威海市地下水水化學特征及成因分析

孫乃波，陳學群，李 倩，管清花，馮婧怡，徐征和

（1.威海市水文中心，山東 威海 264209；2.山東省水利科學研究院，濟南 250013；3.濟南大學水利與環境學院，濟南 250022）

0 引 言

地下水是我國水資源的重要組成部分，與人類生產生活密切相關[1]。近40年來，隨著工業化和城鎮化的快速推進，人們對水資源的需求明顯增加，水資源的供需矛盾日益突出，致使人們大量開采地下水，導致地下漏斗、地面塌陷及海水入侵等生態環境問題進一步加劇，地下水污染程度加重，嚴重威脅地下水環境[2]。因此，面臨日益嚴重的水資源短缺和水污染問題，地下水環境監測成為當前社會的熱點話題，水資源保護受到國家高度重視，合理有效地管理地下水資源勢在必行[3]。

地下水化學成分與地下水賦存環境存在重要聯系。在人類活動和自然作用的影響下，地下水化學成分會發生變化，從而表現為不同的特征。分析地下水化學特征及演化規律，不僅可以直接對當前地下水水質有所反映，還可以根據地下水年內和年際變化揭示當地水文地質情況，實現針對性的監測和保護地下水環境[4]。

地下水環境問題主要包括地下水超采和地下水污染，超采導致地下水位大幅度下降，污染加劇地下水水質惡化[5]。對于沿海地區，地下水超采還會引發海水入侵，使地下水礦化度加大，引起土地鹽堿化，嚴重破壞當地生態環境。因此，地下水環境管理主要針對地下水超采治理、污染程度和水質時空變化監測，人們在這方面已經得出了重要結論，齊玉涵等[6]通過對鄭州市區淺層地下水化學特征研究，得出了巖石風化作用是影響整個城市水化學特征的主要原因。楊會峰等[7]對華北平原近40年地下水水位演變進行分析，精準提出針對當地地下水超采治理的建議。陶志斌等[8]通過對比不同年代大沽夾河下游地下水水質，總結出地下水演變規律，并進行水質趨勢預測。劉紹等[9]采用PHREEQC 軟件，對雙遼市地下水水化學演化過程進行反向地球化學模擬，并利用離子比值法進行分析驗證。本文基于前人的研究成果，以威海市地下水為研究對象，分析地下水化學特征及演化規律，為當地地下水資源管理和地下水環境監測提供參考。

1 研究區概況

威海市地處山東半島最東端，地理坐標范圍為東經121°11′～122°42′，北緯36°41′～37°35′，總面積5 797 km2。威海市東、南、北三面瀕臨黃海，西面與煙臺市接壤，地理位置優越，是“一帶一路”的重要節點城市，亦是山東半島重要的藍色經濟開發區[10]。研究區地理位置見圖1。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location of study area

研究區按照地貌分區屬于起伏緩和的魯東波狀丘陵區，主要地貌類型為低山、丘陵和平原，面積占比分別為15.7%、52.4%、27.6%，地勢總體上呈現為西北高、東南低走勢[11]。作為沿海城市，屬于典型的北溫帶季風氣候，年平均降雨量為737.7 mm，年平均氣溫為12.2 ℃，具有雨水豐沛、夏多冬少、氣候溫和的特點。但隨著經濟和人口的持續增長，水資源承載壓力越來越大，地下水環境問題也頻繁出現，多年監測中地下水水質主要超標項目有亞硝酸氮、氯化物等，個別年份存在礦化度超標情況[12]。研究區內多年平均水資源總量16.49 億m3，人均水資源占有量585 m3，僅占全國平均水平的1/4，屬于資源型嚴重缺水地區[13]。區域內大小河流1 000 多條，流域面積達100 km2以上的河流有10條，其中母豬河、乳山河及黃壘河流域面積較廣，流域面積多達2 276 km2[14]，但仍不能滿足當地工農業及生活用水的需求，地下水開采量較大，海水入侵風險突出，成為當地主要的地下水環境問題[15]。根據地下水的埋藏條件，將研究區內地下水劃分為孔隙水、裂隙水和巖溶水，其中裂隙水分布較為廣泛。本文將以威海市歷年裂隙水的采集數據為研究對象，分析研究區內地下水水化學特征，從時間尺度上研究地下水演變規律及形成因素，揭示當地地下水環境問題。

2 樣品采集及研究方法

威海市地下水水質監測信息可以追溯到1982年，本文以2006-2020年地下水水質監測數據為背景，綜合分析前期數據資料，以地下水中主要離子濃度為水化學指標，采用統計分析法、Piper三線圖、動態曲線圖、Gibbs圖及離子比值法對水樣監測結果進行分析，得出當地地下水水化學特征及演變規律。水樣采集依據《地表水和污水監測技術規范》，現場測試地下水水位、水溫、pH 和EC等，采樣后水樣在4 ℃下遮光保存并送地下水水質檢測中心檢測，檢測項目包括Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、總硬度、TDS 等。研究區采樣點位置見圖2。

圖2 研究區采樣點位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of sampling point position in the study area

以2006、2011 及2020年為3 個代表年進行地下水水化學參數統計分析，統一選用9月份采集的水樣數據展開對比，以揭示近15年威海市地下水總體水化學特征及演化規律。

繪制威海市內4個典型監測點（大水泊鎮、蔭子鎮、夏莊鎮、俚島鎮）2010-2020年地下水pH、亞硝酸鹽、TDS及氯離子濃度動態曲線圖，總結近10年地下水水質動態，分析海水入侵及工農業活動對地下水水質的影響；對2020年研究區內地下水主要離子繪制Gibbs 圖與離子關系圖，分析地下水化學與當地巖性的關系，進一步綜合判斷影響地下水環境的主要成因。

3 結果與分析

3.1 地下水化學特征及演化規律

威海市監測的2006、2011 及2020年地下水水化學統計參數，如表1所示。3年中地下水主要陽離子平均含量從大到小排列順序為：Ca2+＞Na+＞Mg2+＞K+，主要以Ca2+為主，Na+和Mg2+次之，K+質量濃度相對較低；2006年、2011年地下水中主要陰離子平均含量從大到小排列順序為：HCO3-＞Cl-＞SO42-，主要以HCO3-和Cl-為主，HCO3-平均濃度遠超Cl-，而2020年地下水中主要陰離子平均含量從大到小排列順序為：HCO3-＞SO42-＞Cl-，主要以HCO3-和SO42-為主，HCO3-與SO42-平均濃度差異不明顯。表明地下水從2006年到2020年演化中水化學參數發生了一定變化，地下水中SO42-含量均值明顯增加，而HCO3-和Na+含量均值明顯減少。SO42-和Ca2+在陰陽離子濃度中占比明顯增加，而Na+和HCO3-占比明顯減少。陽離子中Mg2+在15年中變異系數變化較大，由0.40增至1.40，離散程度變大，表明研究區內Mg2+受外界影響較大，分布變得更加不均勻；SO42-變異系數由0.39 增至1.33 及Cl-變異系數由0.53 增至1.68，都表現為在2006年到2020年水化學演變過程中離散程度變大，具有強烈的時間變異性。Ca2+、Na+及HCO3-在3 個代表年中變異系數均小于1，相對較小，表明其含量在研究區內分布較為穩定，受人類活動影響較小，主要受地質背景環境控制。

表1 威海市不同年代地下水水化學參數統計Tab.1 Statistics of hydrochemical parameters of groundwater in different years in Weihai City

地下水化學成分是地下水演化規律的集中反映，為闡明研究區內地下水水化學演化規律，確定地下水水化學類型，將2006、2011 及2020年地下水主要離子Ca2+、Mg2+、K++Na+、Cl-、SO42-、HCO3-繪制成Piper 三線圖。如圖3所示，威海市所選取的3個代表年中地下水堿土金屬離子含量均超過堿金屬離子，大部分陽離子集中落在Ca2+端，大部分陰離子集中偏向HCO3-端，表明地下水中HCO3-和Ca2+占陰陽離子比例高，說明水質還好，離子變化一定程度上受到碳酸鹽巖風化的影響。沿箭頭方向，陽離子變化幅度不大，陰離子發生了轉移，表明受附近工農業污水排放等人類活動的影響，導致地下水中硫酸根離子含量明顯增加，毫克當量百分數由15%增加至30%，改變了它在陰離子濃度中的排列順序，使得2006-2020年地下水水化學類型發生由Ca·HCO3型向Ca·HCO3、Ca·SO4型演化。

圖3 2006、2011和2020年地下水Piper三線圖Fig.3 Piper diagram of groundwater in 2006,2011 and 2020

圖4所示為威海市2011年部分采樣點地下水與地表水水質監測數據對比。地下水中以HCO3-和Ca2+為主要優勢離子，而地表水中以Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-為主要優勢離子。地下水與地表水相比，HCO3-陰離子濃度占比明顯增加，SO42-和Cl-相對減少，Ca2+和Mg2+陽離子濃度占比相對減少，K++Na+相對增加。地表水水化學類型較為復雜，造成原因可能是地表水受人類活動的影響相對較大，主要以Ca·Mg-HCO3、Ca·Mg-Cl 和Ca·Mg-SO4為主；而地下水水化學類型較為單一，主要以Ca·HCO3為主。表明威海市內地表水與地下水化學類型存在一定差異，在地下水水化學演變過程地表水補給不構成主要因素。

圖4 2011年地下水、地表水Piper三線圖Fig.4 Piper diagram of groundwater and surface water in 2011

3.2 水化學特征成因分析

地下水環境變動往往是由很多因素造成的，主要包括人類活動與自然因素。人類活動對地下水環境的影響，一方面通過地表工農業及生活廢棄物排放直接污染地下水水質[16]，另一方面通過地下建設活動間接導致地下水水位與水質的變化[17]；自然因素主要包括巖石風化及溶濾作用、蒸發濃縮作用[18]，對于沿海地區，海水入侵也是一種常見的引起地下水環境惡化的現象[19]。本文為研究工農業污染和海水入侵對威海市地下水水質的影響，從沿海到內陸依次選取4 個典型監測點，分別位于俚島鎮、夏莊鎮、蔭子鎮和大水泊鎮境內，以地下水pH、亞硝酸氮、TDS和氯離子濃度為監測指標，分析2010-2020年地下水水質動態變化趨勢。圖5所示為典型監測點地下水水質多年動態變化。

圖5 典型監測點地下水水質多年動態曲線圖Fig.5 Multi-year dynamic graph of groundwater quality in typical monitoring points

pH 變化范圍在6.5～8.2 之間，4 個典型監測點差別不是很大，近10年變化過程中有兩次較明顯的拐點，分別出現在2013年和2018年附近。當地地下水絕大部分呈弱堿性，是沿海地區長期的水文地球化學過程的影響，近幾年有升高的趨勢，可能是由于人類生產生活中污染物排放造成的。亞硝酸氮的變化范圍在0～44 mg/L 之間，除蔭子鎮外均未超出我國地下水硝酸鹽氮含量Ⅲ類標準20 mg/L，經查看蔭子鎮地下水中亞硝酸鹽含量超標是由于受附近機械工業的影響。TDS變化范圍在129～3 814 mg/L之間，除俚島鎮出現兩次突然升高的拐點外，其余均圍繞著400 mg/L 波動，沒有明顯的變化趨勢。俚島鎮多數年份TDS 含量均超過1 000 mg/L，地下水極可能長期遭受化學污染。同時可以明顯的看出4 個典型監測點氯離子濃度與TDS 在近10年變化趨勢基本一致，大水泊鎮、蔭子鎮和夏莊鎮均圍繞著60 mg/L 波動，質量濃度較為穩定。俚島鎮氯離子濃度變化范圍在48～1 491 mg/L 之間，以地下水中氯離子含量高于250 mg/L 為判斷海水入侵的標準，判定導致俚島鎮地下水水質較差的原因可能是受附近斷裂帶的影響[20]，誘發海水入侵，造成TDS 和氯離子濃度相對較高，10年內變化幅度較大，且在2013年和2016年異常嚴重。通過對沿海到內陸依次選取4 個典型監測點水質多年動態分析，發現威海市部分地區地下水環境一定程度上遭受附近工業及海水入侵的影響。

Gibbs 圖可以從宏觀上反映地下水離子的主要來源[21]，從圖6（a）和圖6（b）可看出2020年該區地下水多數采樣點主要分布在Gibbs 圖的巖石風化型區域，表明巖石風化作用是控制該區內地下水水化學成分的主要因素。離子關系是反映地下水環境的主要依據，由地下水中主要離子比例關系進一步分析地下水水環境與巖性的關系[22]。圖6（c）所示地下水Ca2++Mg2+與SO42-+HCO3-的關系，大部分采樣點位于Y=X線的上方及附近，近74%的采樣點(Ca2++Mg2+)/(SO42-+HCO3-)比例系數大于1，表明地下水中Ca2+和Mg2+主要來源于碳酸鹽巖溶解；而26%的采樣點(Ca2++Mg2+)/(SO42-+HCO3-)比例系數小于1，表明地下水還需要由硅酸鹽和蒸發巖溶解來保持離子平衡。圖6（d）所示為Na++K+和Cl-的關系，絕大部分采樣點落在Y=X線附近，僅有35%的采樣點（Na++K+）/(Cl-)比例系數大于1，表明地下水中僅有少部分Na++K+離子來源于巖鹽溶解，受人類活動和海水入侵的影響比較嚴重，導致Cl-過剩?？偟膩碚f，威海市地下水化學特征主要受海水入侵、碳酸鹽巖風化及人類活動的影響。

圖6 2020年研究區內地下水Gibbs與主要離子關系圖Fig.6 Gibbs and relationship between main ions of groundwater in the study area in 2020

4 結 論

本文以2006-2020年地下水水質監測數據為背景，以地下水中主要離子濃度為水化學指標，對威海市內地下水化學特征及演化規律進行分析，得出以下結論：

（1）研究區2006-2020年地下水演化過程中，地下水離子主要以Ca2+和HCO3-離子為主，SO42-含量均值顯著增加，而Na+和HCO3-含量均值明顯減少，地下水水化學類型由Ca·HCO3型向Ca·HCO3、Ca·SO4型演化。應嚴格控制工農業廢污水排放標準，減小SO42-排放對地下水環境的影響。

（2）研究區內地下水化學成因：由沿海到內陸選取的4個典型監測點近10年的地下水水質動態變化反映，pH 變化范圍為6.5～8.2，絕大部分地下水為弱堿性；亞硝酸氮除蔭子鎮外均未超出我國地下水硝酸鹽氮含量Ⅲ類標準20 mg/L；TDS 和氯離子濃度變化趨勢基本一致，除靠海俚島鎮外均圍繞著400、60 mg/L 波動，地下水水質變化趨勢基本穩定。結合Gibbs 圖與離子關系圖分析地下水主要離子的來源，判定碳酸鹽巖風化作用是控制該區內地下水水化學成分的主要因素，另外海水入侵和人類活動是影響威海市地下水環境的重要因素。需進一步加強研究區內地下水超采治理工作，鞏固沿海地區海水入侵防控工作，確保地下水環境生態平衡。