在多种耦合驱动因素作用下，浅层地下水盐碱化的阶段性响应：来自沿海金矿区的多期水化学证据及机制解析

《Journal of Hydrology》：Stage-dependent responses of shallow groundwater salinization under multiple coupled drivers: multi-period hydrochemical evidence and mechanistic insights from a coastal gold mining area

　　

• •
  多时期的水化学研究揭示了沿海采矿过程中盐度变化的阶段性特征。
• •
  五种溶质在不同水文阶段表现出不同的特征。
• •
  湿润条件可以缓解盐度升高，而干燥条件则会加剧多种因素的影响。
• •
  主成分分析（PMF）和水化学证据共同揭示了多种盐度形成过程。
• •
  三种响应模式表明系统从缓冲状态转变为多因素放大状态。

引言

沿海浅层地下水是沿海地区市政供水、农业灌溉和工业生产的重要淡水资源（Kass等人，2004年；Ranjan等人，2008年）。在气候变化和人类活动加剧的共同影响下，沿海含水层系统面临着海水入侵、地下水过度开采、化肥使用增加以及生活污水泄漏等威胁（Ferguson和Gleeson，2012年；Ranjan等人，2006年）。这些压力因素会提高盐度，改变水化学结构，并加剧地下水质量恶化的风险（Richardson等人，2024年）。海水入侵在全球沿海地区普遍存在，大量研究记录了淡水-咸水界面的演变、地下水质量退化的机制以及其对淡水安全的长期影响（Cantelon等人，2022年；Tran等人，2021年）。研究表明，海水入侵不仅会提高地下水的盐度，尤其是Cl^?和Na⁺浓度，还会改变水-岩相互作用的条件（Jasechko等人，2020年），从而影响碳酸盐溶解、硫化物氧化和阳离子交换过程，最终损害沿海地下水的可持续利用（Han等人，2015年；Qiu等人，2024年）。

传统的水化学指标、图形方法和数值模拟已被广泛用于识别盐度来源并诊断主要过程（Lu等人，2024年；Parisi等人，2023年）。最近的研究进一步强调了气候湿润-干燥变化、海平面变化和极端降雨事件对盐度前沿迁移和水质时间动态的影响（Sun等人，2025年；Yu等人，2025年）。这些研究结合了同位素技术（Ba等人，2025年）、多源统计分析（Yang等人，2021年）和数值模拟（Abba等人，2023年）来进行全面的盐度形成过程评估。在中国，尤其是黄海沿岸和莱州湾周围，地下水盐度升高、水化学异常以及更复杂的盐度模式已被广泛报道（Ji等人，2024年）。然而，大多数现有研究集中在沿海平原、农业区或城市化地区。相比之下，沿海采矿区由于独特的地质环境和强烈的人为干扰，在不同气候条件下的长期多阶段水文地球化学演变方面仍知之甚少。在沿海采矿区，矿山排水、矿体及周围岩石的暴露、农业非点源污染和沿海咸水输入通常同时存在并相互作用。采矿活动可以改变含水层结构和地下水流动场，增强硫化物氧化和碳酸盐溶解，并释放SO₄^2?、Ca²⁺和Mg²⁺。它们还可能通过形成排水锥来重塑海水入侵的水动力边界条件（Wang等人，2023年；Zhu等人，2020年）。同时，来自化肥施用和生活污水泄漏的硝酸盐和氯化物会在浅层含水层中持续积累，与沿海盐度形成过程协同作用，进一步加剧地下水质量恶化（Li等人，2020年；Wakida和Lerner，2005年）。

位于胶东半岛北部沿海带的焦家金矿是一个典型的沿海金矿区，这里的浅层地下水长期受到多种相互作用因素的影响。以往的研究主要集中在焦家矿化系统上，探讨了深部成矿流体的性质、矿床形成机制以及构造控制因素（Goldfarb和Santosh，2014年；Li等人，2025年；Mills等人，2015年），而直接与该地区地下水盐度和海水入侵相关的研究仍然有限。Wang等人（2024年）指出，焦家地区的采矿活动可能增强了水力连通性和渗透路径，从而加强了海水成分与受矿山影响水体之间的联系。然而，浅层地下水在长期多因素共同干扰下的变化及其形成的不同盐度响应机制尚未得到系统研究。

因此，关于沿海金矿区浅层地下水盐度化的研究不仅需要识别不同的盐源和污染输入，还需要明确这些长期驱动因素在不同背景条件下如何产生不同的水化学响应。基于此，本研究以焦家沿海金矿区为例，利用2005年至2019年的浅层地下水多时期区域水化学数据，结合正交矩阵分解（PMF）源分配、水化学图解诊断、耦合离子关系分析以及标准化降水蒸散指数（SPEI）来系统描述浅层地下水的水化学组成及其时间和空间变化特征。在此基础上，研究了地下水系统在持续自然和人为干扰下的响应差异，并提出了一个适用于沿海金矿区浅层地下水的阶段性盐度响应框架，以揭示地下水系统从缓冲状态向盐度放大状态转变的机制。研究结果为识别沿海采矿区地下水盐度化风险和管理地下水资源提供了科学依据。

章节摘要

研究区域

研究区域位于山东省北部莱州湾的焦家金矿（图1）。该采矿区包括焦家、湾上山和四庄三个子区，是大型金矿床的集中地带（Hu等人，2020年）。该地区距海岸线约6公里，地形从东向西、从南向北逐渐倾斜，从低矮的山丘过渡到沿海平原。

不同背景条件下的地下水阶段分类和主要离子的时间响应

根据降水量和SPEI的变化，研究区域在2005年至2019年间经历了明显的干湿交替，可分为三个阶段（图2）。第一阶段（2005–2009年）年均SPEI值为负，干旱月份比例较高，雨季的有效湿润时间有限，因此属于相对干旱的时期，补给不足。

浅层地下水中的主要离子浓度对气候湿润-干燥条件表现出明显的阶段性响应。总体而言，包括Cl^?、SO₄^2?和NO₃^?在内的主要阴离子浓度与年降水量和SPEI呈负相关。充足的补给促进了稀释和淋溶作用，显著降低了盐度和污染程度。然而，在相对干燥的条件下，由于补给不足且蒸发作用较强，导致

结论

• (1)
  多时期的区域水化学数据和耦合离子关系表明，地下水化学成分总体上从多种水化学相的共存发展为更强的咸水成分表现和更多的相融合。PMF源分配识别出五个在整个研究期间持续存在并相互叠加的溶质来源过程：与地表渗透和生活污水排放相关的人为干扰、沿海咸水成分

CRediT作者贡献声明

Chang Lu：撰写初稿、软件编写、方法研究、数据整理、概念框架构建。Bo Zhang：撰写修订稿、验证、方法研究、资金获取、概念框架构建。Fangying Dong：撰写修订稿、验证、资金获取、概念框架构建。Xiang Jiang：指导、方法研究。Zhenzhou Sun：软件编写、正式分析、数据整理。Rongxin Zhao：方法研究、调查。Huiyong Yin：软件编写、方法研究、正式分析、数据整理。

Kass等人，2005年；Ranjan等人，2009年；Schoeller，1965年。

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

本研究得到了中国博士后科学基金会一般项目（编号：2025M780427）、山东省博士后科学基金会（编号：SDZZ-ZR-202501497）和国家自然科学基金（编号：42572318）的支持。

Chang Lu|Bo Zhang|Fangying Dong|Xiang Jiang|Zhenzhou Sun|Rongxin Zhao|Huiyong Yin|Tianyuan Zheng