三姑泉域巖溶地下水水化學(xué)特征及形成演化機(jī)制

張春潮，侯新偉，李向全，王振興，桂春雷，左雪峰

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；3.自然資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050061）

世界上約有1/4人口在利用巖溶地下水資源，其對人類生活和社會發(fā)展的重要性不言而喻[1-2]。由于巖溶地區(qū)具有特殊的地表、地下二元結(jié)構(gòu)體系，地表水和污染物極易通過裂隙發(fā)育段、巖溶天窗、落水洞等裂隙、管道直接進(jìn)入巖溶地下水中，地下水水質(zhì)迅速惡化[3-5]。水質(zhì)型缺水已是制約巖溶區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保障飲用水安全的重大問題之一[6]。

區(qū)域地下水水化學(xué)特征反映了地下水的演化特征、地質(zhì)及水文地質(zhì)背景和影響因素，是水文地質(zhì)及水文地球化學(xué)研究的主要內(nèi)容[7-10]。然而，地下水水化學(xué)組成的形成演化除受地質(zhì)特性及水文地質(zhì)條件等自然因素控制外，對人類活動的響應(yīng)也是快速且敏感的[11-13]。如何識別影響和控制地下水水化學(xué)組分的主要因素、區(qū)分自然因素和人為因素的影響，是水文地球化學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[14-15]。

三姑泉域位于山西省東南部，是晉東煤炭基地晉城礦區(qū)分布區(qū)，巖溶水是當(dāng)?shù)鼐用裆詈兔禾抗I(yè)發(fā)展的重要水源。受采煤活動、城鎮(zhèn)生活污水及化工企業(yè)污水排放的影響，區(qū)域巖溶地下水環(huán)境已發(fā)生不同程度的惡化。前人研究主要集中在三姑泉域水環(huán)境質(zhì)量評價(jià)、地下水資源評價(jià)、煤炭開采對地下水環(huán)境的影響[16-20]，缺乏區(qū)域上水化學(xué)特征及形成演化機(jī)制的系統(tǒng)研究。本文以此為背景，選取三姑泉域巖溶地下水為研究對象，采用統(tǒng)計(jì)分析、穩(wěn)定同位素、Piper三線圖、Gibbs模型、離子相關(guān)關(guān)系和因子分析等方法，對區(qū)內(nèi)巖溶地下水補(bǔ)給來源、水化學(xué)特征及形成演化機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究。成果有助于深化理解北方巖溶水水化學(xué)特征及水文地球化學(xué)形成演化機(jī)制，預(yù)測污染物來源，為該區(qū)地下水污染防治及巖溶水資源的合理開發(fā)利用和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省東南部邊緣（圖1），太行山脈的南端，總體地勢是四面高山環(huán)繞，中部地勢低且呈波狀起伏，形成寬闊的山間盆地和丘陵。三姑泉出露于山西省晉城市澤州縣河西鄉(xiāng)孔莊村東北5 km處的丹河河谷西岸，現(xiàn)已被青天河水庫淹沒，泉域面積3 214 km2。區(qū)內(nèi)出露地層有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、第四系。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)簡圖及取樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Simplified hydrogeological map of the study area and location of the sampling points

研究區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫最低值出現(xiàn)在1956年，為9.0℃；最高值出現(xiàn)在1989年，為12.8℃。晉城近50年氣溫呈上升趨勢，1986年以后，氣溫增溫明顯。近50年來，晉城市降水量總體呈下降趨勢，多年平均降雨量為593.66 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 633.95 mm[21]。

區(qū)內(nèi)水系分屬于黃河流域和海河流域，以丹株嶺、金泉山為界，北部為海河流域，南部為黃河流域，以丹河水系為主，海河流域的漳河水系僅分布在工作區(qū)的北部邊緣地帶。區(qū)內(nèi)最大的河流為丹河，是沁河的一級支流。丹河主要支流有東倉河、許河、東大河、巴公河、東丹河和白水河。

碳酸鹽巖類巖溶水是研究區(qū)最主要的地下水資源，奧陶系中統(tǒng)馬家溝組和寒武系中統(tǒng)張夏組為主要含水層，奧陶系下統(tǒng)和寒武系上統(tǒng)為相對隔水層（圖2）。巖溶水在泉域的北部、東部灰?guī)r裸露、半裸露區(qū)直接接受大氣降水入滲補(bǔ)給，在灰?guī)r分布區(qū)的河谷和水庫區(qū)接受地表水體的滲漏補(bǔ)給，在覆蓋和埋藏區(qū)接受上覆含水層的越流補(bǔ)給；地下水自北東向南西運(yùn)動；最后以泉、人工開采和潛流的方式排泄。根據(jù)區(qū)域構(gòu)造和水文地質(zhì)條件，三姑泉域可以進(jìn)一步劃分為三個子系統(tǒng)：東丹河子系統(tǒng)（Ⅰ）、任莊子系統(tǒng)（Ⅱ）、高平—晉城子系統(tǒng)（Ⅲ）[21]。

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面（A-A’剖面）Fig.2 Hydrogeological profile(along line A-A’ in Fig.1) of the study area

2 樣品測試與研究方法

2015年5月—2016年11月，在研究區(qū)采取巖溶地下水樣共125 個。其中高平—晉城子系統(tǒng)地下水樣69 個樣品，主要分布在泉域西部高平市—巴公鎮(zhèn)—晉城市一帶，以機(jī)民井點(diǎn)為主，采樣深度為195～620 m，由北向南采樣深度逐漸減小，取水層位主要為奧陶系馬家溝組；任莊子系統(tǒng)地下水樣41 個樣品，主要分布于泉域中部陵川縣—任莊水庫—郭壁泉一帶，以泉點(diǎn)和機(jī)民井點(diǎn)為主，井點(diǎn)采樣深度為34～500 m，東北部泉域邊緣的地下水位埋深相對較大，取水層位主要為奧陶系馬家溝組，排泄帶部分為寒武系張夏組地層；東丹河子系統(tǒng)15 個樣品，分布于泉域東部路城鎮(zhèn)—臺北村—三姑泉一帶，以泉點(diǎn)和機(jī)民井點(diǎn)為主，井點(diǎn)采樣深度為80～295 m，北部補(bǔ)給區(qū)含水層主要為奧陶系馬家溝組，南部排泄帶含水層主要為寒武系張夏組。樣品用于常量組分和微量組分測試，采樣點(diǎn)分布圖見圖1。巖溶地下水樣品中，選取105組進(jìn)行氫氧同位素（δD、δ18O）測試，地表水14組，大氣降雨14組用于當(dāng)?shù)卮髿饨涤昃€分析。采樣瓶選用500 mL聚乙烯棕色瓶，采樣前分別用蒸餾水和水樣潤洗3 次，水樣采用0.45 μm的濾膜過濾，一份加入純HNO3至pH值小于2，用于陽離子分析；另外兩份不做任何處理，用于氫氧穩(wěn)定同位素和陰離子測試。

水樣的溫度、pH值、電導(dǎo)率（Ec）、溶解性總固體（TDS）等易變性指標(biāo)采用便攜式HANNA多參數(shù)水質(zhì)測試儀，堿度在24 h內(nèi)滴定。其他離子指標(biāo)和氫氧同位素送至中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所地下水與礦泉水監(jiān)測中心進(jìn)行測試。測試水樣陰陽離子電荷平衡誤差均在5%以內(nèi)，氫同位素和氧同位素測定儀器的誤差分別為±2‰和±0.1‰。

采用SPSS 21統(tǒng)計(jì)分析軟件，對離子組分的極大值、極小值、平均值和變異系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；選取巖溶水主要水化學(xué)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析；借助PHREEQC軟件對巖溶水中方解石、白云石、石膏、硬石膏等礦物飽和指數(shù)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果分析

采集的巖溶地下水和地表水樣品水化學(xué)統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 巖溶水和地表水水化學(xué)參數(shù)Table 1 Statistical parameters of the dissolved chemical components of karst groundwater and surface water

3.1 主要離子組分特征

巖溶地下水pH值為7.08～8.57，整體上屬于中—弱堿性水。TDS及總硬度變化范圍較大，分別為218.7～2 781 mg/L和175.1～1 324 mg/L，均值分別為751.21 mg/L和474.34 mg/L屬低TDS軟水—高TDS硬水。TDS均值顯著高于世界平均值100 mg/L，顯示了三姑泉域巖溶地下水劇烈的水-巖作用。對于三個巖溶水子系統(tǒng)而言，東丹河子系統(tǒng)（Ⅰ）與任莊子系統(tǒng)（Ⅱ）和晉城—高平子系統(tǒng)（Ⅲ）相比，存在明顯差異。子系統(tǒng)Ⅰ的TDS、總硬度和其他離子組分與子系統(tǒng)Ⅱ和Ⅲ相比明顯較小，TDS為218.7～510.2 mg/L，總硬度為175.1～431.9 mg/L，為低TDS軟水。子系統(tǒng)Ⅱ和Ⅲ的水化學(xué)統(tǒng)計(jì)參數(shù)分布范圍及均值較為相近。

巖溶地下水特征陽離子主要為Ca2+，含量為49.37～455 mg/L，均值為132.88 mg/L；其次為Na+，含量為3.32～304 mg/L，均值為51.72 mg/L。特征陰離子主要為，含量為146～441.1 mg/L，均值為299.8 mg/L；其次為，含量為21.86～1 731 mg/L，均值為269.23 mg/L。子系統(tǒng)Ⅰ的Na+、Cl?、組分均值與子系統(tǒng)Ⅱ、Ⅲ存在明顯差異，子系統(tǒng)Ⅱ、Ⅲ的Na+是子系統(tǒng)Ⅰ的9.3倍和7.1倍；Cl?分別為2.2倍和3.1倍；分別為5.1倍和6.5倍。其他離子組分無明顯差異。

變異系數(shù)（Cv）可說明地下水化學(xué)組分形成及演化的影響因素復(fù)雜程度，通常Cv≥1，為強(qiáng)變異性；0.1＜Cv＜1，為中等變異性；Cv≤0.1，為弱變異性。巖溶地下水各統(tǒng)計(jì)參數(shù)中和耗氧量為強(qiáng)變異性，pH值為弱變異性，其他離子組分屬中等變異性。

3.2 水化學(xué)類型

將巖溶地下水和地表水投影至Piper三線圖[22-23]，其中巖溶地下水按照子系統(tǒng)分別進(jìn)行投影，結(jié)果見圖3。

子系統(tǒng)Ⅰ巖溶水與Ⅱ、Ⅲ在Piper圖中具有明顯不同的分布格局。子系統(tǒng)Ⅰ巖溶水點(diǎn)集中分布在菱形左部，子系統(tǒng)Ⅱ、Ⅲ巖溶水點(diǎn)則相對比較分散，分布于菱形上半部。地表水與子系統(tǒng)Ⅱ、Ⅲ的巖溶水有相似的分布特征。

子系統(tǒng)Ⅰ巖溶水的水化學(xué)類型主要為HCO3—Ca（Mg）型，占比73%；其次為HCO3·SO4—Ca·Mg型，占比為27%。子系統(tǒng)Ⅱ巖溶水的水化學(xué)類型主要為HCO3·SO4—Ca·Mg型（36%），其次為SO4·HCO3—Na·Ca型（24%）和HCO3—Ca·Mg型（24%），部分巖溶水為SO4—Ca·Na型和SO4·HCO3—Ca·Na型。子系統(tǒng)Ⅲ巖溶水的水化學(xué)類型主要為SO4·HCO3—Ca型（45%），其次為HCO3·SO4—Ca·Mg型（40%），部分巖溶水為HCO3—Ca·Mg型、SO4—Ca·Na型 和SO4·HCO3—Na·Ca型。

地表水的水化學(xué)類型相對比較復(fù)雜，HCO3·SO4型水占比為29%；SO4型水占比達(dá)71%，主要為SO4·HCO3—Ca·Na型、SO4·HCO3—Ca·Mg型，部分為SO4·HCO3·Cl—Ca·Na型、SO4—Ca·Mg型 和SO4·Cl·HCO3—Ca·Na型，說明地表水已受到不同程度的污染。

4 討論

4.1 巖溶水補(bǔ)給來源

圖3 巖溶水及地表水Piper三線圖Fig.3 Piper diagram of the karst groundwater in subsystems and surface water

氫氧同位素廣泛應(yīng)用于地下水補(bǔ)給來源示蹤、不同水體混合比例及地下水循環(huán)特征等研究中[22]。不同水體的氫氧同位素值分布見圖4。

全球大氣降雨線為y=8x+10，當(dāng)?shù)赜晁€為y=8.42x+13.35。巖溶水趨勢線為y=6.12x?11.59，其斜率和截距均小于全球和當(dāng)?shù)亟涤昃€。這是由于降雨過程中的蒸發(fā)作用產(chǎn)生氫氧同位素的不平衡分餾，進(jìn)而造成氫氧同位素的富集。研究區(qū)空氣干燥，年平均蒸發(fā)量為降雨量的3倍左右，蒸發(fā)作用較為強(qiáng)烈，導(dǎo)致其斜率和截距相對較低。

圖4 不同水體δD-δ18O關(guān)系Fig.4 Plot of δD-δ18Oof the water samples

區(qū)內(nèi)巖溶水δD值為?77‰～?42‰，δ18O值為?10.6‰～?4.5‰；地表水的δD值為?70‰～?42‰，δ18O值為?9.1‰～?3.9‰。巖溶水點(diǎn)分布與大氣降雨線趨勢一致，說明大氣降水是巖溶水的主要補(bǔ)給來源。巖溶水氫氧同位素特征明顯，Ⅰ組巖溶水主要為淺部和表層巖溶水，直接接受大氣降雨入滲和地表水滲漏補(bǔ)給，循環(huán)路徑短，水位埋藏淺，蒸發(fā)作用較強(qiáng)，出現(xiàn)明顯的氧漂移現(xiàn)象。Ⅱ組巖溶水主要分布在徑流區(qū)，氫氧同位素較為貧乏，循環(huán)緩慢且路徑較長；排泄區(qū)泉點(diǎn)也分布在該區(qū)，這是因?yàn)榕判箙^(qū)為大面積碳酸鹽巖裸露區(qū)，在泉點(diǎn)排泄周邊接受大氣降水入滲的直接補(bǔ)給；該區(qū)分布有地表水點(diǎn)，與Ⅰ組不同，代表了河流下游巖溶水向地表水排泄的過程，使得地表水表現(xiàn)出與該區(qū)巖溶水同位素一致的特征。Ⅲ組巖溶水主要分布在深埋滯緩區(qū)，位于泉域北部及西北部，上覆厚層石炭、二疊系地層，地下水位埋藏深，徑流滯緩，氫氧同位素最為貧乏。

4.2 Gibbs模型

Gibbs模型能夠清楚地表示地下水中各種離子的大氣輸入、水-巖作用及蒸發(fā)濃縮效應(yīng)等起源機(jī)制和變化的趨勢過程[23-24]。該模型將天然水化學(xué)組分的控制因素分為三類：降雨控制型、水-巖作用型和蒸發(fā)濃縮作用型。

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)巖溶地下水的Gibbs圖（圖5），子系統(tǒng)Ⅰ的全部水點(diǎn)和子系統(tǒng)Ⅱ、Ⅲ的大部分巖溶水點(diǎn)落在Gibbs模型內(nèi)部及水-巖作用控制區(qū)，說明區(qū)內(nèi)巖溶地下水水化學(xué)組分主要受控于水-巖相互作用；子系統(tǒng)Ⅱ、Ⅲ的小部分水樣點(diǎn)落在蒸發(fā)作用控制區(qū)，說明蒸發(fā)濃縮作用對地下水化學(xué)組分有一定的控制作用，這部分水點(diǎn)主要為淺層及表層巖溶水。大部分水樣點(diǎn)的和c(Na+)/c(Na++Ca2+)值小于0.5，說明總體上巖溶水的相對于c(Cl?)，c(Ca2+)相對于c(Na+)占有優(yōu)勢。隨著c(Na+)/c(Na++Ca2+)值的增加，TDS含量無明顯差異，這可能是因?yàn)榇嬖陉栯x子交換作用，因?yàn)? mmol/L的Ca2+（40 mg/L）與2 mmol/L的Na+（46 mg/L）交換，其質(zhì)量濃度不會發(fā)生明顯變化。

圖5 研究區(qū)巖溶地下水Gibbs圖Fig.5 Gibbs diagram of the karst groundwater in study area

4.3 陽離子交換作用

圖6所示，巖溶地下水點(diǎn)分布于斜率大致為?1的直線兩側(cè)，表明了剩余Na+與Ca2+和Mg2+之間呈負(fù)相關(guān)，即隨著γ(Na+?Cl?)的增加而減小，指示了在地下水流過程中，Ca2+和Mg2+與吸附于巖石表面的Na+發(fā)生交換作用，Ca2+和Mg2+發(fā)生沉淀導(dǎo)致剩余量減小。

4.4 礦物溶解作用

巖溶含水層中方解石、白云石、石膏的溶解方程為：

圖6 巖溶水γ[(Ca2++Mg2+)?()]和γ(Na+?Cl?)關(guān)系Fig.6 Relationshipbetween γ[(Ca2++Mg2+)?()]and γ(Na+?Cl?)ofthe karst groundwater

方解石和白云石共同溶解方程為：

當(dāng)巖溶地下水水化學(xué)組分受控于碳酸鹽巖和石膏共同溶解時，地下水點(diǎn)的和γ(Ca2++Mg2+)摩爾濃度比應(yīng)接近1∶1關(guān)系線。由圖7（a）可以看出，巖溶水點(diǎn)沿1∶1關(guān)系線分布，說明巖溶水中的Ca2+、Mg2+、和組分的來源主要為碳酸鹽巖和石膏礦物的溶解。但大部分巖溶水點(diǎn)位于1∶1線的右下方，說明尚有其他礦物的溶解導(dǎo)致相對于γ(Ca2++Mg2+)過剩。由圖7（b）可以看出，子系統(tǒng)Ⅰ巖溶水點(diǎn)大致沿1∶2關(guān)系線分布，說明子系統(tǒng)Ⅰ巖溶水方解石為主要溶解礦物。子系統(tǒng)Ⅱ和Ⅲ的巖溶水點(diǎn)一部分分布在1∶2和1∶4關(guān)系線之間，指示了方解石和白云石礦物的共同溶解；一部分分布于1∶4關(guān)系線的下部，其形成過程可能存在兩個方面的原因，一是導(dǎo)致Ca2+濃度減小的過程，如碳酸鹽巖礦物的沉淀或陽離子交換作用，使得偏??；二是除石膏等硫酸鹽礦物溶解外，還存在有其他的來源，使得偏小。圖7（c）表明非碳酸鹽巖來源的Ca2+與的關(guān)系，可以看出，子系統(tǒng)Ⅰ基本沿1∶1關(guān)系線分布，表明硫酸鹽礦物的溶解作用。子系統(tǒng)Ⅱ和Ⅲ的大部分巖溶水點(diǎn)分布于1∶1關(guān)系線的右下方，說明有其他來源供給。圖7（d）中，子系統(tǒng)Ⅰ巖溶水和子系統(tǒng)Ⅱ、Ⅲ的部分巖溶水，其Cl?與Na+大致沿1∶1關(guān)系線分布，指示了巖鹽礦物的溶解作用；子系統(tǒng)Ⅱ、Ⅲ的其他巖溶水點(diǎn)多分布于1∶1關(guān)系線的上方，Na+摩爾濃度顯著高于Cl?，說明對于子系統(tǒng)Ⅱ、Ⅲ而言，除巖鹽礦物溶解外，還存在有其他來源供給了相當(dāng)一部分量的Na+。

4.5 礦物飽和指數(shù)

礦物飽和指數(shù)反映了礦物在地下水中的溶解/沉淀趨勢。方解石、白云石、石膏、硬石膏、巖鹽和螢石的飽和指數(shù)見圖8。各子系統(tǒng)巖溶水中方解石和白云石礦物接近飽和狀態(tài)，僅子系統(tǒng)Ⅰ中部分巖溶水白云石未達(dá)到飽和狀態(tài)。其余礦物如石膏、硬石膏、巖鹽和螢石均未達(dá)到飽和狀態(tài)。區(qū)內(nèi)大氣降水pH值為5.65～6.4，TDS為20.35～46.4 mg/L[21]，低TDS的弱酸性雨水在入滲過程中，與碳酸鹽巖迅速反應(yīng)，使得巖溶水中方解石和白云石礦物迅速達(dá)到飽和。

圖7 巖溶水離子組分關(guān)系Fig.7 Relationships between ions in the karst groundwater

圖8 方解石、白云石、石膏、硬石膏、巖鹽、螢石的飽和指數(shù)與TDS相關(guān)關(guān)系Fig.8 Relationships between saturation indices of calcite,dolomite,gypsum,anhydrite,halite and fluorite and TDS

礦物飽和指數(shù)與TDS關(guān)系表明，區(qū)內(nèi)巖溶水中的方解石、白云石的飽和指數(shù)與TDS無明顯相關(guān)性；石膏、硬石膏和巖鹽礦物的飽和指數(shù)與TDS具有較好的相關(guān)性，呈指數(shù)正相關(guān)；螢石與TDS具有一定的正相關(guān)關(guān)系。說明了巖溶地下水鹽度的升高主要受控于石膏、硬石膏和巖鹽礦物的溶解作用。

4.6 因子分析

為了解區(qū)域上巖溶地下水化學(xué)形成演化機(jī)制，對研究區(qū)內(nèi)的125個樣品，選取總硬度、TDS、pH、Ca2+、、SI-CaCO3、SI-CaMg(CO3)2、SI-CaSO4·2H2O、SI-CaSO4、SI-NaCl、SI-CaF2指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，經(jīng)KMO度量及Bartlett球型度檢驗(yàn)，滿足因子分析的要求，并選取特征值大于1的為主因子。本次共提取出了4個主因子，其累積貢獻(xiàn)率達(dá)82.729%（表2），即4個主因子可對82.729%的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，能夠反映樣本數(shù)據(jù)的基本信息。對每個主因子敘述如下：

第一主因子F1的貢獻(xiàn)率為46.721%，其中總硬度、TDS、Ca2+、、SI-CaSO4·2H2O、SI-CaSO4表現(xiàn)出較高的載荷，與F1呈正相關(guān)。F1得分高值點(diǎn)主要分布在泉域西北部、晉城市北義城鎮(zhèn)以北，為巖溶水徑流區(qū)及深埋滯緩區(qū)。F1表征了巖溶水較為充分的水-巖作用，主要是石膏及硬石膏礦物的溶解。此外，該區(qū)為采煤活動較為強(qiáng)烈的地區(qū)，除硫酸鹽礦物溶解外，的其他來源主要有兩方面：一是采煤活動導(dǎo)致煤系地層中的含硫礦物氧化溶解而產(chǎn)生；二是采煤過程中礦坑水疏排至地表水中，并滲漏段補(bǔ)給至巖溶水中。地表水中含量均值為281.55 mg/L，最大為850.50 mg/L，因此地表水對的輸入貢獻(xiàn)不容忽視。故F1因子代表了硫酸鹽礦物的溶解以及采煤活動對地下水化學(xué)組分的影響。

表2 巖溶水各參數(shù)因子載荷矩陣Table 2 Rotated component matrix and extraction sums of squared loadings

第二主因子F2的貢獻(xiàn)率為15.808%，其中pH、Mg2+、、SI-CaCO3和SI-CaMg(CO3)2表現(xiàn)出較高的載荷。F2得分高值區(qū)主要分布在泉域中部，為地下水徑流區(qū)及主徑流帶分布區(qū)。F2表征了方解石和白云石的溶解作用。故F2因子代表了碳酸鹽礦物的溶解對地下水化學(xué)組分的影響。

第三主因子F3的貢獻(xiàn)率為11.409%，其中、F?和SI-CaF2表現(xiàn)出較高的載荷。F3得分高值點(diǎn)主要分布在任莊水庫以南丹河及白水河周邊，泉域東北部及東部碳酸鹽巖半裸露區(qū)，上覆第四系黃土，為地表水影響區(qū)和降雨入滲直接補(bǔ)給區(qū)，同時也是主要的農(nóng)業(yè)活動區(qū)，使得地下水中的濃度較高，最高達(dá)125.3 mg/L。與農(nóng)業(yè)活動過程中農(nóng)藥和化肥的施用密切相關(guān)，也與人類及動物糞便有關(guān)。區(qū)內(nèi)有14%的巖溶水屬高氟地下水（F?＞1.0 mg/L），這主要與螢石礦物的溶解有關(guān)；地表水中F-含量介于0.5～1.7 mg/L之間，均值為0.85 mg/L，因此地表水的輸入也不容忽視。故F3因子代表了人類活動、農(nóng)業(yè)活動及螢石礦物的溶解對地下水化學(xué)組分、F?的影響。

第四主因子F4的貢獻(xiàn)率為8.792%，其中Na+和Cl?表現(xiàn)出較高的載荷。F4得分高值點(diǎn)主要分布在高平以南的丹河、白水河附近，呈點(diǎn)狀分布，為地表水強(qiáng)烈影響區(qū)；泉域北部巖溶水深埋區(qū)，為巖溶水與裂隙水溝通區(qū)。在地表水影響區(qū)，城鎮(zhèn)及化工企業(yè)排污是巖溶地下水Cl-和Na+整體偏高的主要原因；在巖溶水深埋區(qū)，裂隙水的滲漏補(bǔ)給是Na+組分偏高的主要原因，裂隙水中含鈉礦物的溶解，使其Na+含量最高達(dá)407.4 mg/L[21]，經(jīng)由構(gòu)造或鉆孔與巖溶水發(fā)生聯(lián)系。因此，區(qū)內(nèi)巖溶水Na+和Cl?組分主要受控于污水排放和裂隙水滲漏補(bǔ)給的影響。

5 結(jié)論

（1）區(qū)內(nèi)巖溶地下水的主要補(bǔ)給來源為大氣降水入滲補(bǔ)給，在地表水滲漏段巖溶水接受河流滲漏的補(bǔ)給。淺層巖溶水和表層巖溶水、徑流區(qū)巖溶水及深部滯緩區(qū)巖溶水其氫氧同位素表現(xiàn)出明顯不同的特征。

（2）巖溶水子系統(tǒng)Ⅰ和子系統(tǒng)Ⅱ、Ⅲ相比具有明顯不同的水化學(xué)特征。子系統(tǒng)Ⅰ為低TDS軟水，水化學(xué)類型主要為HCO3—Ca（Mg）型；而子系統(tǒng)Ⅱ、Ⅲ巖溶水總硬度和TDS變化范圍大，為低TDS軟水—高TDS硬水，水化學(xué)類型復(fù)雜，以HCO3·SO4—Ca·Mg型和SO4·HCO3—Ca型水為主，反應(yīng)了子系統(tǒng)Ⅱ、Ⅲ具有強(qiáng)烈的水文地球化學(xué)過程。

（3）巖溶水子系統(tǒng)Ⅰ水化學(xué)組分特征主要受控于碳酸鹽巖、硫酸鹽礦物的溶解作用及陽離子交換作用的影響。而子系統(tǒng)Ⅱ、Ⅲ水化學(xué)形成機(jī)制復(fù)雜，除受到水-巖作用和陽離子交換作用的影響，還有其他水化學(xué)過程供給相對量的和Na+，使巖溶水中和Na+明顯偏高。巖溶地下水鹽度的升高主要受控于石膏、硬石膏和巖鹽礦物的溶解作用。

（4）因子分析表明，區(qū)內(nèi)巖溶地下水化學(xué)組成及演化主要受水-巖作用（碳酸鹽巖、硫酸鹽巖、螢石的溶解及含硫礦物氧化、陽離子交換作用）、人類活動（農(nóng)業(yè)活動、人畜糞便、城鎮(zhèn)和企業(yè)污水排放及采煤活動）、地表水和裂隙水滲漏等控制因素的影響。