件,包括晚更新世早期的“滄州海侵”、晚更新世晚期的“獻縣海侵”及全新世的“黃驊海侵”,分別形成了3個大沉積旋回,3個海相地層與3次海侵事件。萊州灣地下鹵水分別賦存在3個海相地層中,鹵水鹽度在50～140g/L之間,其中晚更新世晚期鹵水體分布最深入陸地,含鹽量最高[6,16]。

2 工作布設與方法

2.1 地下水位監(jiān)測

沿垂直岸線方向,在距岸線不同距離的鹵水開采井處設置地下水位監(jiān)測點。2021年6月—2022年5月,每月初測量一次地下水位,選用應天量記公司生產(chǎn)的信天人-288m水位計開展地下水位的監(jiān)測工作。工作點位的布設位置和監(jiān)測時段見圖1、表1。

表1 工作點位坐標與水位監(jiān)測、采樣時段

2.2 地下水樣品采集與化學分析

2021年6月—2022年4月,連續(xù)每月于各工作點位采集一次地下鹵水樣品,樣品總量共計33個。各工作點位鹵水井深度均約為80m,篩管位置在深40～80m之間。樣品采集點位與采集時段見表1。

為分析開采與停采時期地下鹵水鹽分來源,需確定地下水TDS及氯、溴的組成。以上參數(shù)的測試工作由山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊實驗測試中心完成,測試主要儀器使用iCAP7400電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(CS12)。

3 結(jié)果

3.1 濱海地下鹵水地下水位年度變化規(guī)律

6月—9月為萊州灣的雨季,雨水與地表徑流開始補給地下水,但該時期內(nèi)地下水位未發(fā)生明顯的回升,或許與地下鹵水高強度持續(xù)開采有關(guān)。9月—12月,各區(qū)域地下水位存在波動但整體變化幅度不大。12月初至次年2月底為萊州灣地下鹵水停采期,該時段內(nèi)雖然降雨量較小,但地下水位呈回升趨勢,在鹵水停采后的第一個月水位回升幅度最為顯著。地下鹵水自3月初恢復開采,同時期萊州灣地區(qū)進入旱季,蒸發(fā)作用強烈。在以上兩類因素共同作用下,萊州灣南部各區(qū)域地下水位顯著降低,直至恢復至停采前的水平(圖2)。

圖2 各工作點位處地下水位年度變化

3.2 水化學參數(shù)測試結(jié)果

采集樣品的水化學測試結(jié)果如表2所示。沿垂直岸線方向,自南向北地下鹵水樣品的年均TDS及氯溴含量分別呈高—低—中的變化規(guī)律。

表2 地下水采集時刻及水化學測試結(jié)果

TDS是評價地下水鹽度,劃分地下水類型的重要指標[17],圖3展示了各工作點位處地下鹵水TDS年度的變化規(guī)律。6月—12月為鹵水開采期,其中8、9月降雨量開始減少引起地下水TDS小幅度升高,在8月—12月間,各工作點位處地下鹵水TDS呈波動降低的趨勢。進入鹵水停采期后,不同工作點位處地下鹵水TDS逐步由降低轉(zhuǎn)化為升高的趨勢,這證實了在停采階段多類鹽分對地下鹵水資源的補給下,開采區(qū)地下鹵水具有能夠可持續(xù)開采的潛力。需要注意的是,距離岸線最近工作點位(S01)處地下水的TDS,其全年的波動幅度與其他工作點位地下水TDS波動幅度相比顯著偏小。

圖3 各工作點位處地下鹵水TDS年度變化規(guī)律

4 討論

4.1 水化學成分分析

可溶性鹵族元素氯和溴在海水中濃度高,淡水中濃度低(尤其是溴元素)[18]。因此氯溴摩爾比可作為不同類型水體的特征系數(shù)(如海水、鹽巖溶解水等),分析TDS高于2000mg/L水的鹽漬化問題,從而實現(xiàn)對高鹽度地下水體鹽分來源的鑒別[19-20]。

標準海水的氯溴摩爾比為655,在本研究區(qū)內(nèi)海水的氯溴摩爾比(650)與其基本一致,基于此標準,水體氯溴摩爾比接近650時,其中的鹽分可認為來自于海水。當水體氯溴摩爾比在1200～6600之間時,地下水鹽分可認為來自蒸發(fā)鹽或鹽巖溶解產(chǎn)生的鹽分[20]。圖4顯示了研究區(qū)內(nèi)地下水樣品中氯溴摩爾比和氯元素含量的關(guān)系。基于上述標準可知,各區(qū)域地下水鹽分的組成主要受海水和蒸發(fā)鹽或鹽巖溶解影響。

圖4 研究區(qū)地下水中氯溴摩爾比與氯含量的關(guān)系

在同一點位不同時段,影響地下水鹽分組成存在差異,這也意味著在不同時段,補給地下鹵水主要的鹽分來源及其他影響地下水鹽分組成的因素將存在差異。

4.2 濱海鹵水鹽分組成變化評價方法

目前普遍認為,萊州灣地下鹵水的鹽分來源有從儲存狀態(tài)中釋放出的鹽分,包括潮灘表層蒸發(fā)累積的鹽分,其在溶解下滲至鹵水層,再通過多層含水層系統(tǒng)向鹵水區(qū)輸送實現(xiàn)補給。弱透水層中儲存的受蒸發(fā)影響的古海水,以及在越流過程中被捕捉的高鹽度地下水,在當代抽水作用下重新釋放。還包括巖鹽溶解釋放的鹽分。此外,部分海水通過多層地下鹵水層系統(tǒng)直接向濱海鹵水體中輸送的鹽分。

補給地下鹵水的鹽分來源類型十分復雜,且不同來源的鹽分其氯溴摩爾比也存在差異,綜合評價地下鹵水鹽分來源的構(gòu)成十分困難。由于溴元素的來源主要為海洋,其濃度的高低能夠指示補給鹵水的鹽分來自當代海洋或古海水比例大小[19,21]?；诖?本研究建立貢獻度G指標以評價地下鹵水成分構(gòu)成變化受海洋或其他因素的影響。

氯溴摩爾比是分析地下水成分構(gòu)成的重要因子,由此定義GCl和GBr分別為由氯和溴元素濃度變化引起的氯溴摩爾比變化的貢獻度,以分析在某個階段內(nèi)地下水鹽分組成變化的原因。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:mr(t)為本月氯溴摩爾比。

4.3 濱海鹵水鹽分來源及鹽分組成年度變化規(guī)律

氯溴摩爾比隨時間的變化規(guī)律表明(圖5、圖6),萊州灣南岸地下鹵水鹽分組成的變化規(guī)律呈現(xiàn)較好的一致性,總體經(jīng)歷了4個階段:雨季前后氯溴摩爾比小幅度波動但整體趨于穩(wěn)定;雨季至停采期開始前后氯溴摩爾比呈波動下降的趨勢;停采期期間氯溴摩爾比波動升高;鹵水恢復開采后氯溴摩爾比開始下降。由于未能采集到鹵水恢復開采后直至下個停采期開始前連貫的數(shù)據(jù),本研究暫不分析恢復開采后(3月—4月)地下水鹽分組成變化。

圖5 近岸側(cè)地下鹵水(S01)氯溴摩爾比、氯溴含量及其貢獻度年度變化

雖然距離岸線不同位置處地下鹵水氯溴摩爾比年度變化規(guī)律一致,但氯溴摩爾比的降低可能是由于地下水接受海洋鹽分補給,溴元素含量升高所致;也可能是受微咸水或淡水影響,氯元素含量快速減少所致。相反氯溴摩爾比的升高亦有此類可能。圖5、圖6顯示,在同時期內(nèi),近岸側(cè)(S01)與陸地側(cè)(S02、S03)工作點位地下水樣品的氯、溴元素含量變化規(guī)律,及各自貢獻度G的變化規(guī)律均不相同。因此在同時期內(nèi)不同點位地下鹵水接受鹽分補給或所受影響可能存在差異。

圖5顯示,雨季結(jié)束后(9月)氯、溴元素含量呈現(xiàn)為相反的變化趨勢。在近岸地區(qū)GBr在全年均大于GCl,這表明近岸地下鹵水鹽分組成主要受溴元素含量變化控制。

在鹵水停采前,氯溴摩爾比的降低主要由溴元素含量的升高控制。自雨季開始至8月,隨著降雨量減少,近岸地下鹵水的氯溴含量顯著提高。隨后受地下鹵水開采影響,氯含量在8月恢復到峰值后雖有波動但整體保持平穩(wěn),溴元素含量仍呈現(xiàn)出小幅上升的趨勢。由于海水中溴元素含量遠低于S01的測量結(jié)果,現(xiàn)代海洋無法成為地下鹵水溴元素主要的補給來源,因此該階段溴元素含量的升高由兩方面引起,潮灘沉積物中蒸發(fā)累積的鹽分下滲補給近岸濱海鹵水;受抽水作用影響,弱透水層中儲存古海水的鹽分加速向鹵水層中釋放。由于弱透水層較低的滲透性,后者釋放鹽分向鹵水補給的程度或小于前者[13,22]。

停采期期間,氯溴摩爾比的升高主要由溴元素含量的降低控制,氯元素含量的升高同樣起到促進作用。由于近岸區(qū)域抽水程度降低,地下水位迅速上升(圖2),海洋向開采區(qū)的水力梯度顯著減小,原本來自潮灘沉積物中高溴元素含量的鹽分無法通過濱海多層含水層系統(tǒng)向近岸開采區(qū)域補給。又由于抽水作用的減弱,弱透水層中釋放溴元素含量的速率無法達到開采期的程度,因此停采期間蒸發(fā)鹽或鹽巖的溶解產(chǎn)生的高鹽度水體表現(xiàn)為近岸濱海鹵水鹽分補給的主要來源。

與近岸區(qū)域?qū)Ρ瓤芍?陸地側(cè)地下鹵水中氯與溴含量變化趨勢全年基本保持一致(圖5、圖6)。在不同時期GBr與GCl的正負關(guān)系不同。

開采期可分2個階段:雨季期間,隨降雨量的減小,地下鹵水氯、溴元素含量逐步升高。雨季結(jié)束至停采期前,氯、溴元素含量顯著降低。該時期內(nèi),GBr普遍大于GCl,地下鹵水鹽分組成主要受溴元素含量變化控制。對比圖5、圖6發(fā)現(xiàn),地下鹵水溴元素含量的變化幅度隨著遠離海洋而顯著增大,這意味著在鹵水開采影響下,主要鹽分來源補給地下鹵水的速率受與海岸距離遠近的影響,且無法維持當前地下鹵水鹽分的構(gòu)成。綜上推測,在該階段內(nèi)補給陸地側(cè)地下鹵水資源的鹽分主要來自潮灘。通過多層濱海含水層系統(tǒng)輸送來的高溴元素含量的鹽分,或為補給該區(qū)域地下鹵水的重要鹽源。

進入停采期后,地下鹵水氯、溴元素含量再次升高。與開采期不同之處在于,停采期內(nèi)GCl普遍大于GBr,這表明此時蒸發(fā)鹽或鹽巖的溶解為補給地下鹵水鹽分的主要來源。此時海洋向陸地方向水利梯度減小,高溴元素含量的水體難以通過濱海含水層系統(tǒng)內(nèi)陸區(qū)域補給,其無法成補給內(nèi)陸區(qū)域地下鹵水鹽分的有效鹽源。此外在該時期內(nèi),弱透水層中古海水的釋放引起了溴元素含量的升高,但停采階段抽水作用的減弱,其釋放速率或低于鹵水開采階段。

綜上可知,不同區(qū)域在相同時期,地下鹵水鹽的主要來源是相同的。造成近岸與陸地側(cè)地下鹵水鹽分組成年度變化的區(qū)別在于,前者毗鄰北部潮灘,潮灘生鹵易于持續(xù)向鹵水體中補給,氯溴元素含量基本穩(wěn)定,鹵水的開采一定程度上促進了鹵水體中溴元素含量的提高。鹵水的停采阻礙了海洋側(cè)高溴元素含量水體的補給,雖然水體TDS有些許升高,但溴元素含量降低;后者遠離潮灘,海洋側(cè)高溴元素含量水體對地下鹵水的補給易受陸地側(cè)低鹽度水體,以及開采條件影響,停采期間,地下鹵水TDS升高,同時溴元素含量在弱透水層中古海水的釋放補給下漸漸恢復。

5 結(jié)論

本文旨在厘清鹵水開采與停采不同階段內(nèi)萊州灣南岸濱海鹵水鹽分來源及鹽分組成變化規(guī)律,為進一步探究鹵水可持續(xù)開采提供理論基礎。通過對萊州灣南岸自岸向陸3處地下水位及地下水TDS和氯溴元素含量實施1年的監(jiān)測、地下水樣品采集測試及分析,研究發(fā)現(xiàn)萊州灣南岸濱海鹵水主要受海水以及蒸發(fā)鹽或鹽巖溶解影響。不同區(qū)域地下鹵水鹽分組成(氯溴摩爾比)的變化規(guī)律主要分為4個階段,分別為雨季前后保持穩(wěn)定,雨季至停采期開始呈下降趨勢,停采期期間呈下降趨勢,以及鹵水恢復開采后再次下降。但地下鹵水鹽分組成發(fā)生變化的因素十分復雜,相同的變化趨勢可能是受到不同類型水體作用或不同鹽分來源補給影響。結(jié)合氯溴貢獻度結(jié)果分析得出,距岸線不同距離的區(qū)域在相同時期,地下鹵水的主要鹽分來源相同。在開采時期,補給萊州灣南岸地下鹵水的主要鹽分來源為潮灘沉積物中蒸發(fā)累積下滲的鹽分。在停采時期,蒸發(fā)鹽或鹽巖溶解產(chǎn)生的鹽分為地下鹵水的主要鹽分來源。而易影響地下鹵水賦存區(qū)的水體類型(海水或淡水),地下鹵水開采區(qū)所處工作狀態(tài)(開采或停采),是影響地下鹵水鹽分組成的主要因素。