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胶州湾大沽河流域地下水盐渍化演化的水化学和氢氧同位素限定

12、水文地质与水科学 > 专题3：海岸带地下水

胶州湾大沽河流域是国内研究地下水环境问题的重点区域之一，该区域地质环境复杂，人为干扰强烈，地下水环境问题严峻。本文的数据来源于研究区内32个地下水样、4个地表水样及1个河口海水样，样品采集于2017年4月。文章综合选取了一系列的理化参数及氢氧同位素，运用数理统计、Durov、Schoeller、Gibbs、端元混合等手段从多维视角研究大沽河流域地下水水化学成分演化路径及其当前所处的演化阶段，并分析了三个子区域的差异，探讨其影响因素。得出的结论如下：
1） 大沽河与截渗墙的分隔效应将研究区划分为三个子区域。本文在前人研究的基础上进行的研究结果表明，目前截渗墙南部的地下水持续受到海水入侵的影响，入侵程度较大。相比之下，对于大沽河流域西岸的研究区，只有南部小片区域的地下水受到海水入侵的影响。在截渗墙的影响下，海水不能侵入防渗墙北部的含水层，但历史残留的海水无法得到有效排泄，是造成北侧地下水盐度较高的主要原因。
2）通过分析地下水和地表水的稳定同位素组成和离子比，结果表明研究区地下水的主要来源是现代大气降水，海水入侵干扰了地下水的同位素和水化学。同时，从多个角度比较了地下水与地表水的同位素和水化学成分的差异，结果表明研究区地表水与地下水之间存在密切关系。
3）选择海水和淡水作为混合线的两端，重点研究海水入侵的混合效应和含水层中的水-岩相互作用。系统中淡水和海水的混合线表明淡水和海水的混合是一个复杂的非保守水文地球化学过程。同时，岩石风化和阳离子交换参与该过程，导致研究区域中地下水的离子比没有严格依附于混合线分布。
4）研究区地下水水化学演化的路径为Ca/Na-HCO3 /Cl→Na/Ca(Mg)-HCO3/Cl和Na/Ca-Cl→Na-Cl。目前，三个子区域的地下水处于不同的演化阶段，在截渗墙以北，从西北向东南，地下水的水化学类型逐渐从Ca/Na-SO4/Cl(HCO3)演变为Na/Ca-Cl/SO4(HCO3)；截渗墙以南的地下水水化学类型以Na-Cl为主，其次是Na/Ca-HCO3/Cl和Na/Ca-Cl；大沽河流域西岸地下水的水化学型以Ca/Na-HCO3/Cl为主，而西岸南部区域地下水的水化学型演变为Na/Ca-Cl和Na-Cl。总体上，截渗墙南部区域地下水的水化学演化程度最高，其次是截渗墙的北侧区域，最原始的是大沽河流域的西岸。而研究区地下水演变程度的差异主要受人为活动的控制。
目前，地下水污染和可利用的淡水资源量的减少是大沽河流域地下水的主要环境问题，而大沽河流域东岸的地下水环境问题相对严重。自1998年建造截渗墙以来，海水入侵的范围仅限于截渗墙的南部，但大沽河流域北部的残留咸水尚未得到有效排泄，这是北侧地下水水质较差的主要原因。对于大沽河流域南部区域，在人为过度开采地下水的作用下，形成了多点季节性地下水位降落漏斗，相邻的水位降落漏斗逐渐合并，形成大型水位降落漏斗，引发海水入侵沿海含水层。此外，研究区的地下水也受到生产生活污染物的影响，例如，硝酸盐含量过高。再者，对于不同的子区域和不同的地下水环境问题需要采取相应的控制措施。例如海水入侵，应合理规划和管理地表水源，改善地表饮用水供应，进一步减少地下水开采，同时加强对含水层的淡水供应，从而增加淡水侧的水力梯度。针对防渗墙北部残留咸水问题，应加强盐水的提取和排放，使区域地下水可以更新为淡水。对于硝酸盐污染问题，首要的是控制农药和化肥的使用，此外，还要严格控制一系列发生环节，如生活污染物的产生，储存和处理。