棗莊市南部地下水水化學(xué)特征及其主要控制因素

秦 怡，唐小惠，李艷龍，蘇春利，胡 格

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430078；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)巖漿活動(dòng)成礦與找礦重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

棗莊市位于山東省南端，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鄉(xiāng)生活用水以地下水為主要水源。已開發(fā)利用的地下水供水水源以巖溶水和基巖裂隙水為主，孔隙水僅供部分農(nóng)村人畜用水。近些年，在快速城市化的進(jìn)程中，棗莊市地下水開采量急劇增加，超采嚴(yán)重，引起了地下水污染、巖溶塌陷等一系列環(huán)境地質(zhì)問題，同時(shí)受煤礦開采、工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)種植活動(dòng)的影響，地下污染問題凸顯，已報(bào)導(dǎo)的污染物包括硝酸鹽、氨氮、硫酸鹽等[1-3]。

地下水的化學(xué)成分是地下水與環(huán)境長(zhǎng)期相互作用的產(chǎn)物。一個(gè)地區(qū)地下水的化學(xué)面貌，反映了該地區(qū)地下水的歷史演變。地下水的水化學(xué)信息可以幫助我們重塑一個(gè)地區(qū)的水文地質(zhì)歷史，闡明地下水的起源與形成。應(yīng)用水化學(xué)方法，如Piper三線圖、離子比例系數(shù)[4]、水文地球化學(xué)模擬[5]和環(huán)境同位素溯源[3-4]，可以很好地解釋地下水的來源及演化過程，為地下水資源管理提供科學(xué)依據(jù)。因此，本文利用地下水水化學(xué)和氫、氧穩(wěn)定同位素?cái)?shù)據(jù)，分析了棗莊市南部地下水水化學(xué)特征、污染狀況及其主要控制因素，識(shí)別不同地下水系統(tǒng)之間的水力聯(lián)系以及人類活動(dòng)對(duì)地下水的影響，為區(qū)域合理開發(fā)地下水和保障供水安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

棗莊市地處魯中南低山丘陵區(qū)，在地質(zhì)構(gòu)造上為一單斜斷陷盆地，地勢(shì)北高南低、東高西低，呈東北向西南傾伏狀。盆地內(nèi)廣泛發(fā)育著古生界地層，由南至北依次出露寒武系、奧陶系和石炭系煤系地層。地層巖性以碳酸鹽巖為主，其次為灰?guī)r、白云巖和泥云巖等。地下水含水層類型按儲(chǔ)水構(gòu)造可分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、碎屑巖和變質(zhì)巖類裂隙水三大類[3]。棗莊市以巖溶裂隙地下水作為主要水源。

棗莊市內(nèi)河流屬淮河流域南四湖-運(yùn)河水系，地表水系較發(fā)育，大小河流共有24條。受地形控制，除韓莊運(yùn)河、伊家河為南四湖的泄洪河道外，其他主要河流均發(fā)源于東北部低山丘陵區(qū)，并多為季節(jié)性河流。地表徑流為自北向南、自東向西，除了嶧城大沙河、淘溝河等匯入韓莊運(yùn)河外，其他河流最終流入南四湖。京杭運(yùn)河棗莊段為大型河流，橫穿市南部，境內(nèi)全長(zhǎng)39 km。大氣降水和地表水補(bǔ)給是地下水的主要補(bǔ)給來源方式。地下水徑流方向主要與地形及巖層傾斜方向一致，總體自北向南、自東向西徑流。地下水的主要排泄方式為人工開采，其次為礦坑排水和徑流排泄[3]。

棗莊市為典型的煤炭資源型城市，煤礦資源豐富，但經(jīng)過長(zhǎng)期開采，已進(jìn)入礦產(chǎn)資源枯竭期，2009年被評(píng)定為資源枯竭型城市[2]。目前多數(shù)煤礦工廠關(guān)閉停產(chǎn)，煤礦停產(chǎn)閉坑后，停止抽排地下水、閉坑前后的土地復(fù)墾等行為因素可能會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，而且煤炭開采過程中對(duì)生態(tài)環(huán)境的部分影響在閉坑后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)會(huì)延續(xù)下來，產(chǎn)生累積效應(yīng)。另外，有些廢井還被用作納污井，洗煤廢水被排入廢棄的礦井口，造成了地下水污染。

2 樣品采集與分析

為了深入研究棗莊市地下水的補(bǔ)給來源以及地表水與地下水之間的水力聯(lián)系，掌握棗莊市南部地下水的水化學(xué)特征和主要控制因素，于2014年1月在研究區(qū)共采集水樣40個(gè)，其中地表水水樣6個(gè)，淺層孔隙地下水(含水層埋藏深度小于30 m)水樣9個(gè)，中深層裂隙巖溶水(含水層埋藏深度約為50～380 m)水樣25個(gè)。

采樣布點(diǎn)采用深井和淺井相結(jié)合，且大多是經(jīng)常使用的民井及供水井，主要分布于棗莊市南部地區(qū)，包括薛城區(qū)、市中區(qū)、嶧城區(qū)、山亭區(qū)和臺(tái)兒莊區(qū)，采樣點(diǎn)位置如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了水樣的pH值、電導(dǎo)率、氧化還原電位等參數(shù)；堿度分析在取樣當(dāng)天用酸堿指示劑滴定法測(cè)定；用于陰離子分析的水樣在采樣當(dāng)天用0.45 μm濾膜裝置過濾處理后保存；用于陽離子分析的水樣在過濾處理后加入1∶1 的HNO3酸化至pH值<2保存。

圖1 棗莊市南部采樣點(diǎn)位置和地下水中TDS分布圖

水樣中陰離子采用ICS-1100離子色譜儀測(cè)試；水樣中陽離子及金屬元素采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(型號(hào)ICAP6300)測(cè)試；水樣中氫、氧同位素采用液態(tài)水同位素分析儀(型號(hào)IWA-35-EP)測(cè)試。以上測(cè)試均在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心和生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)特征

將所采集的水樣分為地表水、淺層地下水(井深≤30 m)和中深層地下水(井深≥50 m)，分別統(tǒng)計(jì)其水化學(xué)指標(biāo)，結(jié)果見表1。

表1 棗莊市南部地表水和地下水水化學(xué)指標(biāo)特征值統(tǒng)計(jì)表

地下水的水化學(xué)組分、特征與其水文、地形地貌、氣象、人類活動(dòng)等因素相關(guān)，利用Piper 三線圖，能夠直觀地反映水體中主要離子的相對(duì)含量，明確其水文地球化學(xué)類型[6-7]。研究區(qū)地表水和地下水的Piper三線圖，見圖2。

圖2 棗莊市南部地表水和地下水的Piper三線圖

由圖2可見：淺層地下水的水化學(xué)類型主要為HCO3·SO4-Ca型(占55.6%)和HCO3-Ca型(占22.2%)，其中，采自于杜塘村民井(ZZ-06)的地下水中Cl-濃度較高(231.30 mg/L)，水化學(xué)類型為HCO3-Cl-Ca型；中深層地下水主要為HCO3-Ca型(占48%)和HCO3·SO4-Ca型(占32%)，其中，齊湖水源地(ZZ-15水樣)為SO4-Ca型；6個(gè)地表水水樣的水化學(xué)類型復(fù)雜多變，水質(zhì)較差，這主要是由生活污水、工業(yè)廢水的排放和地表徑流作用導(dǎo)致的。

結(jié)合圖1可知：臺(tái)兒莊區(qū)地表水水樣ZZ-22的水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Ca型，與相鄰的中深層地下水水樣(ZZ-21)的水化學(xué)類型一致；微山縣地表水水樣ZZ-09(HCO3·SO4-Ca型水)與相鄰的中深層地下水水樣ZZ-08(HCO3·SO4-Ca型水)的水化學(xué)類型也一致；嶧城區(qū)地表水水樣ZZ-33(HCO3·SO4-Ca型水)與相鄰的中深層地下水水樣ZZ-30(SO4-Ca型水)的主要因子一致，表明研究區(qū)地表水與地下水之間存在一定的水力聯(lián)系。

3.2 地下水水質(zhì)現(xiàn)狀

表2 棗莊市南部地表水和地下水水化學(xué)參數(shù)的變異系數(shù)

由表2結(jié)合表1可知：

(1) 棗莊市南部淺層地下水與中深層地下水pH值的變異系數(shù)相差不大，相對(duì)穩(wěn)定，說明其空間變異程度極小。研究區(qū)淺層地下水的pH值在7.00～7.70之間，中深層地下水的pH值在6.98～7.56之間，兩者變化范圍較為一致；地表水pH值變化范圍更大，在7.36～8.85之間，其中采樣點(diǎn)ZZ-22水樣(京杭運(yùn)河)的pH值高達(dá)8.85，呈弱堿性(見表1)。

(2) 無論是淺層地下水還是中深層地下水，地下水中Na++K+的變異系數(shù)均比地表水要大，說明其空間上變化較大。Na+和K+主要來源于硅酸鹽礦物風(fēng)化、蒸發(fā)巖溶解、離子置換、生活廢水及大氣降水等，且受地形和徑流條件控制[9]。研究區(qū)潘龍河(ZZ-04水樣)中Na++K+濃度為193.1 mg/L，該河是流域內(nèi)近40家煤礦企業(yè)的礦坑排水河道，河道內(nèi)基巖裸露或上覆較薄的第四系，使地表水與地下水相互連通[10]。

(3) 研究區(qū)中深層地下水中Ca2+、Mg2+的變異系數(shù)在31.95%～50.79%之間，說明其空間上變化不大；淺層地下水總硬度(以CaCO3計(jì))在218.8～795.2 mg/L之間，中深層地下水總硬度在242.0～777.5 mg/L之間，兩者差別不大；34個(gè)地下水水樣中，總硬度(以CaCO3計(jì))超出地下水Ⅴ類水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的占26.5%，高值區(qū)主要分布在嶧城區(qū)的北部、薛城區(qū)北部和南部以及市中區(qū)的北部等地。其中，淺層地下水杜塘村(ZZ-06水樣，井深26 m)和嶧城城區(qū)(ZZ-31水樣，井深30 m)采樣點(diǎn)水樣中總硬度分別超出地下水Ⅲ類水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的1.77倍和1.62倍。棗莊市屬石灰?guī)r丘陵區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，地下水源受特殊的巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響，導(dǎo)致地下水水質(zhì)硬度偏高；沉積物和巖溶含水層中豐富的碳酸鹽礦物和交換性Ca2+、Mg2+，為地下水硬度的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；附近企業(yè)廢水不合理的排放也是導(dǎo)致棗莊市地下水總硬度嚴(yán)重超標(biāo)的原因之一。

表3 棗莊市南部不同土地利用區(qū)地下水中N濃度

3.3 地下水補(bǔ)給來源

研究區(qū)地表水和地下水中氫、氧穩(wěn)定同位素濃度(δD、δ18O)測(cè)試結(jié)果，見表4。

表4 棗莊市南部地表水和地下水中δD、δ18O濃度測(cè)試結(jié)果

由表4可知：研究區(qū)淺層地下水中δD和δ18O的變化范圍分別為-61.9‰～-48.1‰和-8.3‰～-6.7 ‰；中深層地下水中δD和δ18O的變化范圍分別為-60.8‰～-45.5‰和-8.4‰～-6.1‰，兩者差別不大；地表水中δD和δ18O的變化范圍分別為-55.5‰～-43.1‰和-7.7‰～-5.4‰，明顯高于地下水。

研究區(qū)地表水和地下水樣都分布于中國(guó)大氣降水線(CMWL：δD=7.9δ18O+8.2)右側(cè)(見圖3)，說明研究區(qū)地表水和地下水主要來源于大氣降水，且經(jīng)歷了不同程度的蒸發(fā)作用[13]。蒸發(fā)作用使得水樣富集重同位素，地表水水樣ZZ-22和ZZ-33、地下水水樣ZZ-21和ZZ-29分布于中國(guó)大氣降水線(CMWL)右上方，且偏離降水線較遠(yuǎn)，靠近斜率為3.83的蒸發(fā)線(δD=3.83δ18O-22.3)，斜率小于我國(guó)大氣降水線，說明這4個(gè)水樣受蒸發(fā)作用的影響較大。地表水水樣較地下水水樣氫、氧同位素點(diǎn)明顯更偏離大氣降水線，且地表水水樣相比地下水水樣氫、氧同位素更為富集，說明地表水受蒸發(fā)作用的影響較地下水大。

圖3 棗莊市南部地表水和地下水δD-δ18O關(guān)系圖

地表水和不同層位地下水的不同δD和δ18O組成，不僅可以指示其補(bǔ)給來源，而且在一定程度上也可以反映其間的相互作用關(guān)系[14]。

3.4 控制影響因素分析

主成分分析方法將多因子納入同一系統(tǒng)進(jìn)行定量化研究，是比較完善的多元統(tǒng)計(jì)分析方法[15]。利用主成分分析方法，通過對(duì)地下水水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，可提取影響地下水水化學(xué)變化的主要成分，區(qū)分不同控制因素的影響及影響程度[16-18]。研究區(qū)地下水水樣的水化學(xué)主成分分析矩陣，見表5。

表5 棗莊市南部地下水水樣的水化學(xué)主成分分析矩陣

由表5可知：

(1) 研究區(qū)淺層地下水和中深層地下水的3個(gè)主成分對(duì)其地下水水質(zhì)形成的累計(jì)總方差貢獻(xiàn)率分別為91.016%和76.769%，表明研究區(qū)地下水主要受3種不同控制因素的影響。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)棗莊市南部地下水水化學(xué)和氫、氧穩(wěn)定同位素特征，分析了研究區(qū)地下水的補(bǔ)給來源地表水、淺層地下水和中深層地下水之間的水力聯(lián)系以及污染特征，并利用主成分分析法分析了研究區(qū)地下水水化學(xué)特征及其主要控制因素。得到如下結(jié)論：

(2) 氫、氧穩(wěn)定同位素分析結(jié)果表明，地下水中穩(wěn)定δ18O和δD同位素值變化范圍較小，集中分布于中國(guó)大氣降水線右下方，說明主要補(bǔ)給來源一致，即主要為大氣降水，且蒸發(fā)程度小于地表水；部分地表水水樣與相鄰地下水水樣有相似的氫、氧同位素特征，表明地表水與地下水存在一定的水力聯(lián)系。