新泰市地下水水化學(xué)特征及成因探討

(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590； 2.中國(guó)冶金地質(zhì)總局 山東正元地質(zhì)勘查院，山東 泰安 271000)

地下水在生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中是一個(gè)最為活躍的因子，其化學(xué)成分特征既可提供十分珍貴的環(huán)境變化信息，也可以反映地下水的歷史演變。Carol等[1]對(duì)濱海平原地區(qū)地下水的鹽化過(guò)程進(jìn)行了研究，認(rèn)為地下水的鹽化受溶濾作用、蒸發(fā)作用以及人類活動(dòng)的影響。周俊等[2]運(yùn)用描述性統(tǒng)計(jì)、相關(guān)性分析、Gibbs 圖、陰陽(yáng)離子三角圖和主成分分析法，對(duì)貢嘎山海螺溝流域水化學(xué)主離子特征及其控制因素進(jìn)行了分析，認(rèn)為巖石的化學(xué)風(fēng)化是主離子來(lái)源的主要控制因素，碳酸鹽巖的風(fēng)化是海螺溝流域巖石風(fēng)化的主要類型。張濤等[3]綜合運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Piper 三線圖、Gibbs模型和離子比等方法對(duì)尼洋河下游河水及沿岸地下水水化學(xué)特征進(jìn)行研究，認(rèn)為該流域水化學(xué)離子組成受巖石風(fēng)化和硅酸鹽巖的溶解控制，碳酸鹽巖的溶解也是離子組成的重要原因。劉久潭等[4]運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)及因子分析法對(duì)青島西海岸新區(qū)地下水水化學(xué)特征進(jìn)行研究，認(rèn)為研究區(qū)水化學(xué)組分主要受水巖作用的控制，且污染源主要來(lái)自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)、地質(zhì)因素、生活污水排放及工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的影響。通過(guò)對(duì)水體中水化學(xué)離子特征的研究，對(duì)了解水體中離子來(lái)源及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

地下水資源在新泰市城市和工農(nóng)業(yè)發(fā)展及居民生活中占據(jù)了至關(guān)重要的地位。截止到目前為止，對(duì)新泰市地下水水化學(xué)特征的研究工作較少，只有韓鋒等[5]運(yùn)用相關(guān)性分析和因子分析的方法對(duì)新泰市地下水水化學(xué)特征進(jìn)行分析，得出該地區(qū)地下水水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca型，水化學(xué)組分受巖石風(fēng)化、蒸發(fā)濃縮、大氣降雨以及人為活動(dòng)的影響，但近4年內(nèi)未曾有相關(guān)學(xué)者對(duì)新泰市的水化學(xué)現(xiàn)狀及成因進(jìn)行探討。為此，本文依托“山東省地下水水源地調(diào)查與評(píng)價(jià)(泰萊盆地)”項(xiàng)目，選取2017年9月(豐水期)和2018年5月(枯水期)29件地下水水樣檢測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、相關(guān)性分析、Piper三線圖、Gibbs模型和離子比等方法，分析該地區(qū)地下水水化學(xué)豐枯水期變化特征及離子來(lái)源，分析其成因，為新泰市水資源管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新泰市位于魯中山區(qū)，隸屬于山東省泰安市，極值地理坐標(biāo)為東經(jīng)117°14′30″～117°59′58″，北緯35°39′00″～36°06′40″(圖1)。屬溫帶季風(fēng)大陸性氣候，多年平均氣溫為13.6 ℃，1956—2017年平均降水量為739.14 mm。研究區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，主要河流有柴汶河、小汶河、平陽(yáng)河、西周河、崖頭河、羊流河等，86.26%的流域面積屬大汶河水系，13.74%的流域面積屬沂河、泗河水系。地勢(shì)自東向西傾斜，南北東三面環(huán)山，中部和西部為平原。地貌形態(tài)有山地、丘陵和山間平原三種類型。發(fā)育地層有太古界、古生界、中生界和新生界，巖性有第四系(Q)粉砂、礫石、粘土等，古近系(E)石灰質(zhì)角礫巖、灰質(zhì)礫巖、紫紅色泥巖、粉砂巖等，白堊系(K)粉砂巖、頁(yè)巖、砂質(zhì)灰?guī)r等，侏羅系(J)淺紫色長(zhǎng)石砂巖、夾碳質(zhì)頁(yè)巖或煤線等，二疊系(P)砂巖及煤層，石炭系(C)砂巖、煤層、泥巖等，奧陶系(O)灰?guī)r、云斑灰?guī)r、白云巖等，寒武系(∈)微晶灰?guī)r、藻屑灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r、薄層灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r等，以及泰山巖群(Ars)角閃變粒巖、石英長(zhǎng)石片巖、黑云變粒巖夾斜長(zhǎng)角閃巖。

1.2 樣品采集

本次研究采用新泰市2017年9月(豐水期)和2018年5月(枯水期)地下水水樣各29件的檢測(cè)數(shù)據(jù)(圖1)。水樣多采自農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井和居民飲用水井。樣品采集前，取樣瓶進(jìn)行酸洗和蒸餾水沖洗，采樣時(shí)用新鮮水沖洗至少3次，取樣點(diǎn)均為經(jīng)常提水的開(kāi)采井或壓水井，取水前抽水10分鐘以上，保證取得的水樣可以反映采樣點(diǎn)地下水的真實(shí)狀況。樣品送至有檢測(cè)資質(zhì)的山東省地礦工程勘察院檢測(cè)。

1.3 研究方法

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究地下水水化學(xué)特征及成因分析時(shí)，常采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Piper三線圖、Gibbs圖、相關(guān)性分析、鈉吸附比、飽和指數(shù)及同位素示蹤、離子比等方法[6-13]。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、相關(guān)性分析、Piper三線圖、Gibbs模型和離子比等方法對(duì)新泰市地下水水化學(xué)特征及成因進(jìn)行分析。

圖1 研究區(qū)位置及取樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 Location and sampling point distribution map of the study area

2 結(jié)果與討論

2.1 主要離子特征

新泰市豐枯水期地下水常規(guī)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)特征如表1所示?？傮w而言，豐枯水期水質(zhì)存在明顯的差異，各離子含量較前人研究成果都有明顯提高[5]。除H2SiO3外，其他指標(biāo)枯水期均值均大于豐水期均值，這是由于豐水期降雨入滲補(bǔ)給量大，從而使得各離子濃度得到了稀釋。而H2SiO3含量豐水期高于枯水期，這是因?yàn)楹０屋^高的基巖山區(qū)的硅酸鹽礦物受豐水期多雨水的影響，隨著降雨次數(shù)的增多，雨水溶解硅酸鹽量也相繼增加，從而入滲到地下水中，使地下水中硅酸鹽含量增加。豐水期變異系數(shù)較枯水期偏高，說(shuō)明豐水期地下水水質(zhì)存在較大的的空間差異，而枯水期相對(duì)較穩(wěn)定。豐枯水期pH值變異系數(shù)相同且較小，說(shuō)明豐枯水期pH值時(shí)空差異性較小。豐、枯水期pH均值分別為7.37和7.55，接近中性。豐水期溶解性總固體(total dissolved solids,TDS)的變化范圍285.00～1 550.00 mg·L-1，均值759.72 mg·L-1，按TDS劃分淡咸水的方法，淡水、微咸水分別占水樣的65.5%、34.5%。枯水期TDS變化范圍265.00～1 610.00 mg·L-1，均值937.50 mg·L-1，淡水、微咸水分別占水樣的72.4%、27.6%。豐枯水期微咸水類的地下水有7個(gè)樣點(diǎn)(K01、K03、K05、K08、K11、Y08、L07)取樣地點(diǎn)相同。豐枯水期陽(yáng)離子均存在Ca2+>Na+>Mg2+>K+的關(guān)系，說(shuō)明新泰市Ca2+為優(yōu)勢(shì)陽(yáng)離子，較前人研究成果優(yōu)勢(shì)陽(yáng)離子沒(méi)有改變，但Na+占比增加。陰離子在豐水期存在HCO3->SO42->NO3->Cl-的關(guān)系，而在枯水期呈SO42->HCO3->NO3->Cl-的關(guān)系，但SO42-和HCO3-的相差不大且含量均較高，說(shuō)明新泰市豐枯水期HCO3-和SO42-為優(yōu)勢(shì)陰離子，NO3-和Cl-含量占據(jù)的比重也較大，較前人研究成果增加了優(yōu)勢(shì)陰離子SO42-。因研究區(qū)煤層發(fā)育，而煤層中常含有黃鐵礦，黃鐵礦易被氧化形成SO42-，使得地下水中SO42-含量增加。

表1 新泰市地下水水化學(xué)特征統(tǒng)計(jì)

注：除pH外，其余檢測(cè)指標(biāo)濃度單位為mg·L-1

圖2 新泰市地下水派珀三線圖Fig. 2 Piper diagram of groundwater in Xintai city

2.2 水化學(xué)演化特征

派珀(Piper)三線圖是一種常用的水化學(xué)圖示方法[13]。如圖2所示，新泰市地下水水化學(xué)類型在豐水期共出現(xiàn)8種類型，以HCO3·SO4-Ca型為主，占水樣的58.6%，其次為HCO3·SO4-Ca·Mg型，在果都鎮(zhèn)北石溝村附近(K03)和青云街道龍山村附近(L02)出現(xiàn)較復(fù)雜的HCO3·SO4·Cl-Ca型?？菟诠渤霈F(xiàn)9種類型，以HCO3·SO4-Ca型為主，占水樣的48.3%，其次為HCO3·SO4-Ca·Mg型，在天寶鎮(zhèn)時(shí)家莊村附近(K04)、汶南鎮(zhèn)陳糧村附近(K11)以及青云街道龍山村附近(L02)同樣出現(xiàn)HCO3·SO4·Cl-Ca型水，在羊流鎮(zhèn)官橋村附近(L05)出現(xiàn)了更為復(fù)雜的HCO3·SO4·Cl-Na·Ca型。這與韓鋒等[5]2014年研究成果以HCO3-Ca型為主不同，水化學(xué)類型更為多樣復(fù)雜，說(shuō)明近幾年新泰市地下水離子組分含量發(fā)生了巨大變化，而短時(shí)間內(nèi)地質(zhì)條件不會(huì)發(fā)生太大的變化，說(shuō)明人為因素起主導(dǎo)作用?？傮w來(lái)說(shuō)，新泰市豐枯水期水化學(xué)特征在時(shí)間上變化不大，只是空間上存在一定的變化，因此新泰市地下水類型主要受區(qū)內(nèi)物理化學(xué)及人類作用的影響[12]。

2.3 地下水離子組分天然形成因素探討

2.3.1 離子相關(guān)性分析

各離子之間的相關(guān)性是判斷離子同源性的一種方法[14]。運(yùn)用SPSS軟件對(duì)新泰市豐枯水期地下水常規(guī)水化學(xué)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。從表2中可以看出，豐枯水期Na+與Ca2+、Mg2+、Cl-呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明存在硅酸鹽礦物的風(fēng)化溶解；SO42-與Ca2+、Mg2+、Na+呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明三者有共同的來(lái)源，可能與巖鹽、石膏等硫酸鹽巖的風(fēng)化溶解有關(guān)。豐水期TDS與Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-之間的相關(guān)性顯著，說(shuō)明這幾種離子決定了研究區(qū)豐水期水化學(xué)類型；枯水期TDS與Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-、HCO3-之間的相關(guān)性顯著，說(shuō)明這幾種離子決定了枯水期水化學(xué)類型。

表2 新泰市地下水主要水化學(xué)離子相關(guān)性分析

*表示在0.05水平上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平上顯著相關(guān)

2.3.2 Gibbs圖離子分析

Gibbs設(shè)計(jì)了半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，可根據(jù)離子與TDS之間的關(guān)系分析地表水的離子成因(蒸發(fā)結(jié)晶、巖石風(fēng)化和大氣降水)，同時(shí)也可以用于探討地下水離子來(lái)源問(wèn)題[6,15]。在Gibbs圖中(圖3)，當(dāng)TDS值較低且Cl-/(Cl-+HCO3-)或Na+/(Na++Ca2+)比值大于0.5時(shí)，說(shuō)明區(qū)域水化學(xué)組分主要受大氣降雨作用控制；當(dāng)TDS值為中值且Na+/(Na++Ca2+)或Cl-/(Cl-+HCO3-)比值小于0.5時(shí)，說(shuō)明區(qū)域水化學(xué)組分主要受巖石風(fēng)化作用控制；當(dāng)TDS值較高且Cl-/(Cl-+HCO3-)或Na+/(Na++Ca2+)比值接近于1時(shí)，說(shuō)明該區(qū)域水化學(xué)組分主要受蒸發(fā)-結(jié)晶作用控制。從圖3可以看出，研究區(qū)豐、枯水期地下水水樣點(diǎn)主要分布在巖石風(fēng)化控制區(qū)，只有部分水樣點(diǎn)有向蒸發(fā)-結(jié)晶控制作用區(qū)移動(dòng)的趨勢(shì)，并遠(yuǎn)離大氣降水控制區(qū)域，這表明研究區(qū)巖石風(fēng)化作用對(duì)離子濃度的影響占主導(dǎo)作用。但因地下水離子來(lái)源的廣泛性和復(fù)雜性，需要選用其他方法進(jìn)一步分析離子來(lái)源[12]。

圖3 Gibbs水化學(xué)圖Fig. 3 Gibbs hydrochemical diagram

2.3.3 離子比分析

1) γCa2+/γNa+、γMg2+/γNa+與γHCO3-/γNa+的比值

利用Ca2+/Na+、Mg2+/Na+與HCO3-/Na+離子的毫克當(dāng)量比值，可以進(jìn)一步探討地下水化學(xué)離子組分來(lái)源[16]。研究區(qū)豐枯水期水樣點(diǎn)均分布在碳酸鹽巖和硅酸鹽巖控制區(qū)(圖4)，這表明研究區(qū)主要受碳酸鹽和硅酸鹽風(fēng)化溶解的共同作用，蒸發(fā)鹽巖的控制作用較小。結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件，南部、北部和東部為隆起的花崗巖以及寒武和奧陶系碳酸鹽巖，中部和西部為平原，且在樓德-宮里-谷里一帶存在隱伏碳酸鹽巖，為碳酸鹽巖和硅酸鹽的風(fēng)化溶解提供了有利條件。從圖4可以看出，地下水水化學(xué)特征受硅酸鹽巖控制作用要大于受碳酸鹽巖的控制作用，這是由于硅酸鹽類在新泰市東、南、北側(cè)都有分布，面積大，而碳酸鹽巖主要分布在南部，還有部分隱伏于第四系以下，這就使得硅酸鹽比碳酸鹽巖溶解的要多。

圖4 地下水Ca2+/Na+與HCO3-/Na+、Mg2+/Na+元素比值Fig. 4 The ratio of Ca2+/Na+ to HCO3-/Na+ and Mg2+/Na+ elements in groundwater

2) γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-+SO42-)

利用(Ca2++Mg2+)和(HCO3-+SO42-)的毫克當(dāng)量比值，可以判斷出Ca2+和Mg2+的主要來(lái)源，當(dāng)取樣點(diǎn)分布于γ(HCO3-+SO42-)/γ(Ca2++Mg2+)=1上方時(shí)，說(shuō)明地下水中Ca2+和Mg2+主要來(lái)源于硅酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖的風(fēng)化溶解；當(dāng)取樣點(diǎn)分布于γ(HCO3-+SO42-)/γ(Ca2++Mg2+)=1下方時(shí)，說(shuō)明地下水中Ca2+和Mg2+主要來(lái)源于碳酸鹽巖的風(fēng)化溶解[6,17]。從圖5(a)可以看出，豐枯水期水樣點(diǎn)絕大部分位于γ(Ca2++Mg2+)/γ(HCO3-+SO42-)=1上方，只有極少部分水樣點(diǎn)位于下方，這說(shuō)明研究區(qū)Ca2+和Mg2+主要來(lái)源于碳酸鹽巖的溶解，只有少部分點(diǎn)與硅酸鹽和蒸發(fā)鹽巖的溶解有關(guān)。

3) γ(Na++K+)/γCl-

利用(Na++K+)和Cl-的毫克當(dāng)量比值，可以判斷出地下水Na+和K+的來(lái)源。當(dāng)取樣點(diǎn)分布于γ(Na++K+)/γCl-=1上方時(shí)，表明Na+和K+來(lái)源于巖鹽的風(fēng)化溶解；當(dāng)取樣點(diǎn)分布于γ(Na++K+)/γCl-=1下方時(shí)，表明Na+和K+來(lái)源于硅酸鹽的風(fēng)化溶解[14]。從圖5(b)可以看出，豐水期取樣點(diǎn)分布于γ(Na++K+)/γCl-=1上下兩側(cè)，其中分布于下方的取樣點(diǎn)數(shù)多于上方的，說(shuō)明豐水期地下水Na+和K+來(lái)源于巖鹽和硅酸鹽溶解，且硅酸鹽溶解貢獻(xiàn)大于巖鹽溶解；枯水期取樣點(diǎn)亦分布于γ(Na++K+)/γCl-=1上下兩側(cè)，但與豐水期不同，分布于上方的點(diǎn)數(shù)多于下方，說(shuō)明枯水期地下水Na+和K+來(lái)源于巖鹽和硅酸鹽溶解，但巖鹽溶解貢獻(xiàn)大于硅酸鹽溶解。因此，研究區(qū)地下水Na+和K+來(lái)源于巖鹽溶解和硅酸溶解的共同作用。

4) γ(SO42-+Cl-)/γHCO3-

計(jì)算(SO42-+Cl-)和HCO3-的毫克當(dāng)量比值，可以用來(lái)判斷地下水離子的來(lái)源。當(dāng)取樣點(diǎn)分布于γ(SO42-+Cl-)/γHCO3-=1的上方時(shí)，說(shuō)明地下水離子主要來(lái)源于蒸發(fā)鹽巖的溶解；當(dāng)落于下方時(shí)，則說(shuō)明地下水離子主要來(lái)源于碳酸鹽巖的溶解[18]。從圖5(c)可以看出，研究區(qū)豐枯水期地下水取樣點(diǎn)分布于SO42-+Cl-)/γHCO3-=1上下兩側(cè)，且兩側(cè)數(shù)量相當(dāng)，這說(shuō)明研究區(qū)地下水離子來(lái)源與蒸發(fā)鹽巖溶解、碳酸鹽巖溶解都存在一定的關(guān)系。

5) γ(Na+-Cl-)/[γ(Ca2++Mg2+)-γ(SO42-+HCO3-)]

γ(Na+-Cl-)與[γ(Ca2++Mg2+)-γ(SO42-+HCO3-)]之間的比值可以反映出陽(yáng)離子交換作用[19]。從圖5(d)可以看出，研究區(qū)豐水期水樣分布在斜率為-0.413 4的直線周圍，R2=0.477 7；枯水期水樣分布在斜率為-0.436 2直線周圍，R2=0.666 7。豐枯水期水樣的斜率遠(yuǎn)離-1，說(shuō)明研究區(qū)陽(yáng)離子交換作用較弱，也說(shuō)明了Gibbs陽(yáng)離子圖中的水樣點(diǎn)分布集中。

圖5 研究區(qū)地下水離子比值圖Fig. 5 Groundwater ion ratio in the study area

2.4 人為活動(dòng)對(duì)地下水離子組分的影響探討

研究區(qū)礦產(chǎn)豐富，北部山區(qū)及丘陵區(qū)主要有金、建筑用花崗巖、長(zhǎng)石等，中部平原區(qū)主要有煤、耐火粘土、鋁土礦、陶瓷粘土等，南部丘陵區(qū)主要有金、石灰?guī)r、白云巖等，礦產(chǎn)的開(kāi)采和利用會(huì)對(duì)地下水造成一定的影響。采用水樣點(diǎn)的離子比值趨勢(shì)圖[20]對(duì)研究區(qū)地下水進(jìn)行分析，從圖6(a)可以看出，豐枯水期K04取樣點(diǎn)、豐水期K11取樣點(diǎn)以及枯水期K09取樣點(diǎn)γCl-/γNO3-均大于1，這說(shuō)明該地區(qū)受生活污染的影響。為更清楚地看出豐枯水期各取樣點(diǎn)的離子比值關(guān)系，將以上能明顯看出γCl-/γNO3-大于1的點(diǎn)去除，重新繪制離子比值趨勢(shì)圖。從圖6(b)可以看出，豐枯水期取樣點(diǎn)較均勻的分布于γCl-/γNO3-=1軸上下兩側(cè)，說(shuō)明研究區(qū)有一半的取樣點(diǎn)受到生活污染的影響；除豐水期K11外，其余豐枯水期取樣點(diǎn)γCl-/γSO42-值均較小，說(shuō)明研究區(qū)也受到了工業(yè)影響；γSO42-/γNO3-的值較小，說(shuō)明研究區(qū)豐枯水期還受到了農(nóng)業(yè)污染的影響。確定污染源、污染途徑及污染方式，為制定污染防治規(guī)劃、確定污染防治措施提供依據(jù)[21]。

3 結(jié)論

1) 新泰市豐枯水期地下水pH值均呈弱酸性；豐水期TDS值介于285.00～1 550.00 mg·L-1，枯水期TDS值介于265.00～1 610.00 mg·L-1，均處于淡水和微咸水等級(jí)；豐枯水期陽(yáng)離子以Ca2+為主，陰離子以HCO3-和SO42-為主。

圖6 地下水離子含量比值趨勢(shì)圖Fig. 6 Trend diagram of ion content ratio in groundwater

2) 新泰市地下水水化學(xué)類型多樣，豐水期水化學(xué)類型有8種，枯水期水化學(xué)類型有9種，都以HCO3·SO4-Ca型為主，其次為HCO3·SO4-Ca·Mg型。在豐枯水期都出現(xiàn)了較為復(fù)雜的HCO3·SO4·Cl-Ca型，在羊流鎮(zhèn)官橋村附近(L05)枯水期水樣中出現(xiàn)了更為復(fù)雜的HCO3·SO4·Cl-Na·Ca型。

3) 新泰市豐枯水期地下水水化學(xué)特征受到碳酸鹽巖和硅酸鹽巖風(fēng)化溶解的控制，同時(shí)也受到煤層及煤層所夾黃鐵礦的氧化作用影響；人類生活污染、工業(yè)生產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)活動(dòng)也對(duì)地下水水化學(xué)特征造成了影響。