卜慶偉, 李福林, 陳學(xué)群, 林 琳

(山東省水利科學(xué)研究院, 山東 濟南, 250013)

海底地下水排泄(Submarine groundwater discharge,簡稱SGD)是海岸帶陸海相互作用的重要途徑, 對海岸海洋過程和化學(xué)輸移具有十分重要的影響[1]。SGD很早就被發(fā)現(xiàn)并作為生活用水水源[2]。然而, 受技術(shù)水平及人們對海岸地下水動力作用認識的影響, 該領(lǐng)域研究進展緩慢。1996年, 國際知名期刊發(fā)表了多篇相關(guān)研究論文, 對SGD的來源識別及其對海岸的影響進行了探討[3-5], 大大推動了該領(lǐng)域的研究。

由于之前研究較少關(guān)注其來源、認識上的不統(tǒng)一導(dǎo)致SGD量值差別很大, 因此, SGD來源的識別是其量值確定的前提。利用同位素——鐳研究SGD的來源是由 Moore首先提出的[3], 之后在國外很多地方開展了相關(guān)技術(shù)應(yīng)用研究[6-10], 國內(nèi)利用此技術(shù)開展相關(guān)研究相對較少, 僅有郭占榮研究了隆教灣的海底地下水排泄[11]。本文以萊州灣東岸為研究區(qū), 借鑒地下水來源同位素識別方法, 嘗試采用穩(wěn)定同位素18O、D識別該地區(qū)海底地下水的來源, 在此基礎(chǔ)上估算SGD量值,成果對相關(guān)領(lǐng)域研究具有良好的借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東半島的西北部, 萊州灣東岸(圖1)。海岸線西起虎頭崖, 東至刁龍嘴, 長約30 km。海區(qū)范圍包括太平灣(萊州灣內(nèi)的一個次生小灣), 陸域包括萊州市西北部的海積沖積平原及丘陵低山, 面積360 km2, 地貌類型從陸向海依次分布沖積平原—潟湖平原—灘脊平原(砂壩)—水下岸坡。區(qū)內(nèi)有龍王河、蘇郭河、朱旺河、南洋河等幾條小河流。區(qū)內(nèi)多年平均地表徑流量1.29億m3, 降水入滲地下水補給量為4 320萬m3。海底地下水分布于太平灣內(nèi)的淺海區(qū)域范圍, 目前開發(fā)利用范圍主要限于高低潮線之間的潮灘區(qū), 最遠處海岸達1 000～1 500 m。

本海域潮汐屬不規(guī)則半日潮區(qū), 三山島測站(37°24′ N, 119°57′ E)的觀測資料表明, 潮汐類型判別系數(shù)為0.86, 平均漲潮時6 h 22 min, 平均落潮時6 h 6 min。以黃海高程為基準, 當?shù)仄骄Ｆ矫?.06 m,平均高潮位為0.56 m, 平均低潮位為-0.45 m。本區(qū)波浪以風(fēng)浪為主, 強浪向和常浪向均為NNE向, 三山島潮波統(tǒng)計平均波高1.3 m, 平均周期4.9 s, 最大波高3.9 m。

2 研究區(qū)海底地下水的賦存環(huán)境

萊州市沿岸海底地下水主要賦存于第四系松散沉積層中, 通過對潮灘上大量開采井的調(diào)查以及陸上鉆孔資料的分析, 結(jié)合莊振業(yè)、韓春瑞公開發(fā)表的鉆孔資料[12-13], 該地區(qū)含水層結(jié)構(gòu)自上而下可分概化為以下幾層:

第一層(潛水層), 直接埋藏在海水之下, 厚1～5 m,巖性主要為粉細砂, 屬全新統(tǒng)淺海－潮間帶沉積相,沉積層內(nèi)含有孔蟲和介形蟲化石。本層直接接受上層海水滲透補給, 含水量飽和狀態(tài), 水質(zhì)為咸水, 水化學(xué)類型為Cl-Na型, 與現(xiàn)代海水一致, 受海洋潮汐波動和波浪爬高影響甚大。

第二層(弱透水層), 埋藏在海底以下約5 m深度。巖性為黃褐色亞黏土, 厚度2～3 m。據(jù)研究, 該層含少量有孔蟲和介形蟲化石, 屬全新統(tǒng)早期海相沉積。

第三層(承壓含水層), 該層埋深在海底 8 m 以下,頂板為上述第二層亞黏土, 底板為本區(qū)的構(gòu)造基底—變質(zhì)巖, 平均厚度20～25 m左右。該層巖性主要為粉砂、細砂和粗砂, 砂層中間或以深層黏土質(zhì)粉砂或亞黏土相隔, 屬晚更新世的沖洪積相地層, 本區(qū)自中更新世早期以來沉積了3～5套沖洪積相旋回, 故而發(fā)育了上細下粗的幾個亞含水層。上部的1～2層亞含水層曾是沿海養(yǎng)殖大菱鲆的主要供水水源, 出水量約40 m3/h, 由于近年來開采量增大, 地下水位下降迅速, 上部含水層疏干, 僅剩底部的 2～3層沉積相發(fā)育的含水層, 為主要供水層,出水量20～30 m3/h。水質(zhì)類型Cl-Na·Mg型。

圖1 研究區(qū)位置與海岸地貌示意圖Fig. 1 Location map and coastal geomorphology

第四層(隔水底板): 主要由太古界膠東群山變質(zhì)巖及二長花崗巖組成。除風(fēng)化帶和構(gòu)造裂隙有一定富水性能外, 富水性很少, 構(gòu)成本區(qū)水文地質(zhì)系統(tǒng)的隔水底板。

上述四層單元在空間分布上并不連續(xù), 有的層次有缺失, 從陸到海, 其厚度也有一定變化(圖2)。

3 研究區(qū)海底地下水來源判別

3.1 樣品測試方法及測試結(jié)果

圖2 朱旺斷面地質(zhì)剖面概化圖Fig. 2 Sketch map of geology in Zhuwang section

項目組于2006年11月對萊州灣東岸朱旺地區(qū)進行了現(xiàn)場調(diào)查并分別對水庫水、地下淡水、海底地下水、海水及咸淡水交界面地下水進行了取樣分析。其中, 水庫水、海水采樣依據(jù)《地表水和污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T91-2002)執(zhí)行, 地下淡水、咸淡水交界面地下水、海底地下水依據(jù)《地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T164-2004)及《地下水污染地質(zhì)調(diào)查評價規(guī)范》(DD2008-01)執(zhí)行。樣品常規(guī)離子由山東省水利工程質(zhì)量與安全檢測中心站測試, 同位素由中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室穩(wěn)定同位素實驗室測試, 使用的質(zhì)譜儀型號為MAT-252、MAT-253, 同位素結(jié)果為相對國際標準 V-SMOW 水樣的比值。具體數(shù)據(jù)見表 1(δ: 樣品的同位素比值相對于標準物質(zhì)同位素比值的千分差;ρ: 樣品檢測指標的質(zhì)量濃度)。

（3）臨床癥狀：反映抗病毒治療效果的最敏感的一個指標是體重增加，對于兒童可觀察身高、營養(yǎng)及發(fā)育改善情況。機會性感染的發(fā)病率和艾滋病的病死率可以大大降低。在開始HAART后最初3個月出現(xiàn)的機會性感染應(yīng)與IRIS相鑒別。

表1 萊州灣東岸樣品分析結(jié)果Tab. 1 Analysis of samples in east coast of the Laizhou Bay

3.2 結(jié)果分析與討論

研究區(qū)樣品穩(wěn)定同位素δ18O-δD關(guān)系曲線見圖3,圖中大氣降水線根據(jù)全球降水同位素監(jiān)測網(wǎng)(Global Network of Isotopes in Precipitation, GNIP)煙臺站(37°31′48′N, 121°24′00′E)在 1986～1991 年數(shù)據(jù)采用壓軸回歸方法擬合, 公式為:δD=6.98δ18O+1.08(r2=0.81,n=44)。

圖3 萊州灣東岸樣品穩(wěn)定同位素組成Fig. 3 δ18O vs δD in the samples in east coast of the Laizhou Bay

由圖 3可以發(fā)現(xiàn), 樣品中的穩(wěn)定同位素值均位于當?shù)亟邓€的右下方, 表明各水源主要受到大氣降水的補給。水體在接受降水補給之前經(jīng)歷蒸發(fā)作用會引起氫氧同位素的富集, 使氫氧同位素點偏離大氣降水線并位于其右下方[14]。地表水庫樣品由于水面面積較大, 蒸發(fā)作用更為明顯, 加之降雨較少,偏離程度較高。地下水同位素含量相對海水較低, 說明水汽在由海洋向內(nèi)陸轉(zhuǎn)移過程中發(fā)生了同位素的大陸效應(yīng)[15-17], 并通過地下水體現(xiàn)。

海底地下水主要賦存于第四系松散沉積層中,上有海水及隔水層覆蓋, 不可能直接受降雨影響,因此, 對其來源的分析應(yīng)集中于大氣降水的源頭——海洋及受大氣降水補給的地下水體。海底地下水、當?shù)氐叵滤昂Ｋc當?shù)氐拇髿饨邓€具有良好的一致性, 偏離程度低, 也說明三者具有密切的水力聯(lián)系。海底地下水的硝酸鹽含量超過了近岸海水卻低于近岸地下水, 氯離子含量遠大于地下水和海水較為接近的事實從另一方面證實了海底地下水接受近岸含水層的徑流補給和海水補給。

就補給方式而言, 由于海底地下水與內(nèi)陸含水層具有較強的水力聯(lián)系, 海底地下水通過地下含水層接受內(nèi)陸地下水補給。而海水補給方面, 海灘注水試驗顯示,部分地區(qū)海灘砂的水平滲透系數(shù)為75 m/d, 垂向滲透系數(shù)為0.001 m/d。由此可見, 由于海底淤泥質(zhì)海相層的存在, 海底地下水接受海水的垂向補給量很少, 其主要補給方式應(yīng)是潮汐、波浪導(dǎo)致的水平補給。

通過上述分析, 萊州灣東岸海底地下水除受到內(nèi)陸含水層的凈補給外, 更大程度應(yīng)是由波浪、潮汐作用引起的海水補給。為進一步證實此結(jié)論, 結(jié)合當?shù)睾５椎叵滤_采量實際, 本次研究運用數(shù)值方法估算徑流量。

4 太平灣海底地下水徑流量的估算

4.1 模型和方法

按照Burnett等[2]的觀點, 海底地下水徑流量是指“陸地邊緣地帶從海底流向海岸海洋的任意水流, 而不論其流體的組成或驅(qū)動力如何”。而根據(jù)萊州灣東岸地區(qū)海底地下水來源分析, 研究區(qū)海底地下水徑流量包括直接入海的地下水徑流量和海水入滲的流量兩大部分, 海水入滲又包括波浪和潮汐兩個分量, 因此, 研究區(qū)海底地下水徑流量估算采用以下模型[1]:

其中:DSGD為海底地下水徑流總量;Dn為地下水徑流直接入海的凈值分量;Dw為波浪影響下單位岸線長度內(nèi)入滲量;Dt為潮汐波動引起的海水入滲分量。

Dn由達西定律計算求得。根據(jù)實測結(jié)果, 研究區(qū)地下水水力坡度為5‰。

Dw值可由下式計算:

式中:K為海灘沙的滲透系數(shù);Sw為波浪爬高坡度;L為波浪破碎線與爬升線之間的距離;Sw、L可根據(jù)研究區(qū)波浪條件及海灘坡度進行計算, 公式如下:

式中:σ為破碎指數(shù);Hb為破碎波高(m);Sb為海岸坡度。其中:

式中: g為重力加速度;T為波周期(s)。

Dt計算公式為:

式中:Dt為潮汐影響下單位岸線入滲率;k為潮汐影響下岸線入滲系數(shù);A為潮汐振幅;Tt為潮汐周期(s);w為潮汐頻率(w=2π/Tt);ne為海灘沙的有效孔隙度;H為含水層厚度。

4.2 參數(shù)選擇與計算結(jié)果

海岸含水層的滲透系數(shù)采用抽水試驗方法取得,海灘沉積物的滲透系數(shù)利用豎管試驗法(standpipe test)測定。為簡化計, 地下水入海徑流量的計算選擇典型斷面計算(圖4)。計算所用的主要參數(shù)見表2。

圖4 太平灣朱家村剖面地下水位Fig. 4 Groundwater level in Zhujia section in the Taiping Bay

單位岸線(m)海底地下水徑流量的計算結(jié)果如下:Dn＝10.3 m3/d;Dw＝25.2 m3/d;Dt＝45.8 m3/d; 以上三個分量占徑流總量的比例分別為 12.7%, 31.0%和56.3%, 地下水入海的凈值數(shù)量很少, 說明波浪和潮汐引起海水沿海灘沙的入滲是海底地下水徑流總量的主要組成部分。

另外, 本次計算的潮汐運動引起的入滲分量大于波浪運動引起的入滲分量, 原因在于本區(qū)屬半日潮區(qū), 潮汐往復(fù)運動較全日潮頻繁, 加之萊州灣東岸的海岸坡度較小(5‰), 潮汐運動帶來的大量海水入滲構(gòu)成海底地下水的主要來源。

表2 用于計算的主要參數(shù)Tab. 2 Parameters used in calculations

5 結(jié)論

萊州灣東岸海底地下水賦存于第四紀松散沉積物中, 第四紀中更新世以來形成并發(fā)育并受到全新世海侵的影響的水體。本文利用穩(wěn)定同位素——18O、D, 結(jié)合典型常規(guī)離子分析結(jié)果, 初步識別了萊州灣東岸典型地區(qū)海底地下水的來源。研究發(fā)現(xiàn), 該地區(qū)海底地下水除受到內(nèi)陸地下含水層的補給外, 更大程度接受由波浪、潮汐作用引起的海水入滲補給。

結(jié)合野外實測參數(shù)資料, 利用數(shù)值方法計算了研究區(qū)海底地下水補給量, 結(jié)果表明, 地下水徑流補給僅占總補給量的 12.7%, 波浪和潮汐引起海水沿海灘沙的入滲補給分別占總補給量的 31.0%和56.3%, 一方面說明波浪和潮汐引起海水入滲是當?shù)睾５椎叵滤饕难a給來源, 另一方面也證明利用氫氧穩(wěn)定同位素識別海底地下水來源的可靠性。

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