黄河三角洲水盐演化及补给来源——基于水化学与同位素分析

张太平,王奎锋,3,王 强,李 静,王 薇

(1. 山东省地质科学研究院，山东 济南 250013；2. 中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟实验室，北京 100101；3. 山东大学土建与水利学院，山东 济南 250061)

自1850s引黄灌溉起，在黄河中下游以及黄河三角洲的灌溉和黄河水渗漏的区域，地下盐水逐渐被淡水所替换，淡水和盐水所维持的动态边界线逐渐向东边的入海口推移。地下水趋于淡化，成为了潜在的水源[1-2]。然而，持续的灌溉和没有相应配套的排水设施使得地下水位线上升，打乱了先前的土壤和浅层含水层之间的水盐平衡[3]。同时，随着近年来工农业的发展和人类活动的加剧，使得地表水以及浅层地下水污染越来越严重[4]，水资源的载荷较大。地下水的严重超采导致了海水面向内地延伸，河口地区浅层地下水矿化度较高，“水质型缺水”状况严重[5]，成为制约该地区稳定发展的因素。黄河是该区域内唯一的淡水资源。为缓解入海口生态系统出现的生态退化、面积萎缩、生物多样化衰减等生态失衡问题，每年的6-7月份均进行黄河三角洲的生态调水。研究水化学特征与各水体补给来源和演化规律，能够为区域地表水和地下水交换及海水入侵研究提供数据支持。

就全球而言，河口地区处于海洋和大陆交界，影响水环境的因素和过程复杂，其水化学特征与过程成为研究的热点。国内外许多学者在河口地区及周边区域开展了对地表水与浅层地下水的研究[6-7]。Halim[8]研究了孟加拉国西南河口地区地下水特征，认为造成地下水成为Na-Cl型微咸水的原因是海水影响和水文地球化学过程。浅层地下水研究中，章斌[9]在研究闽江河口两岸的地下水形成演化规律时，发现闽江河口两岸的浅层地下水主要接受降水补给，北岸地下水还接受山区基岩裂隙水补给，南岸浅层地下水在枯水期还接受经过蒸发作用的灌溉水补给。Bahkaly[10]利用BRT技术评价阿拉伯半岛西北部马奇纳地区浅层地下水盐分时发现，浅层地下水受海岸距离、干河床以及地表石膏出露量密切影响。同时，稳定同位素δD、δ18O是近些年来水文科学用来研究地表水、浅层地下水与大气降水以及其他水体的补给来源、运移和演化规律的有效方法[11]。水分子的稳定同位素δD-δ18O用来示踪陆地地表水和地下水形成、补给、地下水的滞留时间、污染源和渗漏等应用已有大量的研究[12-13]。受同位素分馏作用控制，水循环过程中各水分的氢氧同位素组成具有时空分布异质性。然而基于同位素技术的黄河三角洲地区水盐演化及补给来源的分析，鲜见报道。氢氧稳定同位素不仅能够指示水的形成、运移和演化信息，而且提供不同水源之间的混合信息[14-16]，能够为定量研究区域地表水和地下水的补给来源提供科学依据。

本文在对黄河三角洲地区地表水和浅层地下水采样分析的基础上，采用Piper图等水化学方法对比浅层地下水和地表水主要离子浓度分布特征，试图找出研究区浅层地下水与地表水系，尤其是黄河水的水力联系；同时运用δD、δ18O、Cl/Br稳定同位素等示踪性元素揭示浅层地下水的补给来源，其结果与由地表水—地下水水化学方法得出的结论相互补充。针对独特的气候条件、地质构造和引黄灌区实施，对该地区地表水与地下水转化关系的研究，能够为提高在黄河三角洲的水资源管理以及水—盐保护提供参考信息，进而为黄河三角洲健康地下水循环及合理开采利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄河三角洲位于渤海南岸，黄河入海口北侧。东、北两面临海，西与沾化县为邻，南与利津县接壤，东南面与垦利县毗邻。地跨北纬37°45′～38°10′，东经118°07′～119°05′(图1)，是黄河冲积平原(属鲁北平原)，地貌类型属于典型的河口三角洲地貌，但微地貌变化较大。气候属北温带半湿润大陆季风性气候，冬暖夏热，四季分明，雨热同季，平均降雨量为546.7 mm，多年平均蒸发量为1 280 mm。河口地区具有丰富的石油、天然气等矿产资源，同时也具有完备的黄河三角洲湿地资源，经济战略地位显著。

图1 研究区的位置、主要水系以及采样点分布Fig.1 The spatial distribution of sampling sites and the surrounding drainage system

1.2 样品采集与测定

每年的生态调水是为黄河三角洲自然保护区生态补水的最好机会，补水时段及补水比例为：春季补1/3，汛期补2/3。6-7月份被认为是湿地补水的关键时期之一，6月下旬研究区生态调水3 000多万m3。考虑到，一方面能够表征区域独特来水的影响，同时经一个月左右区域内水资源基本稳定，因此，于2017年7月，在黄河三角洲主要河道(黄河、黄河故道、马新河、沾利河、挑河等)和入海口附近采集地表水和浅层地下水样，采样点空间分布如图1所示。水样用380 mL的塑料瓶装满，采集时用河水将瓶子冲洗3遍，保证无气泡密封、常温、避光保存。浅层地下水的采样主要通过居民家自吸泵取出井水于采集桶中，野外井深15 m，保存方法与地表水采集相同。水化学指标由国土资源部济南矿产资源监督检测中心测定，稳定同位素δD-δ18O分析由中国科学院地理科学与资源研究所理化分析中心同位素分析实验室测定。稳定同位素δD-δ18O分析采用环境同位素质谱仪TIWA-45EP，测定精度分别为±1×10-3和±0.3×10-3，测定结果以相对于维也纳标准平均海水(Vienna standard mean oceanic water，VSMOW)的千分偏差形式表示。

2 结果与分析

2.1 黄河三角洲年内地下水位变化

图2 长期定位监测点的地下水位年内变化Fig.2 Groundwater level in long-term location monitoring points

分析黄河三角洲定位观测井(图1)的水位年内变化，农田和湿地的地下水埋深相似且稳定(图2)，六月份放水之后，由于区域内地形平缓以及排水不佳，地下水水位迅速上升；海岸地下水位——五号桩则全年保持稳定不变。地下水水位在6月开始上升，在7-9月到达顶点，随后在10月到第二年2月下降至最低。相反，五号桩海岸的地下水位全年变化很小。由此得到结论：(1)该地区地下水位年内变化大是引黄调水对不同生态系统的影响，从一次调水的结束到下一次调水的开始，地下水侧向再次分配和蒸发导致了水位线下落；(2)因为海岸远离内陆的黄河，引黄水对海岸附近的地下水没有造成太多变化，再加上海水起着定水头的作用，故海岸的地下水位年内变化不大。

2.2 地表水与浅层地下水水化学特征

总溶解固体(TDS)表征水中溶解组分的总量，包括离子、分子及络合物。分析河口地区地表水与浅层地下水的TDS空间分布(图4)，总体上，地表水与浅层地下水的TDS处于较高的水平，普遍>5 g·L-1，为咸水和卤水的范畴[18-19]。从距离海岸线的位置上看，地表水监测点距离海岸线越小，TDS指标越大，而浅层地下水则表现相反的特征。

图3 河口地区地表水与浅层地下水水化学Piper图Fig.3 Piper graph of surface water and shallow groundwater of the coastal region

图4 河口地区地表水与浅层地下水矿化度的特征Fig.4 The spatial characteristics of salinity in surface water and shallow groundwater in the coastal region

随着对大气沉降物中Cl/Br值研究的深入，利用Cl/Br值来评估地下水的自然过程和人类污染已经变得普遍[20]。本研究中，对河口地区地表水和浅层地下水盐分来源进行划分，其盐分特征主要包括5个方面：(1)含Br农药污染，包括测点DB4、DB6、DX8、DX13 (Cl/Br=200～500，Cl=300～2 000)；(2)城市垃圾污染，包括测点DX10、DX16(Cl/Br=750～1 000，Cl=300～2 000)；(3)光卤石渗滤，包括测点DX17、DB3、DB5(Cl/Br=400～590，Cl=20 000～60 000)；(4)钾盐体渗滤，包括测点DX4、DX5、DX6、DX10、DB1、DB7、DB8、DB9 (Cl/Br=250～350，Cl=20 000～70 000);(5)其他点则属于更为复杂的盐分来源。浅层地下水中盐分的来源一方面受到人类活动和城市污染物影响，另一部分则是海水入侵导致含盐量增加。地表水对地下水的补给和地下水蒸发是浅层地下水形成高含钾盐卤水的原因，也表征了人类活动和海水作用对水体盐分来源的贡献较大[21]。

注：地下水的主要盐分来源为：1.原始盐分(1.a海水；1.b海水入侵；1.c岩盐混入)；2.补给水(2.a包括海岸区域；2.b内陆补给；2.c海岸干旱区域；2.d海岸污染)；3.自然岩盐蒸发(3.a石膏；3.b岩盐渗滤)；4.火山岩分；5.工农业、城市污染(5.a含Br农药污染；5.b工业盐分渗出；5.c固体垃圾污染；5.d城市污水污染；5.e腐烂物污染)；6.矿体钾盐渗滤(6.a光卤石渗出；6.b钾盐渗出)[18]。 Note: The main sources of groundwater salt are: 1. Original salt (1.a seawater; 1.b seawater intrusion; 1.c rock salt mixed); 2. Make-up water (2.a including coastal area; 2.b inland supply; 2.c coastal arid area; 2.d Coastal pollution); 3. Natural rock salt evaporation (3.a gypsum; 3.b rock salt percolation); 4. Volcanic rock; 5. industrial and agricultural, urban pollution (5.a Pollution with Br pesticides; 5.b Industrial salt oozing; 5.c Solid waste pollution; 5.d Urban sewage pollution; 5.e Decomposition pollution); 6. Ore body potassium salt percolation (6.a Carnallite exudation; 6.b Potassium salt exudation) [18].图5 地表水与浅层地下水主要盐分 来源Br/Cl-Cl的关系Fig.5 Br/Cl-Cl relationship of salinity of surface water and shallow groundwater

2.3 地表水、浅层地下水稳定同位素关系

图6 地表水、浅层地下水稳定同位素δD-δ18O的关系Fig.6 Stable isotope δD-δ18O relationship of surface water and shallow groundwater

地表水δD-δ18O的变化范围是δD-40‰～-6‰，而δ18O变化范围是-4.4‰～-0.2‰(图6)，δD-δ18O关系为δD=6.28δ18O-7.7，R2=0.57，地表水偏离全球大气水线较大。绝大部分的样点处在全球大气水线下方，说明水源补给来自大气降水的部分不明显[22]。只有很少量的样点，比如处在自然保护区的黄河故道的DB10，δD为-11‰，δ18O为-3.5‰，虽然在全球大气水线的上方，但是距离较远，原因可能是因为采样期处于雨季，体现了δD-δ18O的季节性变化导致的贫化，或者是由于水汽的二次冷凝降水导致[23]。另外，右上方靠近δD-δ18O0值的样点有地表水DB03、DB05与海水采样点DB09，表明这几个样点的地表水和地下水属于海水混合。因此，通过同位素数据分析，地表水可以分为两个特征区，分别是靠近海水0点的海水混合区，其同位素变化范围是δD-10‰～-6‰，而δ18O变化范围是-0.6‰～-0.2‰，以及中间部分由人类活动排泄物以及地表径流补给的地表混合区，其同位素变化范围是δD-40‰～-26‰，而δ18O变化范围是-4.4‰～-2.5‰。

浅层地下水δD-δ18O的变化范围是δD-57‰～-35‰，而δ18O变化范围是-7.8‰～-3.2‰，δD-δ18O关系为δD=4.09δ18O-23.12，R2=0.78。无论地表水还是浅层地下水的斜率都小于降水线的斜率，说明在河口地区降水对当地水源的补给不明显，而海水以及河水补给较明显。同时，根据采样点的分布，地下水同位素分布位于海水与黄河水之间，样点既远离了全球大气水线又远离河海水位置，表明这些地表水在流经当地的时候受人类活动污染物排泄的可能性较大，为地表混合区[24]。靠近左下方样点慢慢靠近大气水线，说明此区域为降水、径流下渗至浅层地下水的降水混合区。

2.4 浅层地下水的补给来源

为了进一步验证和确定各地表水和浅层地下水的来源，对研究区地表水和浅层地下水进行了稳定同位素δD-δ18O-Cl关系分析。根据Hiroshiro[25]对日本海岸地下水海水入侵的研究报道，地下水由于海水混合作用的影响，表现为δD-δ18O组分随着Cl含量的增加而具有富集效应。如图7所示，除了虚线椭圆圈出的左上方的DX08、DX16、DX13和DB04，还有右下方DX04、DX05、DX06、DX10样点，其余的样点中无论是地表水还是浅层地下水都表现出随着Cl含量的增加，水体中稳定同位素δD-δ18O含量升高，说明这些地区受海水混合作用明显。海水对地表水的混合作用表现为海水倒灌，使得地表淡水资源被海水混合侵占；海水对浅层地下水的混合作用表现为海水入侵，由于地下水的严重超采，使得地下海水面一直向内陆延伸。

图7 地表水、浅层地下水δD-δ18O-Cl的关系Fig.7 The relationship of δD-δ18O-Cl of surface water and shallow groundwater

再者，对比图6的混合分区可以发现，所有被虚线椭圆圈出样点，无论地表水还是浅层地下水都处在第二分区：地表混合区。对于地表水而言，矿化度较低，而同位素δD-δ18O组分较为富集，原因应该是降水和地下水对淡水河流的补给；而对于浅层地下水而言，形成此δD-δ18O-Cl关系的原因较为复杂，主要可以总结为两部分:(1)产生水体盐分富集，δD-δ18O组分变化不显著的情况，采样点位于农村田地周围，广泛采用污水灌溉使得此地区浅层地下水盐分增加，导致浅层地下水水质退化。(2)产生δD-δ18O组分富集，水体盐分变化不显著的情况，降水和地表径流对地下水的直接补给导致δD-δ18O组分的增加，而浅层地下水的盐分没有发生变化是因为城市污染和污水回灌的影响[24]。

黄河三角洲河口地区水化学和同位素数据表明，地下水中的地表水补给比例与引黄调水有显著关系，这可能与调水期间引黄水下渗非饱和土壤带，并补给地下水有关。Piper图中的水化学类型和稳定同位素结果表明地下水主要由淡水端元——黄河和咸水端元——海水混合组成，根据稳定同位素数据构建的二元混合模型能定量计算调水期间黄河水对地下水的补给比例，其质量守恒方程为：

Cg=Cyfy+Csfs

(1)

fy+fs=1

(2)

式中,Cg为取样点地下水中的δ18O或者δD值；Cy为取样点黄河水中的δ18O或者δD值；Cs为取样点海水中的δ18O或者δD值；fy为地下水中黄河水所占比例；fs为地下水中海水所占比例。

调水后地表水对浅层地下水的补给高值区主要分布在农田和近海湿地(表2)，黄河端元比例最大值出现在DX09(48%～63%)，DX11(51%～62%)和DX14(49%～61%)，这些点都分布在靠近黄河，易接受地表水的垂向快速补给，相反海岸滩涂带地下水的补给比例最低，这可能与海岸含水层渗透系数相较农田和湿地最低有关(海岸渗透系数Ksat为0.02 m·d-1[26])。这个空间上补给比例变化的规律类似Wang等在珠江三角洲的研究结果，他们发现地表水的贡献比例从海岸带不到1%到内陆地区的74%递变[27]。而这种源于地表水补给的比例主要依赖于水文地质条件(比如渗透系数Ksat和地下水水位线变化等)。Faye等在Saloum三角洲发现河中的咸水入侵海岸含水层仅有7%的贡献比例，这可能是因为地下水位处于动态平衡以及含水层的弱透水性[28]。

3 结 论

1)河口地区水资源压力较大，地表水与浅层地下水都具有较高的矿化度，且浅层地下水整体矿化度较高。浅层地下水水化学类型为Cl-Na·K，是典型的海水混合或者卤水；地表水由于工农业和城市污染，水化学类型向Cl·SO4-Na·K·Ca变化，水化学类型变得复杂。

3)稳定同位素的分析得出,河口地区地表水水体的盐分补给来源于海水混合以及城市农业污染，而浅层地下水的输入则来自海水入侵以及降水、地表水的下渗补给。

表2 地表水对地下水的补给比例

4)海水混合与工农业污染是驱动河口地区地表水演化的主要因素，在海水混合区，氢氧稳定同位素组成和盐度在空间上表现与盐度呈现良好的相关关系。在地表混合区，人类活动贡献了盐分类型；海水入侵和地表污染物下渗则是驱动浅层地下水演化的主要因素。