海水入侵是由于自然或人类活动打破地下水咸淡水之间的动态平衡导致海水侵入滨海含水层的现象^[1]。国内外学者常用解析法^[2-4]和数值模拟法^[5-7]研究海水入侵机理。但含水层的海水入侵现状直接影响着海岸带地下水资源的利用以及相关政策的制定, 因此本研究重点在区域地下水的海水入侵现状评价及其水化学演化。

Piper三线图是常用的表示地下水化学组成的工具, 广泛地应用在地下水化学分析中^[8-10]。但海水入侵是一个动态过程, Piper图无法表示水化学类型变化的动态过程。水化学相演化图(hydrochemical facies evolution diagram, HFE-D)把海水入侵过程中地下水的化学演化分为淡化阶段和咸化阶段, 既能反映地下水的化学组成, 又能清晰地反映海水入侵过程中的水化学演化所处的时期, 能更直观地描述水化学演化这一动态过程。HFED由Giménez-Forcada^[11]提出, 各国学者运用HFE-D分别评价了意大利^[12]、黄河三角洲地区^[13]、伊朗^[14]、印度^[15]、西班牙^[16]、越南^[17]的地下化学演化, 但HFE-D无法反映区域的海水入侵情况。

在对区域海水入侵现状的评价中, Cl^–、总矿化度TDS(total dissolved solids, TDS)是常用的化学指标。单一指标法^[18]或几种化学指标按照一定方法的组合^[19]是评价海水入侵程度常用的方法。近年来, 通过硼、锶^{[20, 21]}、锂^[22]的同位素反映海水入侵问题也成为了研究热点。但是海水在侵入含水层的过程中会发生一系列的水文地球化学反应: 咸淡水间的正向阳离子交换^[23]、水岩之间反向阳离子交换^[24]、碳酸盐溶解^[25]等。因此, 直接运用化学指标无法全面客观地评价海水入侵问题。TOMASZKIEWICZ^[26]等提出了海水入侵地下水质量指数(groundwater quality index for seawater intrusion, GQI_SWI), 把海水入侵过程中的各种地下水化学类型转换成数值(0~100)。该方法虽然考虑了海水入侵过程中复杂的水文地球化学反应, 但能直接用分数评价海水入侵程度, 比单一指标评价法更全面, 比数值模拟更简便。TRABELSI等^[27]运用GQI_SWI评价了突尼斯海岸带含水层的海水入侵程度; AYED^[28]等运用GQI_SWI评价了突尼斯东南沿海含水层的海水入侵情况; LOTFATA等^[29]运用GQI_SWI评价了美国海岸带地下水的水质。

为确定研究区地下水的化学类型及其动态演化、评价研究区的海水入侵现状、针对研究区离子浓度并结合经纬度坐标利用反距离加权插值算法并结合渗透系数对研究区域海水入侵程度进行划分, 作者采用HFE-D和GQI_SWI共同分析海岸带地下水的海水入侵现状, 兼顾了水化学组成的动态演化和区域海水入侵的现状评价, 为研究区地下水资源的开发利用提供了参考, 也确定了海水入侵防治措施在该区域的必要性。另外, 在国内文献中尚未找到HFE-D和GQI_SWI的应用案例, 本文为国内其他地区的海水入侵研究提供了参考。

1 材料与方法 1.1 研究区概

本文选取山东省威海市文登区为研究对象。该区域面积1 615 km², 南邻黄海, 属于温带大陆性季风气候。研究区降水总量少且分布不均, 夏季降水约占全年70%。文登全区河流均为雨源型河流, 在枯水季, 除几条主要河流中下游有很小径流外, 大都断流。文登区地下水属于浅层地下水, 埋深3~10 m。在沟谷中以裂缝下降泉的形式露出并进入河道, 是区域内地表水在枯水期的主要补给水源。

母猪河是文登区内最大河流, 其上游的米山水库是区域主要的水源地, 但这还无法完全满足工农业和境内58万居民的用水需求。因此, 文登区对地下水依赖程度较大, 同时人口增长也带来更高的用水需求, 这会导致地下水超采从而增加海水入侵风险。文中水质和地质数据源于山东第六地质矿产勘察院的46个地下水监测井的钻井数据(2013年—2014年)。本文用虚线把文登区划分为南北两部分, 其中, 小观镇、泽头镇、宋村镇、侯家镇和泽库镇属于南部沿海区域, 各乡镇及监测井位置如图 1所示。

1.2 水化学演化图

HFE-D的计算过程涉及的阳离子有Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺, 阴离子有HCO₃^–、CO₃^2–、Cl^–、SO₄^2–。海水入侵中水文地球化学过程复杂, 在简化复杂过程时忽略了一些次要过程, 因此HFE-D的绘制过程只考虑占比最大的Na⁺、K⁺、Ca²⁺、HCO₃^–、Cl^–、SO₄^2–。其中Mg²⁺、K⁺不在图中展示, 仅在计算中使用。另外SO₄^2–和HCO₃^–均可代表淡水, 在图中表示一个指标即可^[11]。本文选取HCO₃^–作为淡水中的特征阴离子。

HFE-D中横轴代表Ca²⁺和Na⁺+K⁺浓度在总阳离子浓度中的百分比; 纵轴表示HCO₃^–和Cl^–浓度在总阴离子浓度中的百分比。HFE-D把含水层发生海水入侵时的水化学演化分为侵入期和恢复期, 分别表示咸化过程和淡化过程。在侵入期, Ca-HCO₃型淡水在咸化的过程由于反向阳离子交换, 先形成中间态的Ca-Cl型水, 再逐渐演化成Na-Cl型海水, 整个侵入期包括淡水与咸水的初始混合过程(Ⅰ)、反向阳离子交换过程(Ⅱ)、后期混合水彻底咸化过程(Ⅲ)。淡水恢复期时, Na-Cl海水与淡水混合生成过渡态的Na-HCO₃^–型水, 最终逐渐恢复成Ca-HCO₃型淡水, 整个恢复期包括咸水与淡水初始混合过程(Ⅰ′)、正向阳离子交换过程(Ⅱ′)、后期混合水彻底淡化过程(Ⅲ′)。除了以上提到的淡水Ca-HCO₃、海水Na-Cl、反向阳离子交换地下水Ca-Cl、正向阳离子交换水Na-HCO₃, 在HFE-D中, 用“Mix”表示图中百分比小于50%的离子, 即图 2中的混合过程, 完整的HFE-D(图 2)中各分区的水化学组成分别是:

1: Na-HCO₃, 2: Na-MixHCO₃, 3: Na-MixCl, 4: Na-Cl, 5: MixNa-HCO₃, 6: MixNa-MixHCO₃, 7: MixNa-MixCl, 8: MixNa-Cl, 9: MixCa-HCO₃, 10: MixCa-MixHCO₃, 11: MixCa-MixCl, 12: MixCa-Cl, 13: Ca-HCO₃, 14: Ca-MixHCO₃, 15: Ca-MixCl, 16: Ca-Cl。图 2中的混合线把水化学演化分为淡化和咸化过程, 由监测数据中最接近100%Ca-HCO₃和100%Na-Cl的点连接而成^[23]。另外为了更清楚地表示水化学演化, HFE-D省略了坐标轴0~33.3%的部分。

1.3 海水入侵地下水质量指数GQI_SWI

GQI_SWI是由地下水中各离子的浓度(meq/L)计算出的分数, 能直接反映地下水的咸化程度。GQI_SWI考虑到海水占比和Piper图。海水占比按照下式计算:

${f_{{\rm{sea}}}} = \frac{{{m_{{\rm{Cl}}\left( {{\rm{sample}}} \right)}} - {m_{{\rm{Cl}}\left( {{\rm{freshwater}}} \right)}}}}{{{m_{{\rm{Cl}}\left( {{\rm{seawater}}} \right)}} - {m_{{\rm{Cl}}\left( {{\rm{freshwater}}} \right)}}}}, $

(1)

式中, 各参数分别表示水样, 淡水和海水中的氯离子浓度(meq/L), 可用0 meq/L和566 meq/ L分别表示淡水和海水中氯离子浓度^[26]。为确保该分数值域在0~ 100, 做如下处理:

${\rm{GQ}}{{\rm{I}}_{{f_{{\rm{sea}}}}}} = \left( {1 - {f_{{\rm{sea}}}}} \right) \times 100.$

(2)

海水入侵过程中的阳离子交换会引起其他一系列的水文地球化学反应, 如阳离子交换, 方解石溶解, 硫酸盐还原等, 涉及的离子有Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃^－, Cl^–, SO₄^2－。Piper图能相对全面地表示地下水的化学组成, 在GQI_SWI中, 根据海水入侵中各水文地球化学过程把Piper图分成6个区域(图 3) ^[26], Ⅰ到Ⅵ分别表示Ca-HCO₃, Na-Cl, Ca-Na-HCO₃, Ca-Mg-Cl, Ca-Cl, Na-HCO₃型水^[26]。Ca-HCO₃型水是最高分100分代表淡水, Na-Cl水是最低分0分代表海水。GQI_Piper是对地下水Piper图的数值解释, 运用各离子浓度(meq /L)计算GQI_Piper的方法见下式^[26]:

${\rm{GQ}}{{\rm{I}}_{{\rm{Pipe}}{{\rm{r}}_{\left( {{\rm{mix}}} \right)}}}} = \left( {\frac{{{\rm{C}}{{\rm{a}}^{2 + }} + {\rm{M}}{{\rm{g}}^{2 + }}}}{{{\rm{Tota}}{{\rm{l}}_{{\rm{cations}}}}}} + \frac{{{\rm{HCO}}_3^ - }}{{{\rm{Tota}}{{\rm{l}}_{{\rm{anions}}}}}}} \right) \times 50, $

(3)

${\rm{GQ}}{{\rm{I}}_{{\rm{Pipe}}{{\rm{r}}_{\left( {{\rm{dom}}} \right)}}}} = \left( {\frac{{{\rm{N}}{{\rm{a}}^ + } + {{\rm{K}}^ + }}}{{{\rm{Tota}}{{\rm{l}}_{{\rm{cations}}}}}} + \frac{{{\rm{HCO}}_3^ - }}{{{\rm{Tota}}{{\rm{l}}_{{\rm{anions}}}}}}} \right) \times 50.$

(4)

在计算GQI_SWI时使用到的是GQI_Piper(mix), Piper图中其他过程用GQI_Piper(dom)表示^[26]。f_sea能简捷地评价当前海水入侵程度, 但其仅仅考虑了氯离子浓度, 并未考虑到海水侵入过程中复杂的水文地球化学反应。Piper图能直观地表示地下水的水文地球化学过程, 但无法量化海水入侵程度。GQI_SWI把两种方法结合起来, 让两种方法优势互补, 计算方法如下^[26]:

${\rm{GQ}}{{\rm{I}}_{{\rm{SWI}}}} = \frac{{{\rm{GQ}}{{\rm{I}}_{{\rm{Pipe}}{{\rm{r}}_{\left( {{\rm{mix}}} \right)}}}} + {\rm{GQ}}{{\rm{I}}_{{{\rm{f}}_{{\rm{sea}}}}}}}}{2}.$

(5)

1.4 数据获取

本研究所采用的数据均来自威海文登区地下实地勘测的离子浓度真实数据, 离子主要包括K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2－、HCO₃^－、Cl^－, 利用反距离加权插值(inverse distance weight, IDW)算法并结合渗透系数对数据进行扩充处理, IDW算法是非规则分布点变成规则分布点常用的网格化方法之一。经过插值处理之后, 最终的输入数据共有900条, 本研究拟对所有输入数据进行水化学演化和海水入侵现状分析讨论。

2 结果与讨论 2.1 水化学演化

用Piper三线图表示文登区地下水的化学组成(图 4)。按照GQI_SWI中对Piper图中水化学类型的划分, 文登中北部地区地下水多为Ca-Mg-Cl型, 部分地区为Ca-HCO₃型, 结果表明该区域地下水以淡水为主; 南部由Ca-Mg-Cl型水和Na-Cl型水组成, 其中Na-Cl型水多位于泽库镇和宋村镇等沿海地区, 结果表明以上区域含水层中海水占据了主导地位。

文登区地下水HFE-D如图 5所示。南部沿海地区的地下水多为Na-Cl型海水, 表明沿海地区地下水已经完成了从淡水到海水的演化, 发生了严重的海水入侵现象。南部内陆地区多数位于混合线以下, 表明该区域地下水正处于海水侵入阶段, 并且多数地区地下水已经完成由Ca-HCO₃型向Ca-Cl型的演化, 正在由Ca-Cl型向Na-Cl型演化。HFE-D图隐藏了坐标轴0~33.3%段各离子浓度相对均衡的区域, 导致文登北部部分地区的低矿化地下水未能在图中展现, 但图 5表明北部地区依旧有很多Ca-Cl型水, 这表明文登内陆地下水也完成了由Ca-HCO₃型水向Ca-Cl型水的演化, 沿海地区的咸水有向内陆扩散的趋势。另外, 由图 4和图 5可知研究区只有极少数地区表现为Na-HCO₃型水, 表明研究区咸水并没有明显的淡化趋势, 可能的原因是文登区地下水补给不足。

图 5中的斜线为保守混合线(conserve mixing line), 该线为研究区域内咸化和淡化过程趋势的分界轴, 位于保守混合线上的点为基础指数50, 即代表该点位没有明显的淡化或咸化过程趋势。之后按照该研究区域内900条数据的淡化和咸化过程趋势进行距轴计算, 即在基础指数50上进行相应的加减分计算, 最终得到HFE-D指数分布图, 如图 6所示。

HFE-D指数越高的区域表示该区域内淡化过程趋势越强, HFE-D指数越低的区域表示该区域内咸化过程趋势越强。由图 6可知研究区大部分区域的HFE-D指数在50左右, 说明研究区大部分区域没有明显的淡化或咸化过程趋势, 处于相对平衡状态。研究区HFE-D指数北部区域高于南部区域, 说明研究区南部区域存在较为明显的咸化过程趋势。图 6中宋村镇西部存在一个明显的淡化过程趋势区域, 该区域位于母猪河、东母猪河交汇区域, 该区域存在河道较宽、渗透系数较高的情况, 因此大量淡水的流入会稀释海水入侵后的水源, 进而降低水中的含盐度。另外研究区北部HFE-D指数文登营镇区域小于研究区其他区域, 主要可能原因有两点: 首先HFE-D未考虑天然地表水离子浓度的影响, 文登营镇区域天然地表水Cl^–浓度较高; 其次文登营镇西部为文登区主城区, 东母猪河流经文登区主城区且该河流两侧建有材料、机械、环保设备等工厂, 部分生产污水对地表水离子浓度产生一定影响, 且人类活动导致形成隔水层, 导致地下水难以得到充足的地表淡水补充, 进一步导致相关离子浓度升高。

2.2 海水入侵现状

利用Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃^–、SO₄^2–、Cl^–的插值结果计算得到研究区的GQI_SWI分布, 见图 7。结果表明研究区GQI_SWI整体上从北到南逐渐降低, 中部和北部地区GQI_SWI多数在80以上, 地下水以Ca-HCO₃和Ca-Cl类型为主。南部沿海地区的GQI_SWI多在60以下。其中, 小观镇、侯家镇、泽库镇和宋村镇的部分地区GQI_SWI低于10, 地下水化学类型以Na-Cl型为主。

由图 7可知研究区自南向北海水入侵现状逐渐减缓, 研究区南部的小观镇和泽库镇GQI_SWI指数极低, 属于海水严重入侵区域。宋村镇GQI_SWI指数相对较低, 属于一般程度海水入侵区域。根据相关离子指数分布和GQI_SWI计算预测研究区南部的泽头镇和侯家镇GQI_SWI指数中等, 应为轻度海水入侵区域, 后期将通过进一步的监测数据采样, 验证泽头镇和侯家镇的海水入侵情况。

另外, 从GQI_SWI指数分布图可知, 文登营镇及西侧区域GQI_SWI指数较高, 说明海水入侵程度很轻微, 这与图 6的结果产生一定的矛盾。这是由于在GQI_SWI指数计算的时候, 考虑了地表淡水的天然离子浓度影响, 说明GQI_SWI指数法更能全面客观地表述海水入侵现状的情况。

3 结论与建议

Piper三线图和HFE-D结果表明文登区中北部地下水为Ca-Mg-Cl和Ca-HCO₃型淡水; 南部沿海地区是Ca-Mg-Cl和Na-Cl型水, 部分地区海水主导。HFE-D表明文登南部沿海地区地下水已经完成了由淡水到海水的演化, 由于淡水补给不足, 并且没有明显的淡化趋势。南部内陆和部分北部地区地下淡水也多处于海水入侵期, 因此咸水有进一步向北部内陆扩散的趋势。由GQI_SWI分析结果可知研究区南部小观镇和泽库镇GQI_SWI指数极低, 属于严重海水入侵区域; 宋村镇GQI指数相对较低, 属于一般程度海水入侵区域, 根据相关离子指数分布和GQI_SWI计算预测研究区南部的泽头镇和侯家镇GQI_SWI指数中等, 应为轻度海水入侵区域。基于得到的海水入侵现状图取得了同样的结果, 传统方法单纯使用Cl^–和TDS插值计算并且使用单一指标评价。GQI_SWI则运用了Na⁺、K⁺、Ca²⁺等7种离子, 这些离子都是海水入侵中发生的水文地球化学反应中涉及的离子, 因此GQI_SWI更能反映海水入侵现状。此外GQI_SWI考虑了海水入侵过程中一系列水文地球化学过程, 因此它比一般化学指标评价法更全面客观。HFE-D是能反映海水入侵这一动态过程的方法, 能根据地下水中占主导的离子判断该地区地下水的淡化或咸化趋势。GQI_SWI和HFE-D这两种方法结合既能全面客观地评价海水入侵现状, 又能判断出海水入侵的动态变化过程。研究结果有助于文登区确定地下水的开采策略和海水入侵的防治措施。HFE-D和GQI_SWI的应用为国内其他地区的海水入侵评价提供了参考。