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苏北滨海地区是长江、淮河、黄河等河流与海洋相互作用下形成的广袤平原,受多次海侵海退影响,海陆相地层交互沉积[1-4]。区内100 m以浅的地下水以咸水为主,是深层地下淡水咸化的主要影响因子,严重影响区内深层地下淡水资源开发利用[5]。受现代沉积过程、水文条件、围填海及水利工程影响,浅层地下咸水依然处在演化的活跃期,是区域地下水循环的关键带,也是影响生态系统平衡稳定的关键带。因此,有效识别浅层地下咸水的水盐来源并揭示其咸化成因,对于解决滨海地区地下水资源和环境问题具有重要意义。
地下水的盐分主要来源于雨水携带的气溶胶、岩石风化产物以及海相沉积地层中原始盐分等,其路径包括降水入渗、溶滤、离子交换、蒸发浓缩、海水入侵或深层古卤水的流入等[6-9]。水化学方法能够很好地识别含水层地下水的补给过程和盐分来源[10-13],同位素作为地下水来源的示踪剂被广泛应用于地下水循环研究[14-18]。赵继昌[19]根据苏北平原第四纪沉积环境、海水进退过程,分析了地下咸淡水与含水介质的形成及关系,同位素显示地下水与含水介质不属同生关系,而晚于含水介质形成,同生水已排泄入海。张岩[20]分析了盐城地区不同水体的水化学特征、离子比值以及氘氧氚同位素组成,结果显示滨海地区深层微咸水主要是淋滤古海相地层盐分形成。葛勤 [21]探讨了苏北平原孔隙水的补给条件和盐分来源,证明浅层孔隙水的盐分主要来源于全新世海水,深层微咸及咸的孔隙水盐分主要源于晚更新世海水。研究已证实盐城滨海地区地下咸水与介质非同生关系,而地下水的水分和盐分也有可能非同期同源,为此,本文综合前人研究工作,以盐城滨海浅层地下咸水为研究对象,基于江苏盐城滨海地区沉积成陆过程,利用地下水分层监测,结合水化学分析、离子比值关系、同位素(18O、D、14C)特征,识别地下咸水补给来源和盐分来源,揭示其咸化机制,为指导当地实现地下水合理开发利用、农业生产科学规划和生态环境有效保护提供理论依据。
1. 区域地质背景
7 000 aBP以来,江苏沿海地区主要受长江以及在本区入海的一些中小河流如淮河、灌河、沂河、沐河等河流的影响, 形成了以沿岸沙坝、潟湖及穿过沙坝的汊道为主的相当稳定的古堡岛海岸。黄河1128年夺淮入海在苏北海岸快速形成河口三角洲,由于入海泥沙主要向南运移,三角洲南侧岸外沙洲并滩并陆,岸滩持续向海淤长,最终形成目前的滨海平原。1855年黄河北归,废黄河陆上和水下三角洲受到强烈侵蚀,侵蚀岸段逐年向南扩大,中部海岸淤长速度逐渐减缓(图1)。
Base map modified from references [1, 3-4]
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研究区内含水层自上而下分为潜水含水层组、第Ⅰ承压含水层组、第Ⅱ承压含水层组、第Ⅲ承压含水层组、第Ⅳ承压含水层组及第Ⅴ承压含水层组(图1)。潜水含水层与第Ⅰ承压含水层地下水无连续隔水层,为浅层孔隙水含水系统,其水质较差,多为咸水或半咸水。其中,潜水含水层组为一套全新世海积或海陆交互相沉积物,含水层薄而颗粒细,厚度20~40 m,地下水以咸水为主,水位埋深小于3 m;潜水层上部分布有厚度约为5 m的淡化层,即潜水淡化层,以微咸水为主;第Ⅰ承压含水层组由晚更新世海陆交互相松散沉积物组成,含水层岩性以粉砂为主,埋深40~60 m,局部大于60 m,地下水以咸水为主。
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2. 研究方法
2.1 地下水监测
研究区自废黄河口至东台共构建分层监测井20口,其中潜水含水层地下水监测井10口(QS01—QS10),第Ⅰ承压含水层地下水监测井10口(CY01—CY10),采用地下水自动监测仪(CTD-Diver)开展分层连续监测地下水的水位、温度和电导率变化,同步监测潮汐变化,监测频率均为1次/h。现场利用CTD-Diver(1次读数/s)进行监测井地下水垂向剖面连续测量,监测地下水在垂向上的温度和电导率变化。优化筛选50口井深7~8 m的民井监测潜水淡化层,以及5口井深120~300 m承压井监测深层地下水。每年分枯、丰季开展地下水水位统测和样品采集,现场测试,同时采集海水、河水和雨水样品。
2.2 样品采集
样品采集时间是2018年6月和2019年4月,共采集大气降水样品1件,海水样品1件,河水样品9件,潜水淡化层样品42件,潜水样品10件,第Ⅰ承压含水层地下水样品10件,深层承压含水层地下水样品5件(表1)。地下水水化学样品采样瓶为500 mL聚乙烯瓶,地下水14C样品采样瓶为250 mL聚乙烯瓶,氢氧稳定同位素样品采样瓶为5 mL的棕色玻璃瓶,在取样前先用去离子水清洗3次,在充分抽水洗井后进行取样,用待采水样清洗聚乙烯瓶2—3次,再取满水样,排出空气并封好瓶口,密封备用。
Table 1. Sample information from monitoring points in the study area
| 井位 | 位置 | 距岸线距离/km | 取样时间 | 井深/m | EC/ (ms/cm) | pH | T/℃ | TDS/ (mg/L) |
| SJ01 | 滨海县 | 2.32 | 2019.4 | 120 | 1565 | 7.71 | — | 0.91 |
| SJ02 | 射阳县 | 4.16 | 2019.4 | 120 | 1162 | 8.22 | — | 0.56 |
| SJ03 | 大丰市 | 19.15 | 2019.4 | 120 | 1345.1 | 8.05 | — | 0.84 |
| SJ04 | 东台市 | 13.64 | 2019.4 | 200 | 653.1 | 8.01 | — | 0.34 |
| SJ05 | 东台市 | 9.83 | 2019.4 | 300 | 560.4 | 8.08 | — | 0.28 |
| QS01 | 东台市 | 16.51 | 2019.4 | 18 | 3613 | 8.78 | 17.74 | 1.92 |
| QS02 | 大丰市 | 10.25 | 2019.4 | 18 | 41190 | 7.34 | 19.45 | 25.96 |
| QS03 | 大丰市 | 10.45 | 2019.4 | 18 | 32480 | 8.15 | 19.08 | 21.70 |
| QS04 | 射阳县 | 6.02 | 2019.4 | 18 | 37640 | 7.53 | 19.69 | 22.69 |
| QS05 | 滨海县 | 3.97 | 2019.4 | 18 | 2359 | 8.55 | 16.88 | 1.25 |
| QS06 | 东台市 | 3.78 | 2019.4 | 18 | 29690 | 8.08 | 25.16 | 18.55 |
| QS07 | 大丰市 | 1.24 | 2019.4 | 18 | 40700 | 8.47 | 18.91 | 26.32 |
| QS08 | 大丰市 | 5.19 | 2019.4 | 18 | 27620 | 7.86 | 18.97 | 15.79 |
| QS09 | 射阳县 | 1.55 | 2019.4 | 18 | 33780 | 7.22 | 19.14 | 20.11 |
| QS10 | 滨海县 | 1.07 | 2019.4 | 18 | 3587 | 8.04 | 19.28 | 0.68 |
| CY01 | 东台市 | 25.68 | 2019.4 | 50 | 38970 | 7.21 | 19.67 | 0.68 |
| CY02 | 大丰市 | 19.52 | 2019.4 | 50 | 30610 | 7.32 | 19.37 | 17.16 |
| CY03 | 大丰市 | 16.22 | 2019.4 | 50 | 23560 | 7.45 | 20.08 | 16.95 |
| CY04 | 射阳县 | 10.88 | 2019.4 | 50 | 37180 | 7.34 | 19.36 | 22.88 |
| CY05 | 滨海县 | 10.94 | 2019.4 | 50 | 31700 | 7.23 | 18.82 | 20.33 |
| CY06 | 东台市 | 3.78 | 2019.4 | 50 | 47890 | 7.53 | 21.53 | 41.69 |
| CY07 | 大丰市 | 1.24 | 2019.4 | 50 | 34500 | 7.8 | 20.29 | 21.33 |
| CY08 | 大丰市 | 5.19 | 2019.4 | 80 | 28670 | 6.89 | 19.94 | 17.34 |
| CY09 | 射阳县 | 1.55 | 2019.4 | 50 | 37500 | 7.54 | 19.93 | 23.71 |
| CY10 | 滨海县 | 1.07 | 2019.4 | 50 | 29970 | 7.23 | 20.51 | 16.12 |
| T01 | 滨海县 | 8.73 | 2018.6 | 7 | 4267 | — | 20.83 | 3.80 |
| T02 | 滨海县 | 7.52 | 2018.6 | 7 | 2800 | — | 20.81 | 2.08 |
| T03 | 滨海县 | 5.49 | 2018.6 | 7 | 10100 | — | 18.22 | 9.61 |
| T04 | 滨海县 | 4.65 | 2018.6 | 7 | 4700 | — | 20.88 | 2.99 |
| T05 |





