劉宏偉，楊君，杜東，柳富田，孫曉明

（1.中國地質調查局天津地質調查中心，天津 300170；2.中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心，河北保定 071051）

冀東平原濱海地區(qū)淺層地下水水化學與同位素特征分析

劉宏偉1，楊君1，杜東1，柳富田1，孫曉明2

（1.中國地質調查局天津地質調查中心，天津 300170；2.中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心，河北保定 071051）

通過對2010年在冀東平原采集的34組水化學同位素樣品進行分析，探討了地下水K+、Ca2+、Na+、Mg2+、SO42-、HCO3-與Cl-的關系，研究了氘氧同位素特征，為該區(qū)海（咸）水入侵研究提供了基礎數(shù)據(jù)。研究表明：區(qū)內淺層地下水化學類型主要分為三類，沿南北方向具有一定的規(guī)律性；山前地段地下水受到的主要影響作用為溶濾作用和離子交換吸附作用，濱海地段地下水主要為混合作用和蒸發(fā)濃縮作用影響，過渡地段地下水主要為蒸發(fā)濃縮作用影響；濱海地段地下水樣品受海水混入影響明顯，是海（咸）水入侵的潛在危險區(qū)。

水化學；氘氧同位素；淺層地下水；冀東平原

冀東平原濱海地區(qū)工程建設活動強烈，地下水開采活動頻繁，存在海（咸）水入侵、土壤鹽漬化、地下水位下降、地面沉降等諸多水土環(huán)境問題[1]。為此，開展地下水化學和同位素特征分析，以及水土質量評價等工作對保護該區(qū)地下水生態(tài)環(huán)境具有重要意義。不少學者在此做了很多研究性工作，雷靜[2]選擇地下水開采量、地下水埋深等指標評價了該區(qū)地下水的脆弱程度，王丹[3]利用模糊數(shù)學法對沿海地區(qū)海水入侵地下水進行了評價，張偉敬[4]探討了該區(qū)地下水化學特征并分析了主要影響因素，田建平[5]對濱海平原區(qū)淺層地下水水質進行了評價，這些成果為前期地下水的合理開發(fā)利用提供了重要依據(jù)。然而，隨著地下水的持續(xù)開采，其水質和循環(huán)特征等也發(fā)生了相應變化。筆者借鑒前人的經驗[6～10]通過分析近期從研究區(qū)采集的地下水樣品，研究主要離子和氘氧同位素特征，揭示現(xiàn)狀條件下的地下水水化學形成作用，識別海（咸）水入侵的潛在危險區(qū)，以期為該區(qū)水土生態(tài)環(huán)境的保護提供參考。

1 研究區(qū)概況

地下水按埋藏條件分為淺層地下水系統(tǒng)和深層地下水系統(tǒng)。其中淺層地下水主要受大氣降水補給，其次為地表水體入滲和地下水的側向徑流補給，排泄方式主要為潛水蒸發(fā)、越流排泄及人工開采。根據(jù)沉積物巖性及水文地質特征，本區(qū)第四系含水層系自上而下又可分為四個含水層組[11]，淺層地下水系統(tǒng)與第一、第二含水層組相對應。第一含水層組底界面埋深40～60 m，巖性以粉砂、細砂為主，透水性好，屬單、雙層含水結構。第二含水層組底界面埋深120～170 m，山前地區(qū)巖性由中細砂－中粗砂－礫石、卵石或含礫粗砂組成，透水性與富水性較強；濱海地區(qū)以薄層細砂、粉砂為主，含水層間多見粘土，透水性與富水性較弱，補給與徑流條件較差。

圖1 研究區(qū)位置及樣點分布圖Fig.1 Sam p les and loca tion o f the study a rea

2 樣品采集與測試

在2010年沿地下水流向采取淺層地下水樣31組、海水樣2組、雨水樣1組（圖1），所有樣品直接從井口采集，采集前抽出井筒3倍以上的水量，樣品分別密封于1000 ml和100 ml聚乙烯瓶中。水質簡分析測試由天津地質礦產測試中心完成，環(huán)境同位素氘（2H）、氧（18O）測試由核工業(yè)地質分析測試研究中心和中科院地質與地球物理研究所完成，測試結果見表1。

3 測試數(shù)據(jù)分析

3.1 樣品水化學類型分組

Piper三線圖顯示淺層地下水樣品的水化學類型可以分為3組（圖2）。結合樣品點所處的地理位置及含水層特征分析，Ⅰ組包含第一含水層組山前地段樣品以及第二含水層組山前地段和山前－濱海過渡地段樣品，Ⅱ組包含濱海地段第一、第二含水層組樣品，Ⅲ組為第一含水層組山前-濱海過渡地段樣品。

Ⅰ組：該組為淡水，樣點TDS＜1 g/L，Cl-＜0.07 g/L，陰離子以HCO3-為主，陽離子以Ca2+、Mg2+或Ca2+、Na+為主。樣品分布在唐?？h城北約10 km以北區(qū)域的第一含水層組（Ⅰ1組），以及唐?？h城南約10-15 km以北區(qū)域的第二含水層組（Ⅰ2組）。

Ⅱ組：該組為咸水[13]，樣品TDS＞10 g/L，Cl-＞7 g/L，水化學類型為Cl--Na+型。樣品分布在唐?？h城南約15～20 km島區(qū)的第一（Ⅱ1組）、第二含水層組（Ⅱ2組）。

Ⅲ組：該組為微咸水[13]，樣品2.5 g/L＜TDS＜3.5 g/L,0.7 g/L＜Cl-＜1.1 g/L，陰離子以Cl-、HCO32-為主，陽離子以Na+或Na+、Mg2+為主。分布于唐海縣城南約10～15 km至縣城之間的第一含水層組。

圖2 樣品Piper三線圖Fig.2 Piper figure o f the sam p les

3.1 Ⅰ組樣點

在HCO3--Cl-圖中（圖3），樣點均偏離海水稀釋線[7，14]較遠；Ca2+、Mg2+、SO42-樣點也都高于海水稀釋線，其中Ca2+偏離較Mg2+、SO42-的?。籒a+和K+基本位于或臨近海水線上。離子的向上偏離主要是地下水溶解了土壤中的CO2并與地層中方解石、白云石、石膏、鉀長石等[12]礦物發(fā)生溶濾作用所致。圖2中是以海水稀釋線作為對比線，因此不同離子與稀釋線的間距主要受海水本身離子比值影響[7]。六組關系圖中僅有K+在稀釋線兩側輕微波動，可能是因該項離子海水的比值小且在地下水中的含量低造成的。沿海地區(qū)單純的大氣降水可視為海水的強烈稀釋[15]，雨水點相

那時的火鍋，其實應該叫“火鼎”，因為這個時候鍋還沒有被發(fā)明出來，當時的鼎可比鍋要大太多，所以想吃火鍋你首先得湊齊幾十個人。銅制的鍋子與陶制的砂鍋，到現(xiàn)在還是最實用、是最普遍的火鍋器皿，而大的鼎最后則延伸為權力的象征了。

對降水線的偏離可能是溶解部分污染物或蒸發(fā)鹽的原因[7]。離子關系圖說明該區(qū)樣點為大氣降水起源，在入滲地下和徑流過程中融入CO2并溶解了巖石礦物。

在δD-δ18O關系圖上（圖4），該區(qū)樣點都分布在大氣降水線右前方且靠近雨水點，也說明樣品來源于大氣降水，且在補給過程中經受蒸發(fā)作用影響。

在piper三線圖上（圖2），樣點遠離海水點，緊靠雨水點，分布范圍較為集中，說明該區(qū)樣點具有大氣降水特征，無海水混合跡象。

研究區(qū)海水的γMg2+/γCa2+值[17]以樣點C1-為基準，能很好的區(qū)別海水混合的程度及范圍（圖5）。該區(qū)的γMg2+/γCa2+值除點C1-達到1.28外，其余樣點均小于1，可見海水混合甚微。

表1樣品測試結果Table 1 Resu lts o f sam p les m easu rem en t testing

圖3 主要離子與C l-關系圖Fig.3 Re lationship figure between main ions and ch loride ion

以上四個方面可以說明該區(qū)樣點為大氣降水來源，經受蒸發(fā)效應入滲補給地下，水化學作用以溶濾作用和離子交換吸附為主。

3.2 Ⅱ組樣點

圖2中Ca2+、Na+、Mg2+、SO42-樣點很好的落于海水稀釋線上，且靠近海水樣點,說明海水混入比例較大。HCO3-的偏離也是因為CO2的溶解，K+離子的輕微波動同樣是因其含量低以及海水比值小造成。

δD-δ18O圖上（圖4），該區(qū)中樣點C29落于大氣降水域。其他樣點位于淡水點和海水點之間，證明樣點的水分子是由海水和大氣降水混合組成。C17點經歷較為明顯的蒸發(fā)效應。

Piper三線圖上（圖2），該區(qū)樣點緊靠海水點，顯示與海水點相同的特征，說明海水混入比例很大。

圖5顯示，該區(qū)中點C30的γMg2+/γCa2+值最小也達到3.45，其余樣點值均超過4.09，顯示受海水影響明顯。

以上四個方面可以說明該區(qū)樣點為海水和淡水的混合，且海水混入比例較大，水化學作用以混合作用和蒸發(fā)濃縮作用為主。

圖4 δD-δ18O關系圖[16]Fig.4 Re lation o fδD andδ18O

圖5 γMg2+/γCa2+與Cl-關系圖Fig.5 Re la tion o fγMg2+/γCa2+and C l-

3.3 Ⅲ組樣點

從圖2中K+、Na+、Mg2+、SO42-與Cl-關系可以看出，該組樣點雖然較少但分布相對集中，且很靠近海水稀釋線。CO2的溶解導致HCO3-的偏離，Ca2+的偏離程度較Ⅰ區(qū)樣點明顯減小，說明其溶解礦物的能力已漸趨穩(wěn)定。隨著樣點與海距離的逐漸縮短，海水成分的混入逐漸掩蓋了淡水中原有濃度明顯高的成分。

δD-δ18O圖上（圖4），該組中樣點C14、C15表現(xiàn)出與Ⅰ區(qū)樣點相同的特征。樣點C16位于淡水點和海水點之間，且更靠近海水，表現(xiàn)出海水與淡水混合的特征。

三線圖上（圖2），該區(qū)樣點位于淡水點和海水點之間，顯示海水混入跡象。該區(qū)處于Ⅰ、Ⅱ兩區(qū)連線偏下的位置，說明受到了水化學作用過程的影響。

圖5中，C14樣點γMg2+/γCa2+值達到5.26，點C16的γMg2+/γCa2+達到3.54，均指示受海水混入影響；而點C15在此表現(xiàn)為淡水特征。

圖6中該區(qū)和Ⅱ區(qū)樣點的TDS-Cl-線性關系很好（R2=0.99）,這顯示Cl-越來越能反映出TDS的特征，說明隨著樣點與海的距離逐漸接近，海水的混合作用越來越明顯。與之相反，淡水Ⅰ區(qū)樣點TDS與Cl-比值變化較大，這反映出溶濾作用是淡水區(qū)礦化度的主要影響因素。

圖7也顯示該組以及Ⅱ區(qū)樣點Na++K+與Cl-有很強的線性關系（R2=0.99），說明其Na++K+的來源主要是海水。而淡水Ⅰ區(qū)的Na++K+主要來源于雨水及上游的地下水的側向補給，所以線性關系相對較差。

綜上所述，該區(qū)樣點水化學同位素特征顯示地下水主要受蒸發(fā)濃縮作用影響，其次受到混合（海

水、咸水）作用和離子交換作用等影響。

圖6 TDS-Cl關系圖Fig.6 Re lation o f TDS and Cl-

4 討論

野外采取地下水樣品時，受實際條件的限制導致唐?？h城南至島區(qū)之間樣品點較少，造成該地段地下水化學特征揭示不夠全面，建議后續(xù)研究進一步補充樣點。

研究區(qū)地下水從山前到濱海徑流過程中經歷溶濾作用、蒸發(fā)濃縮作用、混合作用以及陽離子交替吸附作用等復雜過程形成現(xiàn)有的水化學成分，因此后續(xù)海（咸）水入侵研究時不能簡單的以淡水和海（咸）水作為兩個端元計算混合比例。

5 結論

（1）自北部山前至濱海，淺層地下水（Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅱ區(qū)）化學類型分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即由HCO3--Ca2+·Mg2+（Ca2+·Na+）→Cl-·HCO3--Na+（Na+· Mg2+）→Cl--Na+過渡。

（2）相對而言，山前地段地下水受溶濾作用和離子交換吸附作用影響明顯，濱海地段地下水受混合作用和蒸發(fā)濃縮作用影響明顯，過渡地段地下水受蒸發(fā)濃縮作用影響明顯。

（3）從地下水樣品中海水混入比例來看，濱海地段是海（咸）水入侵災害發(fā)生的潛在危險區(qū)。

圖7 Na+K-Cl關系圖Fig.7 Re lation o f Na++K+and Cl-

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Hydrochem icaland Isotopic Characteristics Analysisof the Shallow Groundwater in Jidong CoastalArea

LIU Hong-wei1，YANG Jun1，DU Dong1，LIU Fu-tian1，SUN Xiao-ming2

(Tianjin Center,ChinaGeological Survey,Tianjin,300170,China；Hydrogeology and EnvironmentalGeology Centerof CGS,Baoding,Hebei,071051,China)

The hydrochem ical and isotopic data of the groundwater are analyzed based on 34 samples taken from coastal area,Jidong plain in 2010.The relationships among K+,Ca2+,Na+,Mg2+,SO42-,HCO3-and Cl-are discussed.Meanwhile,the relationship between D and O18wasanalyzed,which provided the data base for sea(salty) water intrusion research.The results show that there are three kinds of hydrochem ical types for shallow groundwaterwhich have a regular distribution along SN direction.The characteristics of groundwater aremainly affected by leaching and evaporation in piedmont zone,bym ixing and evaporation in coastal zone,and by evaporation in the transitionalzone.Samples are affected by seawaterm ixing in coastal area,which indicates a potential dangerouszone forsaltwater intrusion.

hydrochem istry;deuterium;oxygen isotope;shallow groundwater;Jidong plain

P641.3

A

1672－4135（2014）02－0108-07

2014-01-14

中國地質大調查項目：萊州灣地質環(huán)境調查評價（12120113003800）；曹妃甸環(huán)境地質調查評價（1212011120086）；國土資源部公益性行業(yè)科研專項經費課題（201011019-02）

劉宏偉（1982-），男，碩士，工程師，主要研究方向為水文地質、地下水同位素與水化學研究，E-mail: liuhenry022@163.com。