趙 衛(wèi) 梁 昊 宮少軍 喬吉果 彭 鑫 李 穩(wěn)

(1. 天津市海洋地質(zhì)勘查中心，天津 300170； 2. 國土資源部資源環(huán)境承載力評價重點實驗室，北京 100083)

0 引 言

天津地區(qū)第四系含水巖組屬于松散巖類，孔隙含水層分布廣、厚度大，在水平和垂向上巖相變化較大．以埋藏條件、水質(zhì)等水文地質(zhì)特征及開發(fā)利用狀況劃分，將第四系孔隙水劃分為4個含水組，第Ⅰ含水組屬于淺層地下水系統(tǒng)，第Ⅱ-Ⅳ含水組屬深層地下水系統(tǒng)[1]．由于天津地區(qū)自晚更新世以來經(jīng)歷了4次規(guī)模不等的海水入侵過程，造成天津地區(qū)地下含水層中賦存著大量的古海水，并分布于第Ⅰ和Ⅱ含水組中，底界埋深一般在30～150 m[2]．

受斷裂構(gòu)造控制，天津地下水特征基本上以北部寶坻斷裂為界，北部為淡水區(qū)．因此，海水入侵的研究范圍大致為寶坻斷裂以南的廣大平原區(qū)，古海水和現(xiàn)代海水入侵均在研究區(qū)范圍內(nèi)，且主要發(fā)生在淺層地下水中．雖然古海水與現(xiàn)代海水時代不同，但是水化學(xué)特征存在一致性，一般具有礦化度高，氯離子含量高等特征，水化學(xué)類型為單一而穩(wěn)定的氯化鈉型．水質(zhì)調(diào)查表明許多地區(qū)的古海水在礦化度等指標(biāo)方面與現(xiàn)代海水非常接近，且氯離子濃度明顯高于淡水特征值，反映了二者之間有非常緊密的內(nèi)在關(guān)系[1]．因此，在進行海水入侵的研究工作中，必須運用地下水示蹤方法將二者加以區(qū)分．

目前天津地區(qū)的海水入侵研究工作較少，段磊和王文科[3]的研究成果表明，水同位素示蹤可用于研究地下水成因、停留時間及污染源的判定等．蔡明剛等[4]則運用氫氧同位素來研究該區(qū)沿岸地下水-海水相互作用的過程．翁建偉等[5]同樣運用氫氧同位素示蹤技術(shù)分別在沿海島嶼和內(nèi)陸進行不同水體的補給來源，以及地表水和地下水之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究工作，均效果良好．張琳怡[1]針對天津濱海地區(qū)地下水咸化問題，運用鍶同位素的示蹤方法，研究了地下水的遷移途徑以及海水、地表水、淺層地下水、深層地下水之間的相互作用過程．由此可見，目前國內(nèi)針對地下水的同位素研究工作主要針對物源和不同水體間的相互作用方面來展開，在天津地區(qū)則尚未用于對海水入侵的直接判定．

本次工作以天津海域海水和相應(yīng)地區(qū)的背景淡水為兩個典型單元，采用滴定分析法分析海水入侵程度與范圍．根據(jù)國家海洋局2014年編寫的《海水入侵監(jiān)測與評價技術(shù)規(guī)程(試行)》及相關(guān)研究成果[6-7]，選取氯離子和礦化度用于評價一個地區(qū)的海水入侵程度與范圍的重要指標(biāo)，此外，通過涂向陽[8]的研究成果顯示，鈉吸附比和咸化系數(shù)等同樣是評價海水入侵的重要因子．

1 實驗部分

1.1 樣品選擇

選取淺層地下水10個實際樣品和7個搜集樣點，地下水樣品分布詳細位置如表1．采樣范圍基本覆蓋了前人調(diào)查劃分的的淡水區(qū)、古咸水區(qū)以及可能的現(xiàn)代海水入侵區(qū)，便于在調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對地下水的物源和特征進行示蹤和對比分析．

表1 地下水樣品分布位置

1.2 海水入侵程度與范圍分析

采用滴定分析法分析海水入侵程度與范圍．采集樣品所用測試儀器為iCAP6300型等離子體發(fā)射光譜儀，測試環(huán)境溫度23℃，相對濕度48%．水化學(xué)指標(biāo)與海水入侵程度的對應(yīng)關(guān)系如表2所示，搜集樣點數(shù)據(jù)來自天津華北地質(zhì)勘查局地質(zhì)研究所．

表2 主要水化學(xué)指標(biāo)與水質(zhì)等級劃分

1.3 同位素示蹤法

氧同位素樣品采用MAT253氣體同位素質(zhì)譜儀測定，分析誤差δ18O≤0.3‰．天津海域海水的氧同位素值為δ18O海水，背景淡水的氧同位素值為δ18O淡水，調(diào)查樣點處的地下水氧同位素值為δ18O樣點，則樣點地下水海水混合比例(F樣點)的計算公式如下：

把海水混合比例(F)>0.5%作為確定是否發(fā)生海水入侵的臨界值．0.5%20.0%為嚴重入侵區(qū)，地下水已轉(zhuǎn)變?yōu)橄趟?/p>

2 實驗結(jié)果

2.1 地下水水化學(xué)指標(biāo)與入侵程度

各單項指標(biāo)對應(yīng)的水化學(xué)指標(biāo)如表3所示．實測樣品和搜集樣品的Cl濃度范圍分別為135.10～22 463.00 和119.23～22 837.00 mg/L，不同程度的入侵均有；礦化度分別為1.45～37.55和0.82～36.91 g/L，不同程度的入侵均有．實測樣品的鈉吸附比為16.32～320.26，均為嚴重入侵；咸化系數(shù)為0.17～58.56，不同程度的入侵均有．

表3 樣品水化學(xué)指標(biāo)與入侵程度判定

注：—指搜集樣點無實驗數(shù)據(jù)；/指Q1樣品為海水，故無入侵程度數(shù)據(jù)

2.2 氧同位素示蹤分析

根據(jù)同位素的實際調(diào)查結(jié)果，天津市淺層地下水中海水混合比例及同位素值如表4所示．淺層地下水中氧同位素數(shù)值整體表現(xiàn)在沿陸端至海端方向上，地下水δ值呈逐漸增加趨勢．實際樣品Q2、Q4和Q5所在的沿海地區(qū)同位素值明顯偏大，介于-4.6‰～-5.7‰之間，應(yīng)屬于現(xiàn)代海水入侵區(qū)；其余樣品地下水氧同位素值與淡水區(qū)樣點氧同位素數(shù)值相差不大，均介于-8.0‰～-8.7‰之間，這側(cè)面證明了微咸水區(qū)的形成可能不是現(xiàn)代海水入侵造成的，應(yīng)該是淺層地下水因埋深較淺，受蒸發(fā)作用導(dǎo)致地下水δ18O同位素升高的結(jié)果．

表4 天津市淺層地下水中海水混合比例及同位素值

注：—指搜集樣點無實驗數(shù)據(jù)

3 討 論

3.1 天津海水入侵評價指標(biāo)

通過對地下水水化學(xué)指標(biāo)特征的分析及篩選，各入侵評價結(jié)果中鈉吸附比的整體評價值均明顯偏高，與其他指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系也較差，咸化系數(shù)的評價結(jié)果與氯離子和礦化度相比較，存在一定的相關(guān)性，但評價等級過低，所以鈉吸附比和咸化系數(shù)不作為判定本地區(qū)海水入侵程度的指標(biāo)．氯離子和礦化度兩個指標(biāo)的相關(guān)性較好，整體上看，礦化度的評價等級略高于氯離子的評價等級，因此，兩項指標(biāo)可以綜合分析，用于海水入侵的等級評價．

3.2 天津現(xiàn)代海水入侵區(qū)范圍

圖1 天津現(xiàn)代海水入侵區(qū)范圍示意圖

通過氧同位素示蹤分析，得出現(xiàn)代海水入侵區(qū)包括漢沽一汽大眾華北產(chǎn)業(yè)園、大港垃圾處理場和塘沽四維企業(yè)所在的沿海地區(qū)，天津現(xiàn)代海水入侵區(qū)范圍示意如圖1．上述地區(qū)海水混合比例均>30%，按照氧同位素的劃分標(biāo)準(zhǔn)海水入侵程度等級屬于嚴重海水入侵；在平面展布上，淺層水海水入侵主要發(fā)生在濱海新區(qū)的中南部以及東麗、寧河與濱海新區(qū)交界的部分區(qū)域，以沿海地區(qū)為主；其余地區(qū)無入侵．

3.3 天津現(xiàn)代海水入侵的判定方法

通過本次工作的歸納總結(jié)，確定適用于天津地區(qū)現(xiàn)代海水入侵的判定方法，首先要圈定咸水區(qū)，即采取氯濃度≥250 mg/L作為咸水入侵的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，礦化度指標(biāo)作為輔助分析；下一步結(jié)合同位素方法，在咸水入侵區(qū)內(nèi)計算各區(qū)海水混合比例，判定是否發(fā)生入侵并評價入侵程度．