喬吉果，龍江平，許冬，周根元，翟萬(wàn)林

（1.國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國(guó)家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海 200081）

長(zhǎng)江口北翼海濱地區(qū)海水入侵的地球化學(xué)特征初步研究

喬吉果1，龍江平1，許冬1，周根元2，翟萬(wàn)林1

（1.國(guó)家海洋局海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國(guó)家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海 200081）

利用2009年2月和8月兩次在長(zhǎng)江口北部濱海地區(qū)地下水調(diào)查取得水化學(xué)數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法、Piper三線圖法,分析長(zhǎng)江口北翼濱海平原海水入侵區(qū)淺層地下水的地球化學(xué)特征，識(shí)別不同季節(jié)淺層地下水水化學(xué)類型的特征。研究結(jié)果表明：（1）研究區(qū)地下水主要靠大氣降水及地表水體滲透補(bǔ)給，季節(jié)變化對(duì)區(qū)域內(nèi)地下水水化學(xué)空間變異性影響較大。（2）Na+、K+、Cl-變異系數(shù)較大，而 HCO3-、CO32-絕對(duì)含量大，它們是決定海濱海水入侵地區(qū)地下水水化學(xué)類型的主要離子。（3）由陸向海方向，區(qū)域內(nèi)水化學(xué)類型由主要從Mg-Ca-HCO3、Na-Mg-HCO3型經(jīng)Mg-Ca-HCO3-Cl、Na- HCO3-Cl型向Na-Cl-SO4、Na-Cl型演變；大氣降水、水-巖離子交換、殘存海水上移、海陸地下水交互作用是控制地下水演變的主要因素。

濱海地區(qū)；海水入侵；水化學(xué)特征；長(zhǎng)江口

Abstract: According to the investigation of water chemistry data in the northern coastal region of the Yangtze River Estuary both in August and February of 2009 by Second Institute of Oceanography, through comprehesively using the mathematical statistics method and the Piper Method，the paper completely analyzed the chemical characteristics of shallow groundwater in the Yangtze River Estuary, North Wing，and identified the water chemistry of shallow groundwater impact in different seasons.The results show that: (1) groundwater mainly depends on the supply of precipitation and surface water infiltration recharge；seasonal changes has greater impact on the spatial variability in water chemistry of groundwater in the region of the study area.(2) Na++ K+, Cl-has greater coefficient of variation， but HCO+COhas absolutely content in large, and they are all to determine major ion water chemistry types in the coastal seawater intrusion of groundwater.(3) from the coastside to land， the chemical type of water mainly turns from the Mg-Ca-HCO3, Na-Mg-HCO3type by Mg-Ca-HCO3-Cl, Na-HCO3-Cl type to Na-Cl-SO4, Na -Cltype evolution; atmospheric precipitation, water - rock ion exchange, residual water moving and the interaction of groundwater and sea are the main factors controlling the evolution of groundwater.

Keywords: coastal areas; seawater intrusion; chemistry characteristics; the Yangtze River estuary

世界上的濱海地區(qū)幾乎都是人口高度密集區(qū)。據(jù)估算，全球 2／3的人口集中在濱海地區(qū)，大量的用水需求對(duì)地下水資源造成了巨大的壓力。由于人類過(guò)量開(kāi)采地下水，使淡水與海水之間的平衡狀態(tài)遭受破壞，結(jié)果導(dǎo)致海水或與海水有直接動(dòng)力聯(lián)系的高礦化度地下水沿含水層向陸地方向運(yùn)移，使咸淡水界面不斷向陸地方向移動(dòng)，從而使淡水資源咸化[1-2]。目前世界上很多國(guó)家沿海地區(qū)均發(fā)現(xiàn)有不同程度的水質(zhì)咸化問(wèn)題，給當(dāng)?shù)鼐用裆钣盟敖?jīng)濟(jì)發(fā)展造成極大危害[3-5]。長(zhǎng)江口北翼濱海地區(qū)是中國(guó)較早發(fā)現(xiàn)海水入侵現(xiàn)象的沿海地區(qū)之一[6-8]，研究區(qū)皆為第四紀(jì)松散堆積物，堆積物成因以淺海三角洲、河湖相為主，并夾雜有淺海沉積物。地勢(shì)呈現(xiàn)西北高東南低，有啟海平原區(qū)、通呂水脊區(qū)和馬蹄形海積平原區(qū)組成[9-11]（圖1）。11世紀(jì)初，研究區(qū)大部分處在海平面之下（圖1），不斷接受長(zhǎng)江和黃河沉積，逐漸形成現(xiàn)今海積地貌。研究區(qū)地面高程一般為2～4 m，每逢特大洪水及潮汛往往使廣大地區(qū)置于高潮位之下；每年都有 4～5個(gè)月經(jīng)受咸潮入侵[8、12]。研究區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨量適中，每年的5～10月為豐水季節(jié)[12]，在全年降水量的80%左右，圖2顯示2000年至2008年各月平均降雨量[13]。隨著近幾年社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，沿海地區(qū)地下水開(kāi)采量日益增加及地表水質(zhì)污染，致使區(qū)域水質(zhì)咸化程度加劇。三峽工程建設(shè)后，河水流速減緩，使河流水頭壓減小，使海水沿長(zhǎng)江口向內(nèi)上溯，使地下水質(zhì)咸化，嚴(yán)重影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生產(chǎn)生活[8]。本文選擇長(zhǎng)江口北翼濱海區(qū)為研究對(duì)象，依據(jù)國(guó)家海洋局第二海洋研究所2009年2月和8月兩次在該區(qū)57孔民用井采取水樣分析結(jié)果，重點(diǎn)探討濱海地區(qū)枯水期（2月）和豐水期（8月）地下水水化學(xué)特征及變化規(guī)律，為該區(qū)地下水利用和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 水樣采集與方法

1.1 采樣方法

2009年2月、8月對(duì)長(zhǎng)江口北濱海地區(qū)進(jìn)行淺層地下水水質(zhì)調(diào)查，篩選出 57口民用井進(jìn)行水質(zhì)取樣(圖1)，各井點(diǎn)基本上都為20世紀(jì)90年代后開(kāi)挖的民用井，井深多為4～6 m。TDS現(xiàn)場(chǎng)采水樣進(jìn)行測(cè)定，樣品在2天內(nèi)采集完。用500 mL的聚乙烯瓶為采樣瓶，采樣瓶在取樣前用蒸餾水清洗，再用所采水樣潤(rùn)洗2-3次，用孔徑0.45 μm的濾膜過(guò)濾后送至國(guó)土資源部杭州礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心進(jìn)行水化學(xué)離子分析,基本上在2-3天內(nèi)完成水樣測(cè)試。

圖1[9]長(zhǎng)江口北翼濱海地區(qū)井點(diǎn)位置Fig.1[9]Location of the well in the coastal region of the northern changjiang

圖2 2000年-2008年各月平均降雨量Fig.2 Average monthly rainfall distribution for study area from 2000 to 2008

1.2 測(cè)試項(xiàng)目、分析方法

測(cè)試項(xiàng)目包括：K+、Na+、Mg2+、Ca2+、、、、、Cl-和總?cè)芙夤腆w量(TDS)。其中：K+、Na+測(cè)試方法為火焰原子吸收分光光度法，精密度（K+±1.63%；Na+±0.58%）；Mg2+，Ca2+測(cè)定運(yùn)用TU1810紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定；、、、運(yùn)用Leeman Prodigy全譜直讀光譜儀（4001-D）測(cè)定；Cl-濃度測(cè)試方法為硝酸銀滴定法；TDS現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用DDBJ-350型便攜式電導(dǎo)率儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，精密度為±1.0%。所有離子檢測(cè)依據(jù)地下水質(zhì)檢驗(yàn)方法DZ/T0064（1-80）-93標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。檢測(cè)溫度控制在25℃，檢測(cè)濕度在50% RH。

2 結(jié)果與討論

2.1 濱海地區(qū)地下水水化學(xué)特征

變異系數(shù)（Cv）是通常用來(lái)表征水文變量長(zhǎng)期變化的穩(wěn)定程度。通常認(rèn)為變異系數(shù) 0≤Cv≤10%時(shí)為弱變異，10%＜Cv≤100%為中等變異，當(dāng)Cv＞100%為強(qiáng)變異[14]。通過(guò)對(duì) 2009年枯水季（2月）和豐水季（8月）地下水水樣有關(guān)水化學(xué)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析（表1），結(jié)果表明：(1)無(wú)論是枯水季節(jié)還是豐水季節(jié)，Ca2+、Mg2+絕對(duì)含量較低，而Na++K+絕對(duì)含量很高，占據(jù)陽(yáng)離子總量60%以上；Cl-、+絕對(duì)含量很高，是區(qū)域內(nèi)主要陰離子，反應(yīng)了濱海地區(qū)除了受陸地淡水系統(tǒng)影響外，還受海水入侵影響?？菟靖麟x子濃度值均大于豐水期離子值，可能由于降雨量不同造成的（圖2）；2009年2月份降雨量為20.6 mm，8月份降雨量為151 mm，加上區(qū)域內(nèi)由西北向東南傾斜的地勢(shì)，濱海地區(qū)淺層地下水離子濃度在地表徑流作用下快速被稀釋，相對(duì)豐水季（8月）含量降低。季節(jié)變化對(duì)淺層地下水水化學(xué)濃度含量影響較大。（2）Mg2+、Ca2+、、+變異系數(shù)相對(duì)較小，反應(yīng)它們?cè)诤畬又泻肯鄬?duì)穩(wěn)定，同時(shí)也說(shuō)明地下水咸化作用也較弱。+平均值為601.39 mg/L，標(biāo)準(zhǔn)差146.30 mg/L，而變異系數(shù)Cv只有24.33%，說(shuō)明它在潛水中絕對(duì)含量較大，應(yīng)作為淺水層主要陰離子。Na++K+、Cl-變異系數(shù)較大，反應(yīng)它們?cè)跍\層水中含量變化大，是水體中對(duì)環(huán)境變化較為敏感的因子，是決定區(qū)域內(nèi)水體咸化的主要因子。（3）淺層地下水TDS變異系數(shù)較大，說(shuō)明水體中溶解物質(zhì)含量變化較大?？菟谥荡筘S水期，反應(yīng)它們?cè)诩竟?jié)變化過(guò)程由于受降雨及含水層介質(zhì)等因素影響。（4）一般情況下，純海水各個(gè)組分濃度含量基本穩(wěn)定，海水中濃度比為 0.0467，而該地區(qū)枯水季濃度平均值為0.2658，豐水季為0.3412，高濃度主要分布通州和呂四井點(diǎn)。S元素可能由于微生物循環(huán)造成，也有可能是由于人類生產(chǎn)生活污染造成的。濃度高低常用來(lái)做為地下水是否受人類活動(dòng)影響造成地下水污染指標(biāo)[15]。異常高的濃度值主要出現(xiàn)在呂四及通州區(qū)內(nèi)靠近海岸的井點(diǎn)。高濃度的值表明這些井點(diǎn)附近受到禽畜污水、化肥等污染源污染。（5）運(yùn)用Cl-為指標(biāo)，判斷該地區(qū)內(nèi)水質(zhì)好壞?？菟荆?月）Cl-平均值459.83 mg/L,標(biāo)準(zhǔn)差618.90 mg/L。雨季平均值為328.33 mg/L，標(biāo)準(zhǔn)差471.61 mg/L，枯水季水質(zhì)差于豐水季，主要受降雨影響。

表1 監(jiān)測(cè)井2009年2月和8月地下水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征值Tab.1 Statistics eigenvalue of hydrochemical parameters of shallow groundwaters during the low - high water

2.2 濱海地區(qū)地下水離子水化學(xué)相關(guān)性分析

相關(guān)分析是研究?jī)山M變量間相互關(guān)系的一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法[16]。相關(guān)系數(shù)是測(cè)定變量間相互依存程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。本論文運(yùn)用SPSS軟件分析了2009年枯水期（2月）和豐水期（8月）研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)參數(shù)，得到Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣（表2）。分析結(jié)果表明：（1）研究區(qū)枯水季中Na++K+、Mg2+、Cl-與 TDS之間相關(guān)性較高，Ca2+、與 TDS相關(guān)性較低。豐水期除了 Mg2+、+與 TDS相關(guān)性較大外，其余離子與TDS相關(guān)性均較小。它們之間相互關(guān)系幾乎無(wú)規(guī)律可循。主要原因是由于淺層地下水直接與外界環(huán)境相連接，處于一個(gè)相對(duì)開(kāi)放的水體系統(tǒng)。除了受大氣降水、地表徑流、含水層巖性、孔隙度等自然因素影響外還受人工活動(dòng)影響?？菟竟?jié)降雨量減少，同時(shí)河流入海徑流量減少，導(dǎo)致地下水補(bǔ)給量不足，致使海水向陸入侵，加劇該地區(qū)淺層地下水水質(zhì)咸化。（2）無(wú)論枯水期還是豐水期，Cl-和地下水主要離子 Na++K+、Mg2+、呈較強(qiáng)的相關(guān)性，表明該地區(qū)地下水化學(xué)成分明顯受到海水入侵影響。Na++K+與Ca2+較差的相關(guān)性，主要是由于該地區(qū)正處于濱海海陸交界處，長(zhǎng)期受海水和陸地淡水相互作用，很容易受外界環(huán)境影響造成含水層中水—巖離子發(fā)生交換[17]。當(dāng)海水入侵到淡水含水層中時(shí)，陽(yáng)離子按照下列模式發(fā)生交換，即Na++1/2Ca-X2 Na-X+1/2 Ca2+，陸淡水主要是通過(guò) Ca2+使粘土和礦物顆粒上的負(fù)電荷達(dá)到飽和，而海咸水主要是通過(guò)Na+使粘土顆粒上的負(fù)電荷達(dá)到飽和。這些反應(yīng)過(guò)程幾乎是瞬時(shí)完成的。當(dāng)?shù)缓Ｏ趟〈鷷r(shí)，固相放棄了吸附的Ca2+,部分的Mg2+,而用Na+或K+來(lái)代替[18-19]。也就是說(shuō)，在淡水被海咸水代替時(shí)海咸水硬度升高了。而當(dāng)海咸水被淡水取代時(shí)，固相放棄了吸附的Na+，被Ca2+和Mg2+所替換，這樣淡水失去了Ca2+和Mg2+，海水入侵過(guò)程中陽(yáng)離子交換基本是這樣完成的。用T= Cl/HCO3來(lái)判斷地下水是否受到海水入侵影響[18，20]，本文根據(jù)2月份數(shù)據(jù)進(jìn)行海水入侵程度分類，T值范圍在0.1-4.0之間，與濃度有較強(qiáng)的線性相關(guān)（圖3）。將0≤T≤0.5為不受影響區(qū)，0.5≤T≤6.6為輕微影響區(qū)，T≥6.6為嚴(yán)重影響區(qū)[18,20]。該地區(qū)65%井點(diǎn)T值小于0.5，屬于不受海水影響區(qū)；35%值介于0.5～6.6之間，屬于海水輕微影響；并沒(méi)有出現(xiàn)大于6.6值。結(jié)果表明濱海地區(qū)大部分地下淡水和海水之間并無(wú)明顯交互現(xiàn)象。依據(jù)我國(guó)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB5749-85）和農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB5084-92）均要求氯化物含量不高于 250 mg/L[21～23]做標(biāo)準(zhǔn)判定是否遭受海水入侵，根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，將有40%的井點(diǎn)受到海水入侵影響，其中1%左右井點(diǎn)屬于嚴(yán)重影響, 基本都分布在距海岸最近地區(qū)。

圖3 2月份淺層地下水 Cl-/HC比率與Cl-濃度關(guān)系Fig.3 Ionic ratio of Cl-/HCversus Cl-concentration in the groundwater in February

2.3 濱海地區(qū)地下水文化學(xué)特征變化規(guī)律

天然水域地下水化學(xué)特征主要由溶解、水—巖離子交換、水—?dú)饨粨Q等因素決定。而靠近海岸帶的濱海海水入侵地區(qū)，除了受以上因素影響外，還受到海水影響，海水侵染地下水系統(tǒng)，造成陸地淡水水頭壓發(fā)生變化，使沿海地區(qū)地下水系統(tǒng)遭受污染。從陸向海延伸過(guò)程地下水離子類型有如下變化規(guī)律：地下水由淡逐漸咸化，地下水系統(tǒng)中最明顯的特征是水體中Cl-含量急劇增加[24]。另外Mg2+和在海水中含量也是比較高的，濱海地區(qū)地下水受海水入侵影響相應(yīng)的Mg2+和SO42-含量增高。根據(jù)淺層地下水水化學(xué)類型Piper圖（圖3，圖4）。從圖中可以清晰的看出，①枯水期+毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)多集中在 10%～80%之間，Cl-毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)分布在 10%～80%之間，并有兩部分集中分布，一部分集中在 20%～40%，另一部分在70%～80%左右。毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)大部分少于20%。在豐水期（8月），+毫克當(dāng)量百分比在 20%～70%之間，Cl-毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)介于10%～80%之間，沒(méi)有明顯的兩個(gè)相對(duì)集中區(qū)；毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)介于 0～40%之間，Cl-濃度含量較高，說(shuō)明該地區(qū)受到海水入侵影響；對(duì)比枯水期和豐水期各離子濃度含量變化，分析可知該地區(qū)接受大氣降水量不同導(dǎo)致各離子含量變化（圖2）。②由陸向海方向，淺層水化學(xué)類型變化很大，主要從Mg-Ca-HCO3、Na-Mg- HCO3型（TDS＜800 mg/L）向Mg-Ca-HCO3-Cl、Na-HCO3-Cl型（800 mg/L ≤ TDS ＜1 200 mg/L）轉(zhuǎn)化，在靠近海岸部分地下水類型主要以Na-Cl、Na-SO4-Cl型（TDS≥1 200 mg/L）為主。

圖4 枯水期（2月）淺層地下水水化學(xué)類型Fig.4 Piper diagram showing water chemistry of shallow groundwaters during the low water period

圖5 豐水期（8月）淺層地下水水化學(xué)類型Fig.5 Piper diagram showing water chemistry of shallow groundwaters during the high water period

表2 監(jiān)測(cè)井2009年2月、8月淺層地下水水化學(xué)參數(shù)相關(guān)系數(shù)矩陣Tab.2 Correlation matrices of hydrochemical parameters of shallow groundwaters during the low - high water period

這種化學(xué)類型轉(zhuǎn)變模式可能是地下水化學(xué)成分受海水—淡水簡(jiǎn)單混合及陽(yáng)離子交換所控制[17,26]。長(zhǎng)江口北翼濱海平原區(qū)地勢(shì)呈西北高東南低，在距海較遠(yuǎn)的淡水帶，地下水徑流條件較好，基本不受潮汐等海洋因素影響，地下水在含水層中停留時(shí)間短，水流交換迅速，含水層中的Na+、K+、Cl-等離子不斷淋濾并不斷被地下徑流帶走，離子以Mg2+、+、Ca2+等為主，形成低礦化度的Mg-Ca-HCO3、Na-Mg- HCO3型等地下水。在過(guò)渡區(qū)及海水入侵較為嚴(yán)重地區(qū)，受到潮汐、鹽田、養(yǎng)殖塘等因素影響，造成這些區(qū)域內(nèi)Cl-含量急劇增加，使含水層中Ca2+、Mg2+含量逐漸被Na+、K+等離子交換，出現(xiàn)Na-HCO3-Cl、Na-Mg- HCO3-Cl型地下水。③遠(yuǎn)離海岸的淡水帶，地下水水化學(xué)類型季節(jié)性變化不明顯，地下水形成和演變主要受巖性、降水等因素及各種物理化學(xué)作用控制；在過(guò)渡地帶及海水入侵區(qū)地下水除了受降水、地表徑流影響外，還受到人工養(yǎng)殖塘、鹽田、潮汐等因素影響，人為的將海水引入地下水系統(tǒng)，枯水季降雨及徑流流量減小，使地下水質(zhì)呈現(xiàn)Na-Cl、Na-Cl-SO4型，在豐水季，降雨量及徑流量增加，一定程度上緩解因人工引入海水造成地下水咸度增加的趨勢(shì)，使水質(zhì)類型呈現(xiàn)Na- HCO3-Cl型。

3結(jié) 論

通過(guò)對(duì)研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)離子及特征研究分析可得出以下結(jié)論：

1 研究區(qū)不同月份淺層地下水TDS分析對(duì)比，認(rèn)為研究區(qū)水化學(xué)類型變化復(fù)雜，受降水、地表徑流等原因影響，豐水季（8月）地下水TDS含量輕度減弱，水質(zhì)明顯優(yōu)于枯水季。

2 對(duì)枯水期和豐水期水離子特征對(duì)比分析，可知：Na++K+、Cl-屬于強(qiáng)度變異，其余離子屬于中度變異。降雨及地表徑流是影響離子變異的主要原因。通州和呂四地區(qū)幾個(gè)井點(diǎn)出現(xiàn)高濃度值表明該區(qū)明顯受到人類活動(dòng)影響。

3 由陸向海方向，研究區(qū)從Mg-Ca- HCO3、Na-Mg-HCO3型向Na-Cl、Na-Cl-SO4型演化。淡水地區(qū)地下水化學(xué)類型季節(jié)變化不明顯。過(guò)渡帶及海水入侵區(qū)地下水化學(xué)成分的形成和演變除了受降雨、巖性等方面影響外，還受人工養(yǎng)殖，鹽田、潮汐等影響。

致謝：非常感謝國(guó)家海洋局第二海洋研究所海底科學(xué)實(shí)驗(yàn)室韓喜斌博士在論文寫(xiě)作中給予指導(dǎo)；感謝國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心和上海市海洋局蘆潮港海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)站工作人員在外業(yè)調(diào)查中給予幫助；感謝國(guó)土資源部杭州礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心化學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作人員在水質(zhì)化學(xué)分析中給予幫助。

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Preliminary study in geochemical characteristics of seawater intrusion in the coastal region north wing of the Yangtze River Estuary

QIAO Ji-guo1, LONG Jiang-ping1, XU Dong1, ZHOU gen-yuan2, ZHAI wan-lin1

（1.Lab of Submarine Geosciences, SOA, Second Institute of Oceanography，Hangzhou 310012, China; 2.East china sea forecast center of SOA, Shanghai 200081, China）

P736.4

A

1001-6932(2011)02-0200-06

2010-03-23；收修改稿日期：2010-05-30

“908”專項(xiàng)“海洋地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與研究（908-01-ZH2）”、“海水入侵現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及防治對(duì)策研究”（908-02-03-05）。

喬吉果（1983-），男，碩士，主要從事海洋環(huán)境地質(zhì)地球化學(xué)方面的研究。電子郵箱：jgqiao2010@163.com。