大汶河流域上游典型剖面地下水水化學(xué)特征及其影響因素分析

何雪琴, 高宗軍*, 何 錦, 李 偉, 鄧啟軍

(1.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266590；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，保定 071051)

河流是地球上水文地球化學(xué)循環(huán)的重要途徑，河流體系匯集了流域內(nèi)地下水中物質(zhì)組成特征[1-3]，研究其體系的水化學(xué)特征極其演化規(guī)律，可以了解區(qū)域離子時空分布特點及來源、風(fēng)化成因及人為影響等情況，以此更能科學(xué)有效地指導(dǎo)水資源的分配。自20世紀50年代，中外相關(guān)學(xué)者就開始進行流域水化學(xué)研究。Naicker等[4]對南非Berg河流域Sandspruit支流進行了環(huán)境同位素和水化學(xué)特征的研究，得出地下咸水是由于水分蒸發(fā)、鹽分溶解和地下水混合作用所致，總?cè)芙夤腆w(total dissolved solids，TDS)的變化隨季節(jié)性和地下水流方向變化；馬丹等[5]研究拉薩河羊八井剖面水化學(xué)特征，得出離子成分主要溶濾、陽離子交替吸附作用、脫炭酸作用影響；朱譜成等[6]對黃河中游支流流域-悖牛川地區(qū)展開水化學(xué)研究，結(jié)果表明溶濾作用是控制區(qū)域地下水化學(xué)組分形成的主要作用，地下水化學(xué)組分來源于碳酸鹽、鋁硅酸鹽和蒸發(fā)巖的溶解；趙新鋒等[7]研究了珠江三角洲閉合型小流域，得出水化學(xué)演化規(guī)律主要受到三種作用控制，分別為風(fēng)化-溶濾作用、離子交換作用及海陸交互作用。

大汶河起源于山東省中部的淄博市沂源縣沙崖子村，是黃河最末一條大支流，也是中國南水北調(diào)東線工程的重要水源。其流域內(nèi)支流眾多，水利工程密布，人口密度大，工(特別是采礦業(yè))農(nóng)業(yè)等社會經(jīng)濟較為發(fā)達。近年來，隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展的不斷加快、流域水資源配置不均衡、水體污染嚴重、地下水開采程度過高，這無疑對水環(huán)境形成了嚴重的威脅[8-10]。因此對目標區(qū)域流域進行相關(guān)水化學(xué)研究工作能夠查明其補給或污染來源，合理有效的開發(fā)利用水資源。截至目前，對大汶河流域水化學(xué)特征做系統(tǒng)研究較少。陳晨等[11]通過對大汶河流域泰來盆地水化學(xué)特征分析，重點討論硫酸根離子的來源，分析得出硫酸根離子來源不僅是石膏等硫酸鹽礦物的溶解，還存在其他來源；周樂等[12]重點研究古近系含水巖組水文地質(zhì)特征，結(jié)果總結(jié)出三種地下水富集規(guī)律?；诖?，選取大汶河流域上游兩個典型剖面，并沿著剖面線采集水化學(xué)不同類型水化學(xué)樣品，利用數(shù)理統(tǒng)計分析法、離子比例法和同位素分析等方法展開系統(tǒng)研究，重點分析大汶河流域地下水化學(xué)特征及補給來源，以期對大汶河流域內(nèi)地下水資源的規(guī)劃及水污染的防治提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省中部，地理坐標在東經(jīng)116°11′15″～118°0′0″，北緯35°37′30″～36°32′30″。東邊以魯山為界，南以蒙山支脈并與沂河、泗河相鄰，西入東平湖與黃河相連，北以泰山山脈并與小清河及北大沙河兩條河流作為分支，流域東西跨度175 km，總的流域面積為 9 069 km2。研究區(qū)屬華北地層大區(qū)，晉冀魯?shù)貙訁^(qū)，魯西地層分區(qū)。區(qū)內(nèi)地層發(fā)育有太古界前震旦紀泰山巖群變質(zhì)巖，下古生界寒武紀、奧陶紀碳酸鹽巖、頁巖，石炭-二疊紀煤系地層，中生界侏羅紀、白堊紀砂巖，新生界古近紀、新近紀砂巖、礫巖、泥巖、泥灰?guī)r、黏土巖及第四紀松散巖等。從水文地質(zhì)區(qū)域劃分來看，研究區(qū)是以碳酸鹽巖類為主的水文地質(zhì)區(qū)[13]。大汶河流域地處中緯度帶，氣候類型為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，據(jù)統(tǒng)計觀測多年來平均降雨量為(700±20) mm，平均氣溫為12～14 ℃。

為總結(jié)分析大汶河流域水文地球化學(xué)特征，明確其物質(zhì)來源，沿區(qū)域地下水流方向，選擇了兩條典型剖面線進行分析，其中A-A′為田家林-小古城剖面，B-B′為南方下-北王莊剖面(圖1、圖2)。

圖1 研究區(qū)采樣點位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling point location in study area

圖2 研究區(qū)典型剖面水文地質(zhì)圖Fig.2 Hydrogeological map of typical sections in the study area

2 數(shù)據(jù)來源及方法

2.1 樣品采集與分析

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

在使用實驗室測試后所取得的水化學(xué)數(shù)據(jù)進行分析之前，首先需要對采集的水樣數(shù)據(jù)進行可靠性檢驗，這樣才能使得解釋的水文地球地球化學(xué)問題才更加科學(xué)與合理。采用陰陽離子平衡檢驗法，運用電中性方程檢驗地下水化學(xué)分析中常規(guī)離子電荷平衡的誤差，陰陽離子電荷平衡誤差在5%以內(nèi)。然后利用Aq·QA軟件繪制Piper三線圖，對剖面進行簡單水化學(xué)分類，同時利用SPSS 20.0軟件進行聚類分析，放在所繪制的三線圖里，通過對比驗證說明樣品所屬水化學(xué)類別及相關(guān)性。而離子比圖、氫氧同位素等圖件繪制采用Excel 2010軟件，進一步分析地下水中主要的離子來源及補給來源。同時選取兩條剖面進行分析驗證，使結(jié)果更加真實，具有說服力。

3 結(jié)果分析

3.1 水化學(xué)組分特征及水化學(xué)類型

3.1.1 水化學(xué)組成特征

表1 研究區(qū)水樣水化學(xué)主要離子含量統(tǒng)計Table 1 Statistics of main ionic content in water chemistry of water samples in the study area

3.1.2 水化學(xué)類型

圖3 地下水Piper三線圖及聚類樹狀圖Fig.3 Piper three-line map and cluster tree map of groundwater

3.1.3 pH及TDS時空分布特征

pH和TDS兩個指標的分析是了解該地區(qū)水化學(xué)特征最快捷和有效的方法[16]。由圖4可知，A-A′ 剖面pH為6.6～8，均值為7.33，B-B′剖面pH為7.4～8.1，均值為7.6，pH變化幅度不大，偏弱堿性。同時兩個剖面除個別水樣，TDS基本小于1 g/L，屬于低礦化度水，說明其徑流條件較好。從A-A′剖面TDS變化圖可知，巖溶水南部補給-徑流區(qū)隨著地勢逐漸降低，沿流向隨著路徑的增加，地下水中溶解的物質(zhì)越多，Y02～Y06中TDS含量明顯呈遞進式升高，在南劉家莊TDS含量最高，為771 mg/L。而北部補給-徑流區(qū)地下水中TDS含量較高，為330～990 mg/L，其中孔隙水除K12外，其TDS沿地下水流向逐漸增高，可能形成區(qū)域性水流。中部排泄區(qū)主要位于萊蕪盆地中部，以河流排泄為主，此處地下水中TDS含量最高，在大汶河處達到最大為 1 200 mg/L。

圖4 研究區(qū)TDS與pH變化Fig.4 TDS and pH changes in the study area

3.2 主要水化學(xué)組分影響因素分析

3.2.1 離子比例關(guān)系及主要來源分析

由于水體中離子主要來源于大氣降水、巖石風(fēng)化溶解和人類活動影響，一些離子的比例系數(shù)也會存在較為明顯的變化，所以一般用水體中各種離子的比值來反推其來源[17-19]。地下水中的K+、Na+一般主要源自于大氣降水和巖鹽蒸發(fā)溶解。在沒有受到人類活動的影響下，巖鹽溶解是Na+和Cl-的主要來源，而且其離子比值應(yīng)該位于1∶1等量線附近。從圖5可以看出，兩個剖面大部分水樣點位于Na+∶Cl-=1∶1線附近，說明離子來源于大氣降水和巖鹽溶解。而巖溶水樣Y03位于1∶1線上方，說明Na+含量較高，可能來自硅酸鹽的風(fēng)化溶解。而部分孔隙水樣偏離1∶1等量線，位于線下方，說明可能還有其他來源，經(jīng)上文分析，兩個孔隙水可能因為研究區(qū)第四系松散沉積物中含有黏土礦物，黏土礦物中的Na+可能與Ca2+發(fā)生交換作用。通常氯堿指數(shù)(CAI)[20]的變化用來判別地下水中是否發(fā)生離子交換作用[21]。若發(fā)生正向Ca-Na交換，則兩個指數(shù)均小于零；當發(fā)生反向Na-Ca交換時，兩個指數(shù)均為大于零。

圖5 地下水中離子關(guān)系Fig.5 Ion relationship in groundwater

CAI1=[c(Cl-)-c(Na++K+)]/c(Cl-)

(1)

(2)

圖6 地下水中相關(guān)離子比值關(guān)系Fig.6 Relationship between relevant ion ratio in groundwater

3.2.2 地下水補給來源分析

氫氧穩(wěn)定同位素方法常用來判斷地下水的補給來源[24]。根據(jù)補給路徑可以將圖大致分為A、B兩個區(qū)域，兩個區(qū)域δD、δ18O變化范圍較大，表明地下水有不同補給的來源。從δD、δ18O關(guān)系圖7中，并對比全球大氣降水線(global meteoric water line，GMWL)[25]和當?shù)卮髿饨邓€(regional meteoric precipitation line，LMWL)[26]，如圖7所示，兩剖面水樣點都位于降水線附近，并偏離降水線位置右下方，這表明降水在補給地下水過程中存在一定的蒸發(fā)。這與周樂等[12]研究結(jié)論一致，但在此基礎(chǔ)上可以進一步分析得出A區(qū)域三個巖溶水樣點分布較集中，與地表水距離較遠，孔隙水距離較近，補給來源為大氣降水和孔隙水的入滲補給，Y03位于硅酸鹽作用控制區(qū)，水樣δD、δ18O 較低，地下水循環(huán)深度較大，經(jīng)歷了充分地水巖作用。地表水與孔隙水氫氧同位素特征相似，并且δD為-60‰～-50‰，δ18O為-6‰～-4‰，說明其受到了當?shù)亟邓握舭l(fā)補給的影響。也就是說孔隙水和地表水受到大氣降水補給并經(jīng)歷了一定的蒸發(fā)作用，而巖溶水主要是受到深部斷裂帶循環(huán)水和淺部孔隙水混合補給而成。

圖7 研究區(qū)典型剖面δD和δ18O的散點關(guān)系圖Fig.7 Scatter diagram of typical sections of δD and δ18O in the research area

4 結(jié)論

(3)流域巖溶水樣除Y03位于斷裂帶附近的深部巖溶水，受硅酸鹽風(fēng)化控制的影響，其他水樣受碳酸鹽風(fēng)化控制，孔隙水還受到陽離子交換作用。

(4)根據(jù)流域地下水氫氧穩(wěn)定同位素測試數(shù)據(jù)分布顯示，說明大氣降水在入滲補給地下水過程中，蒸發(fā)作用對其產(chǎn)生了一定的影響。地表水與孔隙水氫氧同位素特征相似，并且δD為-60‰～-50‰，δ18O為-6‰～-4‰，說明孔隙水和地表水受到大氣降水補給并經(jīng)歷了一定的蒸發(fā)作用，而巖溶水主要是受到深部斷裂帶循環(huán)水和淺部孔隙水混合補給而成。