姜 丹

(遼寧省丹東水文局,遼寧 丹東 118000)

研究分析地下水化學(xué)特征及演變規(guī)律是水質(zhì)保護(hù)和地下水資源評價的基礎(chǔ)工作,在實踐中這類研究已得到廣泛應(yīng)用,對保障供水安全和地下水資源管理極具現(xiàn)實意義。地下水化學(xué)成分一般受人類活動和自然過程的影響,其中人類活動以居民生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)影響為主,自然過程包括離子交換以及石鹽、硅酸鹽、白云石、方解石、石膏等礦物的沉淀和溶解[1-4]。近年來,許多學(xué)者利用不同方法研究了地下水化學(xué)特征及其成因,如有學(xué)者利用主成分法和層次聚類法有效提取地下水化學(xué)主成分及數(shù)據(jù),鑒定不同礦物的沉淀、溶解和離子交換類型;也有學(xué)者利用多元統(tǒng)計分析、Gibbs圖以及Piper三線圖等研究地下水形成條件及其化學(xué)成分分類[5-10]。丹東市水資源可開發(fā)利用總量較少,供水水源以地下水為主,研究地下水化學(xué)特征及成因和水資源科學(xué)管理,對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和水生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要作用。然而,關(guān)于丹東市地下水資源特別是水化學(xué)特征及演變規(guī)律的相關(guān)研究鮮有報道。因此,文章結(jié)合有關(guān)研究成果,綜合利用動態(tài)曲線圖、Piper三線圖、統(tǒng)計分析等方法研究丹東市地下水化學(xué)特征及演變規(guī)律,以期為丹東市地下水環(huán)境監(jiān)測及其合理開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

丹東市地處遼寧省東南部,總面積1.52萬km2,海岸線長120km。該區(qū)域為遼東山地丘陵的一部分,從東北向西南地勢逐漸降低。研究區(qū)屬溫暖帶亞濕潤季風(fēng)氣候,冬無嚴(yán)寒,夏無酷暑,年均氣溫9℃,多年平均降水量881.3～1087.5mm,其中2/3發(fā)生在夏季,7～8月為暴雨集中期,該區(qū)域是全省降水量最多且水資源最豐富的地區(qū)[11-13]。但隨著人口規(guī)模的擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,丹東市水資源承載壓力不斷加大,地下水環(huán)境問題日趨突出,地下水水質(zhì)存在礦化度、氯化物和亞硝酸氮超標(biāo)等情況。境內(nèi)江河密布,全區(qū)流程超過2km的大小河流有944條,大江大河有叆河、渾江、大洋河和鴨綠江,但仍無法滿足當(dāng)?shù)厣罴肮まr(nóng)業(yè)用水需求,地下水環(huán)境問題以海水入侵風(fēng)險高、地下水開采量大最為突出[14-16]。充分考慮研究區(qū)地下水埋藏條件,可以劃分成巖溶水、裂隙水和孔隙水,其中廣泛分布的是裂隙水。

2 樣品與方法

文章以主要離子濃度為地下水化學(xué)指標(biāo),結(jié)合丹東市2007—2021年水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù),采用離子比值法、Gibbs圖、動態(tài)曲線圖、Piper三線圖及數(shù)理統(tǒng)計法分析水樣監(jiān)測結(jié)果,以揭示研究區(qū)地下水化學(xué)特征及成因。根據(jù)《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》現(xiàn)場測試地下水EC、pH值、水溫和水溫,水樣采集后遮光保存,立即送地下水水質(zhì)監(jiān)測中心測試TDS、總硬度、NO3-、HCO3-、SO42-、Cl-、Na+、K+、Mg2+、Ca2+等。

統(tǒng)計分析代表年2007年、2012年及2021年地下水化學(xué)參數(shù),通過對比水樣數(shù)據(jù)(統(tǒng)一采集于9月份)揭示2007—2021年丹東市地下水化學(xué)特征及演變規(guī)律。根據(jù)丹東市4個典型監(jiān)測點(同德堂、楊家堡、劉家店和李家堡子)2011—2021年地下水氯離子濃度、TDS、亞硝酸鹽及pH值動態(tài)曲線,總結(jié)分析地下水水質(zhì)動態(tài)及其受工農(nóng)業(yè)活動、海水入侵的影響;結(jié)合2021年丹東市內(nèi)地下水主要離子關(guān)系圖、Gibbs圖分析當(dāng)?shù)貛r性與地下水化學(xué)之間的關(guān)系及其成因。

3 結(jié)果分析

3.1 地下水化學(xué)特征

統(tǒng)計分析丹東市2007年、2012年和2021年監(jiān)測的地下水化學(xué)參數(shù)如表1。結(jié)果顯示,從低到高陽離子平均質(zhì)量濃度排序為K+

表1 丹東市地下水化學(xué)參數(shù)

化學(xué)成分集中反映了地下水演變規(guī)律,為分析丹東市地下水化學(xué)類型及其演變規(guī)律,將2007年、2012年和2021年地下水主要離子繪制成Piper三線圖。結(jié)果顯示,在3個代表年中丹東市地下水大部分陰、陽離子集中偏向HCO3-端和Ca2+端,說明Ca2+與HCO3-占地下水陰陽離子比例高,水質(zhì)較好,碳酸鹽巖風(fēng)化在一定程度上影響著離子變化。沿箭頭方向陰離子出現(xiàn)轉(zhuǎn)移,陽離子變幅較小,說明地下水中硫酸根離子含量受附近工農(nóng)業(yè)污水排放等因素影響明顯增加,毫克當(dāng)量從12%快速上升到25%,改變了SO42-含量排序,2007—2021年間地下水從Ca·HCO3型逐漸向Ca·SO4和Ca·HCO3型演化。

通過對比2012年丹東市部分采樣點水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),地表水優(yōu)勢離子主要有SO42-、Cl-、Mg2+、Ca2+,地下水優(yōu)勢離子主要有Ca2+、HCO3-。地下水HCO3-陰離子濃度占比相比地表水顯著增加而SO42-、Cl-減少,Mg2+、Ca2+陽離子濃度占比相比地表水減少而Na+、K+增大。地表水化學(xué)類型復(fù)雜可能與人類活動影響較大有關(guān),以Ca·Mg-SO3、Ca·Mg·Cl和Ca·Mg-HCO3為主;地下水化學(xué)類型以Ca·HCO3為主,相對單一。研究表明,地表水補給不是地下水化學(xué)演變的主要因素,丹東市地下水與地表水化學(xué)類型具有明顯差異。

3.2 成因分析

地下水環(huán)境變化通常是由自然因素和人類活動等多種原因所引起的,其中自然因素主要包括蒸發(fā)濃縮、溶濾和巖石風(fēng)化作用,對于沿海地區(qū)地下水環(huán)境也會因海水入侵出現(xiàn)惡化;人類活動主要通過直接排放生活及工農(nóng)業(yè)廢棄物對地下水質(zhì)造成污染,另外地下水質(zhì)和水位還會受地下建設(shè)活動的間接影響發(fā)生改變。為探究丹東市地下水質(zhì)受海水如今和工農(nóng)業(yè)污染的影響,從同德堂、楊家堡、劉家店和李家堡子境內(nèi)依次選取4個典型監(jiān)測點,地下水監(jiān)測指標(biāo)為氯離子濃度、TDS、亞硝酸氮和pH值,研究分析2011—2021年地下水質(zhì)變化特征,如圖1所示。

(a)pH值

由圖1(a)可知,各監(jiān)測點pH值處于6.4～8.1區(qū)間,不同站點pH值相差不明顯,在2014年和2019年附近出現(xiàn)兩次比較明顯的拐點。研究區(qū)地下水整體呈弱堿性,受水文地球化學(xué)過程和人類生產(chǎn)活動影響沿海地區(qū)近幾年pH呈上升趨勢。由圖1(b)可知,各監(jiān)測點亞硝酸氮處于0～45mg/L區(qū)間,除劉家店外其它監(jiān)測點亞硝酸氮均未超出20mg/L的Ⅲ類水要求。由圖1(c)可知,各監(jiān)測點TDS處于187～3868mg/L區(qū)間,除同德堂地下水中TDS有兩次升高拐點外其它均未表現(xiàn)出明顯變化趨勢,其它監(jiān)測點TDS在400mg/L上下波動。由圖1(d)可知,在2011—2021年4個監(jiān)測點TDS與氯離子變化趨勢基本相同,李家堡子、楊家堡、劉家店地下水中氯離子濃度在50mg/L上下波動,含量基本穩(wěn)定。同德堂地下水氯離子濃度處于315～1812mg/L區(qū)間,按照海水入侵判斷標(biāo)準(zhǔn)為地下水氯離子含量超過250mg/L,可以認(rèn)為受附近斷裂帶影響導(dǎo)致海水入侵引起同德堂地下水氯離子濃度和TDS含量較高,水質(zhì)較差,特別是在2014年與2017年變化幅度更加明顯。通過分析4個監(jiān)測點的水質(zhì)變化特征發(fā)現(xiàn),海水入侵及附近工業(yè)生產(chǎn)在一定程度上影響著丹東市部分地區(qū)地下水環(huán)境。

根據(jù)Gibbs圖能夠直觀地揭示地下水離子來源,結(jié)果表明丹東市2021年大多數(shù)采樣點集中分布在巖石風(fēng)化型區(qū),說明研究區(qū)地下水化學(xué)成分主要受巖石風(fēng)化作用的控制。地下水環(huán)境主要體現(xiàn)在離子關(guān)系上,通過分析主要離子比例關(guān)系可以反映巖性與地下水環(huán)境的相互作用。由HCO3-+SO42-與Mg2++Ca2+關(guān)系可知,在Y=X線附近及上方采樣點分布比較集中,(Mg2++Ca2+)/(HCO3-+SO42-)比例>1的采樣點占75%,說明鹽酸鹽巖溶解為地下水中Mg2+與Ca2+的主要來源;(Mg2++Ca2+)/(HCO3-+SO42-)比例<1的采樣點占25%,說明蒸發(fā)巖溶解和硅酸鹽對于維持地下水離子平衡具有一定作用。由Cl-與K++Na+關(guān)系可知,(K++Na+)/(Cl-)比例>1的采樣點占38%,說明巖鹽溶解為地下水中一定K++Na+的來源,受海水入侵和人類活動影響Cl-含量較高?？傮w而言,人類活動、碳酸鹽巖風(fēng)化和海水入侵均會對丹東市地下水化學(xué)特征造成影響。

4 結(jié) 論

文章結(jié)合丹東市2007—2021年相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù),采用多種方法和主要離子濃度分析地下水化學(xué)特征及成因,主要結(jié)論如下:

1)丹東市地下水演化過程中SO42-質(zhì)量濃度明顯增加,而HCO3-與Na+質(zhì)量濃度顯著減少,地下水離子以HCO3-與Ca2+為主,2007～2021年丹東市地下水從Ca·HCO3型逐漸向Ca·SO4和Ca·HCO3型演化。

2)研究選用的4個典型監(jiān)測點pH值處于6.4～8.1區(qū)間,地下水整體呈弱堿性;各監(jiān)測點亞硝酸氮處于0～45mg/L區(qū)間,除劉家店外其它監(jiān)測點亞硝酸氮均未超出20mg/L的Ⅲ類水要求;TDS與氯離子變化趨勢基本相同, 除同德堂外其它地區(qū)地下水中的氯離子濃度均在50mg/L上下波動,含量基本穩(wěn)定。

3)丹東市地下水化學(xué)成分主要受碳酸鹽巖風(fēng)化作用的控制,研究區(qū)地下水環(huán)境受人類活動與海水入侵的影響較大,為維持地下水環(huán)境生態(tài)平衡應(yīng)加強(qiáng)海水入侵防控和地下水超采治理,通過減少工農(nóng)業(yè)廢污水排放降低對地下水環(huán)境的不利影響。