甘華陽， 林進(jìn)清， 夏 真， 何海軍， 路劍飛， 黃向青， 張順枝

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣州 510760)

華南西部火山島地區(qū)濱海淺層地下水的水質(zhì)現(xiàn)狀研究

甘華陽， 林進(jìn)清， 夏 真， 何海軍， 路劍飛， 黃向青， 張順枝

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣州 510760)

雷州半島與海南島一峽相隔，氣候和地質(zhì)環(huán)境相似。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，沿海地下水抽用頻繁，發(fā)展和環(huán)境的矛盾日益突出。為了解濱海地區(qū)地下水的分布、變化及其與環(huán)境的關(guān)系，在雷州半島和海南島濱海地區(qū)進(jìn)行了淺層地下水井鉆鑿和地下水潮周期化學(xué)連續(xù)取樣及實(shí)驗(yàn)測試。對(duì)數(shù)據(jù)的分析與評(píng)價(jià)結(jié)果表明： 全部監(jiān)測井為Na-Cl型，除個(gè)別監(jiān)測井外，大多數(shù)監(jiān)測井淺層地下水的溶解性固體總量(total amount of dissolved solids，TDS)和氯離子、硫酸鹽、鈉離子等含量較高，其中TDS和氯離子含量最高，分別接近39.00 g/L和20.00 g/L，取樣時(shí)段內(nèi)波動(dòng)較大，類型以偏酸性重碳酸鹽為主轉(zhuǎn)為以偏堿性鈉離子和氯化物為主； 受制于地質(zhì)環(huán)境條件，地下水自我調(diào)節(jié)能力以“一般”和“弱”居多，水質(zhì)為IV—V級(jí)，且不隨測次而變化，表明至少在短期內(nèi)不會(huì)改變。濱海地區(qū)淺層地下水水質(zhì)既與地質(zhì)環(huán)境條件關(guān)系密切，也與人類活動(dòng)有關(guān)，還可能受到深層承壓古海水釋放的影響。影響地下水水質(zhì)的因素較為復(fù)雜，需要進(jìn)一步加強(qiáng)綜合研究和監(jiān)測。

濱海地區(qū)； 地下水； 海水入侵； 水質(zhì)

0 引言

地下水是環(huán)境地質(zhì)領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容。前人在我國陸區(qū)和沿海地區(qū)做了大量調(diào)查分析工作，探討了不同地質(zhì)環(huán)境下地下水的流動(dòng)、交換和污染等特征，論述了近年來工作的主要進(jìn)展[1-4]。華南雷州半島與海南島隔海相望，為第四紀(jì)火山噴發(fā)而形成，屬熱帶—亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，全年暖熱、雨量不均、風(fēng)力較大、蒸發(fā)強(qiáng)烈。雷州半島處于水資源相對(duì)缺乏的歷史性干旱地區(qū)； 海南島北部和東部地區(qū)為氣候濕潤區(qū)，南部和西北部地區(qū)為半濕潤和半干旱區(qū)，兩者地下水的貯存受地質(zhì)條件影響很大，陸區(qū)以基巖裂隙水為主，濱海平原以孔隙潛水為主，潛水和孔隙承壓水基本上呈現(xiàn)環(huán)島分布[5-7]。由于地下水抽取強(qiáng)度較大，在雷州半島東北部的湛江市形成了降落漏斗。海南島北部因經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集、地下水超采，致使降落漏斗加大； 南部火山巖臺(tái)地區(qū)地下水埋深淺，水井在枯季會(huì)出現(xiàn)干化； 西北部地下水采取量逐年加大、水位下降。總體來說，水資源短缺問題均比較突出。調(diào)查研究結(jié)果表明，形成于第四紀(jì)沖積和海沖積的華南西部濱海平原地勢低緩、水力交換較弱、地層巖性松散、岸坡較陡、海水滲透性較強(qiáng)。由于近年來濱海地帶養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，缺乏科學(xué)規(guī)劃和引導(dǎo)，大量抽取地下水導(dǎo)致水位下降，出現(xiàn)了海水侵入的問題[8-10]。鑒于此，中國地質(zhì)調(diào)查局實(shí)施“華南西部濱海濕地地質(zhì)調(diào)查與生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)我國重點(diǎn)海岸帶濱海環(huán)境地質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)”項(xiàng)目，在吸收、借鑒前人的一些成功經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，在雷州半島東部和海南島沿岸布設(shè)了地下水監(jiān)測井，并進(jìn)行了鉆鑿、取樣及監(jiān)測，旨在為華南西部濱海濕地生態(tài)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)提供基本依據(jù)，也為今后的進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)[11-14]。

1 調(diào)查研究方法

1.1 監(jiān)測井位置分布和鉆鑿基本方法

圖1 調(diào)查區(qū)監(jiān)測井地理位置分布Fig.1 Geographic location distribution of monitoring wells in the study area

1.1.1 監(jiān)測井地理位置分布

調(diào)查監(jiān)測井基本上環(huán)雷州半島東部和環(huán)海南島濱海地區(qū)分布(圖1)。

監(jiān)測井點(diǎn)地理位置分布既要考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，同時(shí)也要兼顧主要海洋功能規(guī)劃岸段。監(jiān)測井點(diǎn)位置處于潮汐高潮線以上，鉆孔設(shè)計(jì)孔深平均為20～41 m，針對(duì)不同地質(zhì)環(huán)境條件具有一定代表性。

1.1.2 鉆鑿基本方法

鉆鑿施工采用回次、全孔取芯鉆進(jìn)，成井流程包括鉆進(jìn)、擴(kuò)孔、清孔、下管、投礫和止水，以及其后的洗井和保護(hù)裝置安裝。為防止地表水下滲，在距離井口3～5 m的范圍內(nèi)向井管和孔壁之間投入黏土球，形成黏土止水層。

1.2 淺層地下水監(jiān)測井取樣方法

自北向南、自東向西，逐年、逐區(qū)完成淺層地下水鉆井采樣工作，取樣時(shí)段為每年的6—8月(表1)。樣品通過潛水泵泵取到地面后，裝入清潔塑料容器，并經(jīng)0.45 μm濾膜過濾送至實(shí)驗(yàn)室。取樣在大潮期和小潮期各選擇1 d進(jìn)行，持續(xù)時(shí)間26 h，每隔1 h取樣一次，單次取樣量不低于5 L[11-14]。

圖2 海南島東北部監(jiān)測井樣品實(shí)驗(yàn)分析相對(duì)偏差控制范圍Fig.2 Relative deviation control range for laboratory analysis of the samples of northeastern monitoring wells in Hainan Island

1.3 樣品測試及質(zhì)量控制

所有測試項(xiàng)目均要求在1 d內(nèi)完成樣品測試分析。質(zhì)量控制依據(jù)《地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測試質(zhì)量管理規(guī)范》DZ/T 0130.6—2006執(zhí)行。在準(zhǔn)確度控制方面，插入的國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分析結(jié)果合格率為100%，主要陰離子和陽離子、總堿度、總硬度標(biāo)準(zhǔn)值在3.00～188.00 mg/L之間，不確定值控制在±0.08～±5.00 mg/L之間，加標(biāo)回收測定的合格率為100%； 在精密度方面，測試結(jié)果相對(duì)誤差絕大部分控制在0～5%，極少數(shù)在6%～8%之間，滿足≤10%的技術(shù)要求(圖2)。精密度控制抽取的樣品重復(fù)分析結(jié)果均符合要求，相對(duì)偏差的合格率為 100%[12]。分析質(zhì)量達(dá)到規(guī)范要求，實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

表1 調(diào)查區(qū)淺層地下水監(jiān)測井位置及取樣情況

2 地下水要素分布和水質(zhì)狀況

2.1 地下水化學(xué)類型和TDS

由于區(qū)域地下水水質(zhì)問題廣受關(guān)注，本文依據(jù)以上實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，集中分析了溶解性固體總量(total amount of dissolved solids，TDS)和主要離子含量分布和變化特征。

由于地勢平緩，水力梯度小，沉積物透水性一般較好。分析結(jié)果顯示，監(jiān)測井化學(xué)類型均為Na-Cl型，表明受到不同程度的海水侵染[11-14]。雷州半島J1監(jiān)測井的TDS最高，J3監(jiān)測井次之，J2監(jiān)測井因臨近南渡江出?？?，受到河水滲透和阻擋，TDS最低。J1監(jiān)測井TDS為6.33～7.53 g/L，平均為6.97 g/L； J2監(jiān)測井為2.88～5.11 g/L，平均為1.86 g/L； J3監(jiān)測井為2.13～8.12 g/L，平均為5.70 g/L。

海南島東北部QZ1監(jiān)測井TDS為0.87～2.10 g/L，平均為1.71g/L； QZ3為2.21～6.84 g/L，平均為4.03 g/L； QZ4為4.35～4.95 g/L，平均為4.60 g/L。南部QZ2監(jiān)測井為34.00～38.60 g/L，平均為35.70 g/L； QZ3為0.38～0.53 g/L，平均為0.42 g/L； QZ5為31.30～35.60 g/L，平均為33.26 g/L。西北部QZ1監(jiān)測井為25.50～27.40 g/L，平均為26.54 g/L； QZ2為20.40～26.90 g/L，平均為21.88 g/L； QZ3為1.27～1.84 g/L，平均為1.56 g/L； QZ4為22.70～25.90 g/L，平均為24.40 g/L?？梢钥闯?，除少數(shù)外，大部分監(jiān)測井地下水TDS偏高，特別是海南島南部和西北部； 而海南島東北部則與雷州半島東部的TDS大致相近。

2.2 主要離子含量特征

表2 雷州半島東部濱海地區(qū)地下水主要陽離子和陰離子含量統(tǒng)計(jì)

表3 海南島東北部濱海地區(qū)地下水主要陽離子和陰離子含量統(tǒng)計(jì)

表4 海南島南部濱海地區(qū)地下水主要陽離子和陰離子含量統(tǒng)計(jì)

表5 海南島西北部濱海地區(qū)地下水主要離子的含量統(tǒng)計(jì)

綜上所述，地下水各要素含量差異較大，與本區(qū)環(huán)境關(guān)系密切，主要離子以海南島南部和西北部含量更高，以偏態(tài)和峰態(tài)表征的統(tǒng)計(jì)分布形態(tài)變化多樣。通過綜合對(duì)比還可以看出，TDS高的監(jiān)測井其離子含量同樣偏高，兩者之間關(guān)系密切。

2.3 鹽堿化指標(biāo)

海水進(jìn)退使得鹽堿化指標(biāo)(salinization rate，SAR)在潮周期內(nèi)有所波動(dòng)，但表征總體強(qiáng)度的平均值仍然保持在較高水平。雷州半島東部監(jiān)測井平均SAR為8～20，海南島監(jiān)測井平均SAR為3～62。根據(jù)濱海地區(qū)鹽堿化劃分標(biāo)準(zhǔn)，SAR<2為輕微，210為強(qiáng)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，監(jiān)測井含水層鹽堿化程度風(fēng)險(xiǎn)為“一般”—“強(qiáng)”(表6)，但以“強(qiáng)”居多(占比達(dá)69%)。SAR數(shù)據(jù)正偏、負(fù)偏均有，負(fù)峰態(tài)居多。

表 6 雷州半島和海南島濱海地區(qū)地下水鹽堿化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

2.4 地下水水質(zhì)

依據(jù)我國地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14848—93)，參與地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)的因子有氯化物、硫酸鹽、總?cè)芙夤腆w和pH值。地下水質(zhì)量等級(jí)劃分結(jié)果顯示，IV級(jí)占30.8%，V級(jí)占69.2%，可見大部分水質(zhì)為差(表7)。IV級(jí)為適用于農(nóng)業(yè)和部分工業(yè)的用水，經(jīng)適當(dāng)處理后可作為生活飲用水； V級(jí)為不宜飲用，需要根據(jù)使用目的來選用。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)的Fi水質(zhì)綜合評(píng)分法，取樣時(shí)段水質(zhì)綜合系數(shù)隨時(shí)波動(dòng)，但基本上維持水質(zhì)類型，說明短期內(nèi)水質(zhì)狀況難以改變。

表7 調(diào)查區(qū)監(jiān)測井地下水水質(zhì)等級(jí)

注： J1-1表示雷州半島J1監(jiān)測井的第一次測量時(shí)段； QZ1-1表示海南島QZ1監(jiān)測井的第一次測量時(shí)段； 余類推。

2.5 地下水陽離子置換效應(yīng)

從鈣元素地球化學(xué)分布背景來看，調(diào)查區(qū)及其陸區(qū)屬于華南低鈣地區(qū)，華南西部陸區(qū)地下水鈣離子含量一般不到50 mg/L[18-19]。但濱海地區(qū)地下水由于受到海水侵染，鈣離子含量均比較高。受到不同性質(zhì)的淡水與海水相互作用，監(jiān)測井的鈣離子含量變化較大，一些監(jiān)測井相對(duì)變化幅度最大可達(dá)20.0%[11-14]。值得關(guān)注的是，一些監(jiān)測井鈣離子高度富集，例如雷州半島J1監(jiān)測井、海南島南部QZ2監(jiān)測井，其鈣離子平均含量接近或者超過海水平均值，或某時(shí)段的鈣離子含量超過海水平均值，最高分別達(dá)到748 mg/L或623 mg/L，說明含水介質(zhì)存在明顯的鈣離子交換(表8)。在海水侵入路徑上發(fā)生明顯的水-巖作用，大量含鈣礦物和黏土礦物顆粒表面的鈣離子被置換出來進(jìn)入地下水，增加了地下水的硬度，成為水質(zhì)惡化的原因之一。

表8 調(diào)查區(qū)部分監(jiān)測井地下水鈣離子含量

3 地下水的自我調(diào)節(jié)力

表9 調(diào)查區(qū)監(jiān)測井地下水主要陰離子波動(dòng)的相對(duì)振幅

4 結(jié)論

(1)位于雷州半島、海南島濱海地帶的監(jiān)測井顯示，地下水不同程度地受到海水侵入。鹽堿化風(fēng)險(xiǎn)程度多為較強(qiáng)—強(qiáng)，地下水水質(zhì)為IV—V級(jí)，水質(zhì)較差—差，主要因氯化物、硫酸鹽等含量高所致。水質(zhì)類型沒有隨測次而變化，說明至少在短期內(nèi)不會(huì)有所改變。

(2)在自然環(huán)境下的監(jiān)測井具有一定的自我調(diào)節(jié)力，但“弱”等級(jí)的監(jiān)測井相間分布，與周邊水力梯度較小、交換較弱有關(guān)。尤其是海南島南部和西北部監(jiān)測井以“一般”和“弱”等級(jí)居多，這與降水不均、水位偏低、坡度低緩等環(huán)境條件有很大關(guān)系。部分監(jiān)測井顯示，隨著海水的進(jìn)退，陽離子交換效應(yīng)顯著，鈣離子被置換進(jìn)入地下水中，從而加劇了地下水的硬化。

(3)人類活動(dòng)加劇了海水侵入。人為抽取地下水影響了地下水水位及其水力梯度，會(huì)促進(jìn)海水的倒灌和侵入。

地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)要素的含量及時(shí)空變化較大，要素之間關(guān)系復(fù)雜，有待進(jìn)一步加強(qiáng)綜合研究和監(jiān)測。

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(責(zé)任編輯： 劉永權(quán))

Study on current state of shallow underground water quality along shoreline of volcanic islands in western South China

GAN Huayang， LIN Jinqing， XIA Zhen， HE Haijun， LU Jianfei， HUANG Xiangqing， ZHANG Shunzhi

(GuangzhouMarinesGeologicalSurvey，Guangzhou510760，China)

shoreline zone； underground water； seawater intrusion； water quality

10.19388/j.zgdzdc.2017.04.11

甘華陽，林進(jìn)清，夏真，等.華南西部火山島地區(qū)濱海淺層地下水的水質(zhì)現(xiàn)狀研究[J].中國地質(zhì)調(diào)查,2017,4(4): 80-87.

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2017-01-05。

中國地質(zhì)調(diào)查局“華南西部濱海濕地地質(zhì)調(diào)查與生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)(編號(hào)： 1212010914020)”項(xiàng)目資助。

甘華陽(1979—)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事海洋環(huán)境地質(zhì)方面的研究。Email： ghuayang@126.com。

P641.3

A

2095-8706(2017)04-0080-08