印度泰米尔纳德邦南部沿海含水层系统海水入侵与盐度胁迫的季节性水文地球化学特征

《Journal of Trace Elements and Minerals》：Seasonal Hydrogeochemical Signatures of Seawater Intrusion and Salinity Stress in a Coastal Aquifer System of Southern Tamil Nadu, India

　　

研究人员研究了印度泰米尔纳德邦Tharuvaikulam与Mookaiyur之间沿海含水层水文地球化学与海水入侵的季节性变化，该地区正面临日益严重的盐度与水质问题。研究人员于2022年雨季前和雨季后从39个地点采集了地下水样品。研究人员分析了主要理化参数，包括pH、电导率（EC）、总溶解固体（TDS）、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-和HCO₃^-，以评估地下水质量和水化学演化。研究人员使用饮用水水质指数（DWQI）评估饮用水质量，并使用选定的灌溉指数评估灌溉适宜性。研究人员还应用了化学计量学工具，如相关矩阵、主成分分析（PCA）和层次聚类分析（HCA），以探索时空趋势和控制因素。结果显示盐度存在显著的空间和季节性变化，在多个沿海地点出现了升高的EC、TDS、Na⁺和Cl^-浓度。雨季后的补给使DWQI略有改善，优质样品从20.51%增加到23.08%，良好样品从48.72%增加到51.28%，而劣质样品从30.77%减少到25.64%。水文地球化学证据表明，海水混合、蒸发、矿物溶解和离子交换共同影响地下水化学。研究结果识别了脆弱沿海地点持续存在的盐度胁迫，并为地下水监测、控制开采和沿海含水层的可持续管理提供了有用信息。

**论文解读：印度泰米尔纳德邦南部沿海含水层海水入侵与盐度胁迫的季节性水文地球化学特征**

**研究背景与目的**

沿海含水层海水入侵（Seawater Intrusion, SWI）已成为全球性水资源安全问题，尤其在高强度地下水开采和气候变化的双重压力下，淡水与海水之间的水力平衡极易被打破，导致地下水盐度升高、水质恶化。印度超过60%的灌溉用水和约85%的饮用水依赖地下水，沿海地区因过度抽取、海平面上升和季风降水变率，SWI问题尤为突出。泰米尔纳德邦南部的Tharuvaikulam–Mookaiyur沿海含水层系统，位于Gulf of Mannar东岸，由Vaippar和Gundar河流入海，该区域降雨集中（东北季风，年均约848 mm），但蒸发强烈，地下水开采用于农业、盐田和居民生活，导致盐度胁迫日益严重。前人研究多聚焦于单一季度的水化学分析或简单的水质评价，缺乏将季节性水文地球化学特征、多种水质指数、水化学相图与多元统计方法整合的综合评估。因此，本研究旨在：（i）刻画地下水化学的季节性变化；（ii）评估其饮用和灌溉适宜性；（iii）识别控制地下水演化和盐度的主要地球化学过程；（iv）利用水化学和多元统计方法揭示海水入侵的时空特征。研究结果可为脆弱沿海含水层的可持续管理提供科学依据，论文发表在《Journal of Trace Elements and Minerals》。

**主要技术方法**

研究人员在2022年雨季前（Pre-monsoon）和雨季后（Post-monsoon）从39个沿海村庄（Tharuvaikulam至Mookaiyur）采集了78个地下水样品。现场使用HANNA便携式仪器测定pH、电导率（EC）和总溶解固体（TDS）；实验室按APHA标准分析主要阳离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）和阴离子（Cl^-、SO₄^2-、HCO₃^-）。采用加权算术法计算饮用水水质指数（DWQI），并利用钠吸附比（SAR）、凯利比（KR）、钠百分比（%Na）、镁吸附比（MAR）和渗透指数（PI）等评估灌溉适宜性。通过海水混合指数（SMI）量化海水混合程度。借助Piper三线图、Gibbs图和水化学相演化图（HFE-D）分析水化学过程，并结合Spearman相关分析、主成分分析（PCA）和层次聚类分析（HCA）等多元统计方法识别时空趋势和控制因素。

**研究结果**

**Distribution of major ions with seasonal variations（主要离子季节性分布）**
地下水pH呈弱碱性（7.40–8.45），沿海地区如Keelavaippar的EC（8047–8288 μS/cm）和TDS（5150–5307 mg/L）极高，64.1%的样品TDS超过1000 mg/L。阳离子顺序为K⁺ > Mg²⁺ > Ca²⁺ > Na⁺，阴离子为Cl^- > SO₄^2- > HCO₃^-。Cl^-超标严重（雨季前87.18%，雨季后71.79%），表明海水入侵是主要盐度来源。雨季后部分离子浓度因稀释而下降，但沿海地区仍维持高盐度。

**Drinking Water Quality Index (DWQI)（饮用水水质指数）**
DWQI显示雨季前优质（Excellent）样品占20.51%，良好（Good）占48.72%，差（Poor）占30.77%；雨后分别变为23.08%、51.28%和25.64%，表明季风补给使水质略有改善，但沿海地区仍以差类为主，盐度限制持续存在。

**Irrigation Water Quality Indices（灌溉水质指数）**
SAR均低于10，KR小于1，%Na多在20%以下，表明钠危害低；但MAR在雨季前有35%的样品显示不适合灌溉，雨后期降至16.67%，主要因镁钙含量高。PI值大多处于良好至优秀类别，说明土壤渗透性较好。

**Groundwater Quality and Irrigation Suitability（Wilcox and USSL Classifications）（地下水质量与灌溉适宜性）**
Wilcox图显示沿海地区（如Keelavaippar）在雨季前和雨后均处于“可疑至不适合”类别（EC >3000 μS/cm，%Na 15–30%），内陆地区（如Vadakkuseval）为“良好至可允许”。USSL分类中沿海为C4–S1（极高盐度、低钠危害），内陆为C2–C3–S1。

**Geochemical Processes（地球化学过程）**
Piper图揭示雨季前地下水以Na–Cl型为主，指示海水入侵；雨后向Ca–HCO₃型过渡，反映碳酸盐矿物溶解增强。Gibbs图显示雨季前主要受岩石风化控制，雨后部分样品转向蒸发主导。HFE-D分析表明，雨季前87.2%的样品处于入侵阶段（Mg–Cl或Ca–Cl相），雨后仍有84.6%为入侵相，但少数站点出现淡化相（如Ca–SO₄），表明补给带来局部淡化。

**Seawater Mixing Index (SMI)（海水混合指数）**
雨季前82%的样品为中等混合，8%为高混合（如Shdalaimanagar、Kulathur）；雨后高混合站点增至8个（如Kalumedu、Keelavaippar），表明季风补给后淡水水头上升反而加剧了界面处的混合。

**Seasonal Influence of Major Ions with TDS（主要离子与TDS的季节性关系）**
TDS与Ca+Mg在雨季后相关性增强（R2=0.507），说明补给促进了矿物溶解；TDS与Na/Cl在雨季前相关性较强（R2=0.384），之后减弱（R2=0.108），表明蒸发和海水混合在旱季主导，而雨季稀释效应掩盖了盐度信号。

**Chemometric analyses（化学计量学分析）**
Spearman相关分析显示，TDS和EC与Na⁺、K⁺、Ca²⁺等显著正相关，雨季后与Cl^-、Mg²⁺、HCO₃^-关联增强，证实海水入侵与矿物溶解共同作用。HCA将雨季前样品分为5组，其中C5（如Shdalaimanagar等）TDS>4000 mg/L，为严重入侵组；雨后分为3组，C3仍为高盐度脆弱区。PCA显示PC1主要由TDS、EC和Ca²⁺解释（矿化作用），PC2由Cl^-解释（局部海水输入），雨季后PC2贡献增强，反映混合作用加剧。

**讨论与结论**

讨论部分指出，地下水盐度并非仅由海水入侵导致，蒸发浓缩、矿物溶解（如石膏、方解石）、阳离子交换以及季节性补给共同控制水化学演变。DWQI的改善有限，且沿海地区劣质水持续存在，表明盐度胁迫是长期挑战。SMI在雨季后升高，与常规认知相反，可能因补给导致水头升高，在渗透性高的海岸带（如Kalumedu）增强了界面混合。HFE-D显示少数站点出现淡化相，说明局部补给有效，但整体脆弱性高。研究建议对高盐度沿海村庄进行优先监测，并控制地下水开采，增加人工补给。

**结论翻译**
本研究评估了Tharuvaikulam–Mookaiyur沿海含水层的季节性水文地球化学特征，并识别了影响地下水质量和盐度的主要因素。结果显示EC、TDS、Na⁺和Cl^-浓度存在显著的空间和季节性变化，尤其在沿海地区，表明持续的盐度和海水影响。雨后补给产生了一定稀释和水化学变化，但多个沿海站点盐度仍高。水化学相图、Gibbs图、HFE-D分析和离子关系表明，地下水化学受海水混合、蒸发、矿物溶解和离子交换共同影响。DWQI结果显示雨季后略有改善：优质样品从20.51%增至23.08%，良好样品从48.72%增至51.28%，劣质样品从30.77%降至25.64%。然而，沿海地区劣质水的持续存在表明盐度仍是饮用水的主要限制因素。本研究的主要贡献在于综合运用季节性水化学分析、饮用水和灌溉水质指数、水化学相图及统计方法，评估地下水盐度及其控制过程。研究结果表明，地下水盐度不能仅归因于海水入侵，蒸发、矿物溶解、离子交换、地下水开采和季节性补给也影响水化学。这些发现为泰米尔纳德邦南部沿海的地下水管理提供了有用信息。高盐度沿海地区应优先进行定期监测和控制开采。东北季风前后的季节性监测有助于识别补给改善水质的区域和盐度持续的站点。本研究的局限性在于仅基于2022年两个季节的采样，未反映长期趋势，也未使用同位素示踪、地下水定年和详细水化学模型，且未进行水质指数和海水混合指数的不确定性传播。未来研究应结合长期监测、同位素调查、连续水位和盐度测量以及水化学模型，以更好地识别盐度来源并评估海水入侵随时间的变化。