解读中国沧州市沿海地区地下水化学演变过程：水化学、同位素示踪剂（18O、2H、14C）与自组织映射聚类的综合应用

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Deciphering Groundwater Chemistry Evolution in Coastal Cangzhou, China: An Integration of Hydrochemistry, Isotopic Tracers (18O, 2H, 14C), and Self-Organizing Map Clustering

本研究通过整合水文化学分析、环境同位素（δ1?O、δD、1?C）及自组织地图（SOM）聚类，解析了沧州地区地下水化学演化机制与空间分布规律。结果表明，地下水分为C1（淡水与农业活动相关）、C2（沿海中心区域盐淡水）和C3（东部沿海盐水），其化学类型呈现从西向东的Cl·HCO??-Na至Cl?-Na类型演变，并揭示了自然（古海水入侵）与人为（农业灌溉、超采）的交互作用主导盐渍化过程，为可持续水资源管理提供依据。

　　

赵苗|刘凤霞|王光才

中国地质大学生物地质与环境地质国家重点实验室及水资源与环境工程北京重点实验室，北京，中国

摘要

沿海地下水盐碱化是一个全球性挑战，尤其是在华北平原地区，但其水化学演化过程仍知之甚少。为了解决这一问题，我们以沧州地区作为典型沿海区域进行了研究。我们采用了一种综合方法，结合水化学分析、环境同位素（^18O、^2H、^14C）和SOM聚类技术，来阐明地下水化学的时空分布规律及其驱动机制。研究结果表明，地下水可分为三类：C1组为微咸水，其同位素特征（δD和δ^18O）较低，主要分布在农业活动频繁的中部和西北部地区；C2组为咸水，同位素特征较高，主要分布在中部地区；C3组为海水，δ^18O和δD值最高，集中在东部沿海地区。水化学类型从西部的Cl·HCO3^-·Na型逐渐转变为Cl·SO4^-·Na·Mg型，最终在东部变为Cl-Na型，显示出明显的空间分带性。浅层地下水（0–130米）盐度显著升高，离子浓度也有所增加，尤其是在C2组和C3组中。δ^18O、δD和^14C的分析表明，中部和东部地区的浅层地下水受到蒸发作用和古海水入侵的显著影响，而深层地下水在干旱气候条件下仍保持古补给特征。中部和西部地区的地下水化学特征主要受水岩相互作用和农业活动的影响。这些发现为防止地下水质量恶化和实现可持续水资源管理提供了科学依据。

引言

地下水是最重要的水资源之一，对维持经济、社会和生态环境的可持续发展至关重要。咸水地下水的存在降低了天然地下水的质量，限制了其开发和利用，尤其是在干旱和半干旱地区。地下水盐碱化作为一种普遍且严重的环境问题，正在全球范围内对沿海地区造成严重影响（Petelet-Giraud等人，2016年；Cui等人，2025年）。这些地区居住着全球近一半的人口，大约32%的主要城市已经受到水质恶化和资源短缺的影响（Li等人，2024年），对人类健康和生态环境构成了严重威胁。沿海地区的地下水盐碱化是由自然因素和人为因素共同作用的结果。人为因素包括农业活动、工业排放以及大规模过度抽取地下水对自然水循环的破坏。这不仅导致含水层枯竭，改变了地下水化学的空间分布，还加剧了海水入侵和深层淡水资源的盐碱化过程（Huang等人，2024年；Cui等人，2025年）。自然因素方面，海洋地层中的古海水和蒸发岩的溶解是盐分的重要来源（Kwong等人，2015年）。这些驱动因素通常以复杂的方式相互作用，使得准确识别地下水盐碱化的主导原因并实施有效的预防和控制措施变得十分困难。

华北平原（NCP）是一个典型的沿海地区，以广泛的浅层咸水地下水和密集的人口为特征。多年来，由于大规模抽取深层淡水，该地区已成为全球地下水超采的热点区域（Liu等人，2022年）。自20世纪70年代以来，该地区长期依赖深层地下水作为生活用水和农业用水。数十年的持续超采导致深层地下水水位大幅下降，形成了大规模的地下水沉降锥，并改变了自然的水流方向，使水流向沉降中心（Jiang等人，2018年；Bai等人，2022年）。

沧州是华北平原东部盐碱化最严重的地区，浅层咸水的分布最为广泛。沧州浅层地下水的总溶解固体（TDS）含量大多在3至10克/升之间，沿海地区则在20至50克/升之间（Lin等人，2012年）。先前的研究表明，沧州东部的古海水入侵深度在60至200米之间，这一古入侵层是区域咸水地下水的主要来源（Zhang等人，2000年）。长期的人为过度抽取破坏了水动力场，导致古咸水迁移，扩大了咸水地下水的分布范围，改变了水化学离子的分布，并增加了深层淡水含水层盐碱化的风险（Xing等人，2013年）。相关的粘土压缩还导致了严重的地面沉降，使华北平原成为受影响严重的区域（Liu等人，2024年），其影响具有持久性和难以逆转性。自2014年以来，该地区实施了减少地下水抽取的措施，包括关闭深层井和使用南水北调工程的水资源。这些措施有效减缓了深层地下水水位的下降，甚至在城市地区实现了水位回升（Yang等人，2021年）。然而，古海水入侵边界的范围、地面沉降以及咸水的向下迁移等问题仍未能得到有效控制。这些持续且基本不可逆的过程继续影响着该地区的地下水化学演化机制。即使在经过数十年的深度地下水抽取和大约十年的管理干预（如减少抽取和南水北调工程）之后，当前的地下水化学和同位素组成及其演化机制仍不甚明了。此外，沿海地区的复杂地质条件及其对地下水循环和水化学变化的影响仍不清楚。

近期关于华北平原地下水化学的研究采用了多种方法——如统计分析、Piper图、离子比值、相关性分析、聚类分析以及多组分反应传输的逆向建模（Liu等人，2024年；Xing等人，2013年）——以揭示演化规律和遗传机制。水文地球化学逆向建模表明，华北平原的地下水经历了阳离子交换、蒸发浓缩和硫酸盐还原反应（Xing等人，2013年）。使用稳定同位素氧（δ^18O）和氘（δD）可以进一步确定地下水补给条件、来源和混合过程（Cui等人，2025年），而结合^14C测年方法有助于评估地下水年龄，为评估地下水循环和可持续利用提供依据（Cao等人，2016年；Chen等人，2005年；Cheng等人，2017年；Liu等人，2019年、2023年；Su等人，2018年）。研究区域的水化学分析通常关注典型离子（如F^-、I^-）的形成机制和变化特征（Li等人，2017年；Liu等人，2024年；Sun等人，2022年；Xue等人，2019年、2022年；Yang等人，2025年；Zhou等人，2023年；Zhang等人，2021年）。然而，自2014年实施减少地下水抽取措施以来，华北平原中部和东部地区在垂直水力连通性、相邻含水层之间的混合过程以及水化学演化机制方面的系统研究仍较为缺乏。

自组织映射（SOM）在处理高度非线性的地下水化学数据方面具有显著优势，能够克服传统线性降维方法（如聚类分析）的局限性，减少误解的不确定性和风险（Choi等人，2014年；Nguyen等人，2015年；Nakagawa等人，2020年；Qu等人，2021年；Huang等人，2024年；Zhang等人，2023年）。为了进一步提高可解释性，本研究结合K均值聚类对SOM结果得出的模式进行了分类，从而实现对地下水化学空间模式的更客观和可信的解释（Mao，2021年）。

本研究的主要目标是：（1）利用SOM聚类方法揭示不同簇中离子和同位素在水平空间和垂直剖面中的分布规律；（2）阐明不同簇中地下水的化学特征和演化机制。这些发现对于理解典型沿海地区（如沧州）在减少抽取管理后的地下水演化机制具有重要意义，有助于制定有效的水资源管理策略，以保护沿海地区的生态系统和人类健康。

章节片段

地理位置与气候

研究区域沧州位于华北平原东部。其地理坐标为东经116°27′–117°08′，北纬38°05′–38°38′。研究区域总面积为14,304平方公里（图1a）。该地区属于暖温带季风气候，四季分明。年平均降水量为725.2毫米，年平均气温为14.6摄氏度。沧州的地形总体较低且平坦，从西南向东北倾斜，地面海拔从15米逐渐降至2米。

样品采集与分析

本研究共分析了81个水化学样品，包括41个浅层地下水样品、35个深层地下水样品和5个海水样品。此外，还采集了32个样品用于δ^18O和δD分析，其中包含8个浅层地下水样品和22个深层地下水样品。浅层地下水、深层地下水和海水样品分别用前缀S-、D-和W-表示，并附有其相应的序列号。

现场采样遵循了相关规范

SOM结果

聚类分析可以揭示水样品之间的化学特征相似性及其根本原因（Nguyen等人，2015年）。所有水样品均基于十个物理化学参数（Ca^2+、Mg^2+、Na^+、K^+、HCO3^-、SO4^2-、Cl^-、F^-、NO3^-、TDS）进行了SOM聚类分析（图2）。每个指标都有一个独立的输出层，每个神经元的颜色代表该变量的相对浓度：深蓝色表示相对较低的浓度

结论

本研究系统分析了沧州地区当前地下水化学演化和水循环过程的特点。基于近年来在沧州地区收集的多个地下水样品，结合水化学和环境同位素（δ^18O、δD、^14C）数据，应用了多种水化学和多变量统计方法，包括SOM神经网络、相关性分析和离子比值分析。主要结论如下：

(1)

所有

CRediT作者贡献声明

赵苗：撰写——初稿、方法论、调查。刘凤霞：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、方法论、正式分析、数据管理。王光才：撰写——审稿与编辑、监督、调查、概念化

未引用参考文献

Andres和Paul，1964年；Dansgaard等人，1999年；Jiang等人，2023年；Mao等人，2021年；Piper，1944年；Zhang，2011年；Zhou等人，2011年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。