摘要：针对干旱区地下水资源过量开采而出现的地下水环境质量问题，以利比亚Wadi Bay干谷地区为例，运用Piper三线图示法、描述性统计、离子比例系数法、同位素证据，系统研究了利比亚Wadi Bay 地区干旱气候条件下浅层地下水特殊的水化学特征：区域地下水含盐量很高，TDS在3200~8400mg/L之间，地下水中Cl-、Na+、SO42-等在距海70km处浓度产生突变，而Mn2+、Ba2+、Si2+、NH4+与NO3-并无同样突变现象。进一步的地下水化学特征的成因研究表明：浅层地下水水化学特征与溶虑作用、蒸发浓缩作用以及人类活动关系不大，主要成因为海水入侵过程中的咸淡水混合作用。
论文关键词：地下水水化学特征,海水入侵,利比亚,干旱区,WadiBay
利比亚Wadi Bay干谷地区为非洲典型的大陆性干旱半干旱地区，地表水资源极为贫乏，地下水是当地的主要供水水源。然而，随着水资源开发力度不断增加，不但地下水系统的水动力条件发生的重大变化，而且地下水水化学特征也发生了深刻变化[3]。然而，利比亚区域水文地质研究处于起步阶段，研究程度较低，研究区内地下水动态的历史数据基本上处于空白状态。本文在有限数据的情况下，力求采用多种方法分析研究区地下水化学特征的形成原因，为地下水资源合理开发利用以及地下水环境保护提供科学依据。
1 研究区自然地理概况
Wadi Bay地区位于利比亚中北部，北临地中海（图1），区域面积3650Km2。为广阔的Wadi Bay冲积平原。地势西南高、东北低，最高处达160m，最低处在Wadi Bay入海口处。
Wadi Bay地区属干旱半干旱气候区，根据附近Sirte、Abu Njayam、Misurata、Hun四个气象站的气候资料，研究区年平均气温19.4-21.5℃，冬暖夏热；降雨量分配不均，北部沿海地区年均降雨量201.8mm，南部内陆平原区降雨稀少且随远离地中海距离的增加而下降，年平均降雨量小于50mm。降雨主要集中于9月份到次年3月；区域年蒸发量变化较大，为1701-2607mm。由于研究区内气候炎热，降雨量较小，Wadi Bay及其支流只有在雨季有季节性径流，而在其它季节无径流存在。
图1 研究区位置图
Fig.1 Location of the study area
2 地质与水文地质条件
研究区位于北非台地北部低平原腹地，大部分地表区域为第三系灰岩裸露区（图2），分布在流域的上游、中游和中下游；其他地区基本为第四系松散沉积物覆盖区，主要分布在沿Wadi Bay河谷与北部沿海的条带状地区。区内沉积有巨厚层的中生界白垩系沉积与新生界第三系沉积物，由新到老依次为第三系中新世，始新世灰岩、古新世泥灰质灰岩与泥灰岩、晚白垩系灰岩，白云质灰岩与早白垩系砂岩。始新世、晚白垩系灰岩含水层与早白垩系砂岩含水层为研究区内主要含水层。其中浅层地下水为始新世灰岩含水层，地下水位埋深较浅，在20.42~55.23m之间；晚白垩系灰岩含水层与早白垩系砂岩含水层为深层含水层，埋深分别为520-830m与975-1100m，两含水层之间为晚白垩系白云质灰岩弱透水层。研究区是一个农业灌溉区，浅层地下水因其取用方便，成为研究区内主要灌溉水源之一。因此，本次研究将始新世浅层地下水作为研究的目的含水层。
图2 研究区地层结构图
Fig.2 Diagram showing the regional geology
3 浅层地下水水质特征
长期的开采已导致部分地区浅层地下水水质变差，但由于该地区在水位、水质等方面缺乏长期监测数据，无法对研究区内浅层地下水的水质演化的动态过程进行分析。本次研究于2009年2月对研究区浅层地下水进行了系统的取样、测试与分析等工作。
3.1 采样点分布
本次研究采集了沿Wadi Bay河谷分布的30口浅层地下水井水样（图3），并在室内对CO32-、HCO3-、Cl-、Ca2+、K+、Mg2+、Na+、SO42-、pH、EC、水温等水化学指标进行了测试与分析；同时还对上述样品进行了18O、2H的同位素测试工作。
图3 浅层地下流场及水质取样点分布图
Fig.3 Sampling locations of the shallow groundwater system
3.2 地下水化学特征
3.2.1 阴阳离子组成分析
从研究区浅层地下水的Piper三线图（图4）可见，阴离子主要分布在强酸大于弱酸区，且Cl->SO42-> HCO3-，其中大部分Cl-的平均毫克当量百分比超过50%，Cl-与SO42的总和超过80%；阳离子以富集碱金属为主，且 Na++K+> Ca2+> Mg2+；研究区内的水化学类型相对单一，主要为Cl·SO4-Na·Ca，其次为Cl·SO4-Na·Ca·Mg。
图4 浅层地下水Piper三线图
Fig.4 Piper plot of groundwater chemistry
3.2.2 水化学组分的空间分布
由于采样沿Wadi Bay河谷从上游至下游呈线状分布，与地下水流动方向大致相同，难以对研究区域全面控制，因此本次研究主要分析浅层地下水化学组分沿地下水流动方向及随距海距离的变化规律。
从图5-6可见，浅层地下水中TDS，Cl-、Na+、SO42-的含量随距海距离的增加而减小，并在据海70km处左右浓度产生突变降低；从图7也可以看出浅层地下水中Ca2+，Mg2+的含量随距海距离的增加而减小且在70km处左右浓度突变减小，但其变幅度较小；此外地下水中一些微量组分，如Mn2+、Ba2+、Si2+、NH4+与NO3-的含量随距海距离的增加呈现波动变化，无明显升高或降低趋势（图8-11）。
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