淄河源區(qū)淺層地下水化學(xué)特征及主要離子來(lái)源研究

游 京，齊躍明，邵光宇，馬 超，楊雅琪，裴毅峰

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.上海市地礦工程勘察院，上海 200072；3.山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014)

地下水的化學(xué)成分是地下水與外界環(huán)境長(zhǎng)期相互作用的產(chǎn)物[1]，開展地下水化學(xué)特征及主要成分來(lái)源的研究有助于闡明地下水的來(lái)源與形成過(guò)程，揭示地下水環(huán)境狀況，同時(shí)也為地下水開發(fā)與保護(hù)提供科學(xué)合理的依據(jù)。巖溶地下水是淄博市博山區(qū)石馬鎮(zhèn)主要供水水源，在保障供水、支持社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及維持生態(tài)平衡等方面具有重要地位。近年來(lái)全國(guó)關(guān)于地下水化學(xué)成分及水質(zhì)方面的研究較多，劉偉江等[2]研究表明貴陽(yáng)市地下水水化學(xué)演化主要受水-巖作用的控制，碳酸鹽礦物以及第四系硅酸巖和蒸發(fā)巖的風(fēng)化和溶濾是區(qū)域地下水化學(xué)組分的主要來(lái)源，為貴陽(yáng)市地下水污染治理提供了依據(jù)。王珺瑜等[3]綜合運(yùn)用水化學(xué)和多元統(tǒng)計(jì)方法，分析了濟(jì)南泉域地下水水化學(xué)特征，探討了不同區(qū)域水質(zhì)影響因素及影響強(qiáng)度，結(jié)果表明人類活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤斐闪艘欢ǔ潭鹊奈廴?，?duì)濟(jì)南泉域巖溶水資源開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有十分重要的意義。董維紅等[4]為改善鄂爾多斯盆地地下水水質(zhì)惡化、水污染蔓延發(fā)展等問(wèn)題，采用Schoeller圖和Piper三線圖兩種方法進(jìn)行地下水類型分類，得出鄂爾多斯白堊系地下水盆地地下水化學(xué)類型具有明顯的水平分帶規(guī)律，為深入研究區(qū)域地下水的循環(huán)特征和水動(dòng)力場(chǎng)特征奠定基礎(chǔ)，對(duì)區(qū)域地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用和綜合管理具有指導(dǎo)作用。李貴恒等[5]調(diào)查分析了泰萊盆地地下水水化學(xué)特征及水質(zhì)現(xiàn)狀，結(jié)果表明其水化學(xué)類型以 HCO3·SO4-Ca型水為主；pH值整體呈弱堿性，TDS從大到小順序?yàn)榭紫端?、巖溶水、裂隙水。袁建飛等[6]研究了西昌市南部巖溶地下水系統(tǒng)，得出了該區(qū)域巖溶水、基巖裂隙水和地表水水化學(xué)組分、氫氧同位素和氚同位素特征，并探討了這3類水的成因和溶質(zhì)演化過(guò)程。王廣才，沈照理等[7]運(yùn)用質(zhì)量平衡法研究平頂山礦區(qū)巖溶水的組分，得到了巖溶水化學(xué)成分的特征及形成機(jī)理。齊躍明等[8]通過(guò)中美交流互訪、水資源研究現(xiàn)狀調(diào)查和文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)比研究了中美水資源研究的特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀及展望，為未來(lái)我國(guó)水資源研究和利用決策提供了科學(xué)依據(jù)。Zhou等[9]運(yùn)用K-XAJ耦合模型模擬漓江流域的降雨-徑流過(guò)程，結(jié)果較新安江模型更為準(zhǔn)確。Kalhor等[10]綜述了巖溶地下水中水質(zhì)評(píng)價(jià)方法和修復(fù)技術(shù)，探討了地表水和地下水之間的交互作用，為地下水利用和管理提供了研究基礎(chǔ)。Sappa等[11]基于環(huán)境同位素 (18O、2H)和水化學(xué)調(diào)查技術(shù)，建立了拉丁美洲南部的碳酸鹽巖含水層的水文地質(zhì)概念模型，確定了水流的補(bǔ)徑排條件以及控制地下水演化的化學(xué)作用過(guò)程，為當(dāng)?shù)厮Y源管理和保護(hù)提供了大量水文地球化學(xué)信息，拓展了研究區(qū)所欠缺的水文地球研究。

總體來(lái)說(shuō)，前人對(duì)各自研究區(qū)域的水文地球化學(xué)(如淺層地下水特征、運(yùn)移規(guī)律、水-巖相互作用及地下水污染治理等方面)都做了較好的研究工作，為之后更加深入的研究或者相關(guān)工程實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。然而，對(duì)于淄河源區(qū)來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性、較多組分的巖溶水水化學(xué)組分特征研究工作未見報(bào)道，而這個(gè)工作恰恰對(duì)于源區(qū)的水資源合理開發(fā)利用及當(dāng)?shù)厮h(huán)境、生態(tài)環(huán)境變遷的研究具有較大的理論和實(shí)際意義。

鑒于此，本文在山東省淄博市博山區(qū)石馬鎮(zhèn)謝家店村擬建水源地前期水文地質(zhì)勘查和水質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合淄河源區(qū)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)和水文地質(zhì)條件，通過(guò)采集不同區(qū)域巖溶水樣品，綜合運(yùn)用水文地球化學(xué)(Piper三線圖、離子比例系數(shù)、相關(guān)分析等)分析方法，初步確定區(qū)域地下水化學(xué)特征及主要離子來(lái)源，為之后的巖溶水化學(xué)分區(qū)提供參考，也有助于確定水污染分析背景場(chǎng)，為未來(lái)規(guī)劃應(yīng)急地下水源地、防止水污染以及合理開發(fā)與保護(hù)巖溶地下水提供科學(xué)依據(jù)。

1 淄河源區(qū)概況

1.1 自然地理?xiàng)l件

淄河源區(qū)[12]位于山東省淄博市博山區(qū)南部，北抵萊蕪青石關(guān)村—崮山—源泉鎮(zhèn)一線，東南及南部至博山區(qū)與沂源區(qū)行政邊界，即地表分水嶺，東北部為博山區(qū)與淄川區(qū)行政邊界，西到萊蕪市變質(zhì)巖山區(qū)地表分水嶺(圖1所示)。行政區(qū)劃涉及萊蕪市萊城區(qū)與淄博市博山區(qū)。地理坐標(biāo)：北緯36°15′43″～36°26′58″；東經(jīng)117°48′44″～118°12′44″，面積605 km2。源區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查和水源勘探井工程主要位于博山區(qū)博山鎮(zhèn)的北博山村—謝家店—邀兔崖村一帶，屬溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫12 ℃，平均降水量720.6 mm。地貌類型為周邊中低山，中部為淄河河谷地形。區(qū)內(nèi)地表水主要有石馬水庫(kù)及季節(jié)性河流淄河。淄河西北支流發(fā)源于魯山山脈，西南支流發(fā)源于禹王山麓，兩支流在源泉鎮(zhèn)泉河村匯流，并入淄河主干道，繼續(xù)向北徑流。

1.2 構(gòu)造

自燕山運(yùn)動(dòng)以來(lái)，由于多次構(gòu)造作用的結(jié)果，區(qū)內(nèi)的構(gòu)造行跡主要表現(xiàn)為：斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，褶皺比較少見，特別是張性斷裂發(fā)育廣泛，規(guī)模亦較大。區(qū)內(nèi)較大斷裂主要有青龍山斷裂、龍頭山斷裂、石馬斷裂、盆泉—北博山斷裂、甘泉斷裂等。

1.3 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水的補(bǔ)給幾乎全部來(lái)自于大氣降水，地下水流場(chǎng)形態(tài)由地表地勢(shì)和斷裂構(gòu)造控制，由于北面石馬斷裂為一阻水?dāng)鄬樱叵滤畯搅鞣较蚴怯裳芯繀^(qū)的西南部、南部向淄河河谷方向徑流，淄河斷裂帶(盆泉—北博山斷裂)為該區(qū)地下水的強(qiáng)徑流帶，地下水向淄河河谷方向匯流之后繼續(xù)沿淄河地塹向北東方向徑流。地下水的排泄方式主要有：(1)人工開采；(2)河道排泄；(3)自流井、泉及地下水溢出排泄等。

2 淺層地下水化學(xué)特征

2.1 水樣采集與測(cè)定

2.2 水化學(xué)特征分析

表1 淄河源區(qū)巖溶水水化學(xué)分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

本文采用舒卡列夫分類法[13]得出HCO3·SO4-Ca·Mg型水為研究區(qū)主要水化學(xué)類型，占比為總水樣數(shù)的71.9%，水化學(xué)類型演化總體表現(xiàn)為由HCO3-Ca型水轉(zhuǎn)化為HCO3·SO4-Ca型，再轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3·SO4-Ca·Mg型的過(guò)程。第四系松散巖類孔隙水含水巖組地下水的水化學(xué)類型以HCO3·SO4-Ca·Mg型為主，塊狀巖類風(fēng)化裂隙水以HCO3·SO4-Ca型為主，碳酸鹽巖巖溶裂隙水以HCO3·SO4-Ca·Mg型為主。本文將不同類型水質(zhì)成分分別投影到Piper三線圖(圖2)中，可以發(fā)現(xiàn)3種地下水類型基本相似，主體區(qū)分為HCO3·SO4-Ca·Mg型和HCO3·SO4-Ca型水，結(jié)合研究區(qū)大型斷裂構(gòu)造較多的情況，本文推測(cè)該地區(qū)各個(gè)含水層之間存在著較好的水力聯(lián)系。

圖2 研究區(qū)巖溶地下水水化學(xué)Piper圖

3 主要離子來(lái)源分析

3.1 離子濃度比值分析

圖3 研究區(qū)地下水離子濃度比值

碳酸鹽巖與硫酸鹽巖溶解化學(xué)反應(yīng)式如式(1)、式(2)所示：

(1)

(2)

3.2 相關(guān)性分析

地下水化學(xué)成分由于形成來(lái)源、流動(dòng)途徑、沿途所發(fā)生的各種水文地球化學(xué)作用等的差異，而有較大差異。而同一來(lái)源、流動(dòng)途徑相似、水化學(xué)作用相似的地下水則往往具有相似的水化學(xué)成分特征。根據(jù)這一特點(diǎn)，我們可通過(guò)地下水化學(xué)成分之間的相關(guān)性分析推斷地下水在補(bǔ)給來(lái)源、流動(dòng)途徑或水文地球化學(xué)作用等方面的差異性。本文運(yùn)用SPSS軟件計(jì)算了研究區(qū)地下水11項(xiàng)水化學(xué)指標(biāo)間的Pearson相關(guān)系數(shù)[18]，并在0.05的顯著水平上對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性雙尾檢驗(yàn)，得到相關(guān)矩陣如表2所示。

表2 巖溶水各水化學(xué)組分間的相關(guān)系數(shù)

相關(guān)性檢驗(yàn)時(shí)，通常認(rèn)為：相關(guān)系數(shù)r=0時(shí)，表示無(wú)相關(guān)性；0 < |r| < 0.4，表示低度線性相關(guān)；0.4 < |r| < 0.7時(shí)，表示顯著線性相關(guān)；0.7 < |r| < 1，表示高度線性相關(guān)；|r|=1，表示完全相關(guān)[19]。

4 結(jié)論

3)地下水水質(zhì)類型和低TDS值表明，研究區(qū)地下水溶濾作用強(qiáng)烈，淺層地下水水質(zhì)主要與地下水流動(dòng)條件及碳酸鹽巖裸露或淺埋藏有關(guān)。區(qū)域地下水水質(zhì)較好，源區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)較好，滿足建設(shè)應(yīng)急水源地的基本水質(zhì)條件。

5 討論

1)由于現(xiàn)實(shí)原因，第四系松散巖類孔隙含水層和塊狀巖類風(fēng)化裂隙含水層所取得的水樣偏少，使得兩含水層在水化學(xué)特征分析結(jié)果中代表性可能不足。并且由于打一口基巖井成本高，采樣點(diǎn)選取需依賴當(dāng)?shù)乜碧骄兔裼镁畞?lái)進(jìn)行取水工作，難以在空間上實(shí)現(xiàn)理論上的均勻布置，研究區(qū)東北、東南、南及西南端的水樣與巖樣數(shù)據(jù)缺乏，在條件允許的基礎(chǔ)上，今后將加大東北及東南區(qū)域的水質(zhì)水樣的搜集工作。另一方面，還可在區(qū)域同位素分析、特征微量元素分析上展開進(jìn)一步的研究工作，以從多角度認(rèn)識(shí)區(qū)域地下水化學(xué)特征，全面展現(xiàn)研究區(qū)地下水環(huán)境的真實(shí)面貌。

2)大采樣時(shí)間還可考慮增加不同時(shí)間(如枯水期與豐水期，夏季與冬季)的水樣采取工作，以便進(jìn)行對(duì)比分析，分析地下水化學(xué)演化的控制因素。另一方面，在地下水合理利用方面應(yīng)該考慮該區(qū)域雨季和旱季分明、淄河源區(qū)巖溶地下水庫(kù)容較大的特點(diǎn)，利用補(bǔ)償疏干法等來(lái)評(píng)價(jià)當(dāng)?shù)氐乃Y源量，更好地改善當(dāng)?shù)氐乃Y源開發(fā)利用問(wèn)題。