泰安城區(qū)孔隙水水化學(xué)特征及水質(zhì)評(píng)價(jià)

孟令華　侯新星　郝瑞娥　吳樹(shù)明　邢香粉　周龍濤　王浩　王聰　朱禮敏

摘 要：為分析泰安市城區(qū)孔隙水水化學(xué)特征及水質(zhì)現(xiàn)狀，選取2021年采集的31件水樣，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Piper三線(xiàn)圖、Gibbs圖、離子比值等方法分析孔隙水主要離子特征及控制因素，運(yùn)用改進(jìn)的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法對(duì)孔隙水水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：泰安城區(qū)孔隙水陽(yáng)離子以Ca2+、Na+為主，陰離子以HCO3 -、SO4 2-為主；pH值6.75～8.10，整體呈弱堿性；TH含量211～1 226 mg·L-1，平均603 mg·L-1，屬于硬水—極硬水；TDS含量368～2 002 mg·L-1，平均917 mg·L-1，屬于淡水—微咸水；NO3 -含量3.08～111.07 mg·L-1，平均31.85 mg·L-1；K+、NO3 -、Cl-和SO4 2-的空間差異性較強(qiáng)?？紫端瘜W(xué)類(lèi)型復(fù)雜，水化學(xué)成分主要受巖石風(fēng)化作用的控制，以碳酸鹽巖的風(fēng)化溶解為主，其次為硅酸鹽巖風(fēng)化溶解，同時(shí)還受陽(yáng)離子交替吸附作用和人類(lèi)活動(dòng)的影響。研究區(qū)孔隙水水質(zhì)相對(duì)較差，Ⅳ、Ⅴ類(lèi)水占樣品總數(shù)的74.19%，水質(zhì)影響因子主要為NO3 -和總硬度。

關(guān)鍵詞：孔隙水；水化學(xué)特征；水質(zhì)評(píng)價(jià)；泰安城區(qū)

Hydrochemical characteristics and water quality evaluation of pore water in urban district of Tai'an

MENG Linghua， HOU Xinxing， HAO Ruie， WU Shuming， XING Xiangfen，

ZHOU Longtao， WANG Hao， WANG Cong， ZHU Limin

（Shandong Geological Prospecting Institute of China Chemical Geology and Mine Bureau， Tai'an 271000， Shandong， China）

Abstract： In order to analyze the hydrochemical characteristics and quality status of pore water in the urban district of Tai'an， 31 water samples collected in 2021 were selected to analyze the main ion characteristics and control factors of pore water by using mathematical statistics， Piper three line diagram， Gibbs diagram， ion ratio and other methods. The improved Nemero comprehensive index evaluation method was used to evaluate the quality of pore water. The results show that the cation of pore water in Tai'an urban area is mainly Ca2+ and Na+， while the anion is mainly HCO3 - and SO4 2-. The pH value ranges from 6.75 to 8.10， showing an overall weak alkaline. The TH content ranges from 211 to 1 226 mg·L-1， with an average of 603 mg·L-1， belonging to the category of hard water to extremely hard water. The TDS content ranges from 368 to 2 002 mg·L-1， with an average of 917 mg·L-1， belonging to the category of freshwater to brackish water. The content of NO3 - ranges from 3.08 to 111.07 mg·L-1， with an average of 31.85 mg·L-1. The spatial differences of K+， NO3 -， Cl-， and SO4 2- are strong. The hydrochemical types of pore water are complex， and the hydrochemical composition is mainly controlled by weathering of rocks， mainly the weathering and dissolution of carbonate rock， followed by the weathering and dissolution of silicate rock. At the same time， it is also affected by the alternative adsorption of cations and human activities. The pore water quality in the study area is relatively poor， with class Ⅳ and Ⅴ water accounting for 74.19% of the total sample size. The main factors affecting water quality are NO3 - and total hardness.

Keywords： pore water; hydrochemical characteristics; water quality evaluation; urban district of Tai'an

地下水是水資源的重要組成部分，在工農(nóng)業(yè)及生活供水方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)“三廢”、城市生活垃圾的無(wú)序排放及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中化肥及農(nóng)藥的大量使用，導(dǎo)致地下水污染日益嚴(yán)重（Vodyanitskii et al.，2016；Zeng et al.，2016）。據(jù)《2021中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》，在2021年監(jiān)測(cè)的1 900個(gè)國(guó)家地下水環(huán)境質(zhì)量考核點(diǎn)位中，Ⅴ類(lèi)水質(zhì)點(diǎn)占20.6%。近年來(lái)，隨著我國(guó)地下水供水安全和污染防治工作的的日益重視，眾多專(zhuān)家學(xué)者在地下水水化學(xué)特征和水質(zhì)評(píng)價(jià)方面開(kāi)展了大量研究工作。如程敏等（2020），運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析、piper三線(xiàn)圖、Gibbs圖對(duì)察布查爾縣地區(qū)地下水化學(xué)特征進(jìn)行分析，并采用模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)地下水水質(zhì)，認(rèn)為該區(qū)水化學(xué)特征主要受水巖作用控制，地下水污染程度輕；崔夜晨等（2021）利用Piper三線(xiàn)圖、Gibbs圖和趨勢(shì)分析法分析了輝縣地區(qū)水化學(xué)類(lèi)型及其演化特征，運(yùn)用內(nèi)梅羅指數(shù)法和模糊數(shù)學(xué)綜合法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，認(rèn)為該區(qū)水化學(xué)主要受水巖作用控制，同時(shí)受地表水及人為因素影響，地下水質(zhì)量基本較好；白凡等（2022）運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、Piper三線(xiàn)圖、Gibbs圖、離子比值法對(duì)吐魯番盆地平原區(qū)地下水水化學(xué)特征及成因進(jìn)行分析，運(yùn)用改進(jìn)內(nèi)梅羅指數(shù)法對(duì)地下水質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為該區(qū)水化學(xué)成分主要受蒸發(fā)濃縮和巖石風(fēng)化共同影響，地下水質(zhì)量整體較好。眾多研究成果表明，通過(guò)地下水水化學(xué)特征的研究和水質(zhì)評(píng)價(jià)，可以掌握區(qū)域地下水水化學(xué)成分的來(lái)源，分析污染程度，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、地下水資源合理配置、城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

泰安市位于泰山腳下，是魯中地區(qū)中心城市之一，工農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)。泰安城區(qū)一帶地下水資源較豐富，為重要的供水水源地，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市用水量不斷增加，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地下水系統(tǒng)的影響越來(lái)越顯著，隨之引發(fā)一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題（高宗軍等，2001），地下水重金屬（孟令華等，2022）和“三氮”（孟令華，2023）污染趨于嚴(yán)重。近年來(lái)隨著泰安城區(qū)深層地下水的禁采，分散式淺層孔隙水的取用量增多，而孔隙水由于埋藏較淺，更易遭受到污染。因此本文利用地下水環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)，研究泰安城區(qū)孔隙水水化學(xué)特征，評(píng)價(jià)孔隙水水質(zhì)，為地下水資源保護(hù)提供依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 地理環(huán)境條件

泰安城區(qū)地處魯中山區(qū)西北部，地勢(shì)西北高、東南低，屬于暖溫帶季風(fēng)大陸性氣候，四季分明，春旱多風(fēng)、夏熱多雨、秋旱少雨、冬寒少雪，季節(jié)性干旱嚴(yán)重。泰安城區(qū)水系較發(fā)育，呈放射狀發(fā)育于泰山南坡，東南部發(fā)育大汶河兩大主流之一的牟汶河，河床坡度南陡北緩，其中較大的支流有泮河、芝田河、明堂河、梳洗河等。西部及北部出露新太古代泰山巖群變質(zhì)巖和前寒武紀(jì)侵入巖，東部及南部大面積被第四系覆蓋（隱伏寒武紀(jì)及奧陶紀(jì)地層），第四系厚度0～30 m，自南往北、自西往東厚度逐漸增大。淺層孔隙水主要分布于牟汶河、泮河河谷、河漫灘及兩岸一級(jí)階地，呈帶狀展布，含水層巖性為砂卵石、中粗砂，水位埋深4～8 m，含水層厚度3～7 m，單井涌水量500～1 000 m3·d-1。

1.2? 水樣采集與測(cè)試

2021年11月在泰安市城區(qū)采集第四系孔隙水樣品31件，采樣點(diǎn)為民井，井點(diǎn)深度7.5～23 m，采樣點(diǎn)分布位置見(jiàn)圖1。取樣前水井應(yīng)抽水10 min以上，保證取得的地下水樣來(lái)自含水層內(nèi)部，現(xiàn)場(chǎng)采用漢鈉多水質(zhì)測(cè)定儀HZ98494測(cè)試水溫、pH值、電導(dǎo)率、氧化還原電位、溶解氧等項(xiàng)目；取樣容器為聚乙烯塑料瓶，取樣前用蒸餾水沖洗，然后用新鮮水潤(rùn)洗3次，取樣后冷藏保存，并及時(shí)送至山東省魯南地質(zhì)工程勘察院實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心進(jìn)行檢測(cè)，按照HJ 164－2020《地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》和GB/T 14848－2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。測(cè)試項(xiàng)目包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO4 2-、HCO3 -、NO3 -、HN4 +、NO2 -、溶解性總固體（TDS）、總硬度（TH）等指標(biāo)。

1.3? 分析方法

選擇Excel軟件對(duì)地下水測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用Piper三線(xiàn)圖、離子相關(guān)性分析、Gibbs圖及離子比值等方法探討泰安城區(qū)孔隙水水化學(xué)特征及成因，采用改進(jìn)的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。

2? 水化學(xué)特征

2.1? 水化學(xué)組成特征

對(duì)孔隙地下水樣品的常規(guī)水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。結(jié)果顯示：孔隙水中陽(yáng)離子平均含量關(guān)系為Ca2+>Na+>Mg2+>K+，陽(yáng)離子以Ca2+和Na+為主，占陽(yáng)離子總量的86.36%；陰離子平均含量關(guān)系為HCO3 ->SO4 2->Cl->NO3 -，陰離子以HCO3 -、SO4 2-為主，占陰離子總量的75.24%；pH值6.75～8.10，平均7.38，整體呈弱堿性；TH含量211～1 226 mg·L-1，平均603 mg·L-1，整體屬于硬水—極硬水；TDS含量368～2 002 mg·L-1，平均917 mg·L-1，其中淡水（TDS<1 g·L-1）、微咸水（TDS為1～3 g·L-1）分別占64.52%、35.48%。另外，NO3 -（以N計(jì)）含量介于3.08～111.07 mg·L-1之間，平均值31.85 mg·L-1。從變異系數(shù)看，可能受人類(lèi)活動(dòng)影響的離子K+、NO3 -、Cl-和SO4 2-的變異系數(shù)分別為3.41、0.73、0.55和0.47，屬于高度變異，說(shuō)明它們的空間差異性較強(qiáng)，離子成分穩(wěn)定性較差，局部已受到人類(lèi)活動(dòng)的影響（鄭濤等，2021；薛東青等，2022；姚普等，2022）。

進(jìn)行地下水化學(xué)類(lèi)型劃分是研究認(rèn)識(shí)水化學(xué)特征的重要手段。從圖2可以看出，孔隙水陽(yáng)離子分布較為集中，絕大多數(shù)樣品的Ca2+毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)大于50%，分布在鈣型區(qū)域，少部分Na+毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)大于25%。陰離子分布較分散，雖然以HCO3 -為主，但SO4 2-、Cl-亦占據(jù)了一定的比重。根據(jù)舒卡列夫分類(lèi)法，研究區(qū)孔隙水水化學(xué)類(lèi)型復(fù)雜多變，受外界因素影響明顯，共有16種水化學(xué)類(lèi)型，主要為HCO3·SO4-Ca型、HCO3-Ca型、HCO3·Cl·SO4-Ca型，分別占孔隙水樣品數(shù)的19.4%、12.9%、12.9%。

2.2? 水化學(xué)成因分析

2.2.1? Gibbs模型分析

Gibbs模型是Gibbs于1970年提出的，可以反映地下水化學(xué)組分的控制因素，比如巖石風(fēng)化、蒸發(fā)結(jié)晶作用、大氣降水作用。圖3中，絕大部分孔隙水點(diǎn)的Cl-/（Cl-+HCO3-）和Na+/（Na++Ca2+）值小于0.5，樣點(diǎn)基本落于Gibbs圖中間靠左的區(qū)域，說(shuō)明研究區(qū)孔隙水水化學(xué)組分的主要控制因素是巖石風(fēng)化作用，而蒸發(fā)結(jié)晶和大氣降水作用不是主控因素。

2.2.2? 離子比值分析

天然條件下，地下水與巖土長(zhǎng)期相互作用過(guò)程中產(chǎn)生了各種離子，利用它們的比值關(guān)系可以進(jìn)一步推斷水化學(xué)組分的控制因素。

地下水中HCO3 -/Na+、Mg2+/Na+、Ca2+/Na+的毫克當(dāng)量濃度比值關(guān)系可以用來(lái)研究地下水主要離子與巖體之間的相互作用（Gaillardet et al.，1999），分析地下水離子來(lái)源。從圖4中可以看出，研究區(qū)孔隙水Ca2+/Na+的毫克當(dāng)量濃度比值多在2～7之間，HCO3 -/Na+的毫克當(dāng)量濃度比值多在0.9～6.0之間，Mg2+/Na+的毫克當(dāng)量濃度比值多在0.6～1.6之間，樣點(diǎn)集中分布在硅酸鹽巖與碳酸鹽巖控制端元之間，部分樣點(diǎn)更靠近碳酸鹽巖一端，說(shuō)明研究區(qū)同時(shí)存在硅酸鹽巖與碳酸鹽巖風(fēng)化溶解，這與研究區(qū)西部和北部的變質(zhì)巖及侵入巖含水層、東部隱伏碳酸鹽巖含水層分布有關(guān)。

（Ca2++Mg2+）與（HCO3 -+SO4 2-）的毫克當(dāng)量比值關(guān)系可以反映地下水中Ca2+和Mg2+的來(lái)源，當(dāng)γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3 -+SO4 2-）大于1時(shí)，說(shuō)明Ca2+和Mg2+主要來(lái)源于碳酸鹽巖的溶解，當(dāng)γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3 -+SO4 2-）小于1時(shí)，則Ca2+和Mg2+主要來(lái)源于硅酸鹽巖或蒸發(fā)巖的溶解（馮建國(guó)等，2020；秦娜等，2022）。圖5中，絕大多數(shù)孔隙水樣點(diǎn)落于1∶1線(xiàn)的上方，僅有少數(shù)點(diǎn)落于下方，Ca2+和Mg2+相對(duì)盈余，說(shuō)明本區(qū)碳酸鹽巖的風(fēng)化溶解占主導(dǎo)地位，其次為硅酸鹽巖風(fēng)化溶解。

通過(guò)（Mg2++Ca2+-SO4 2--HCO3 -）與（Na++K+-Cl-）的毫克當(dāng)量比值關(guān)系可以判斷地下水中是否發(fā)生了陽(yáng)離子交替吸附作用。若γ（Mg2++Ca2+-SO4 2--HCO3 -）與γ（Na++K+-Cl-）呈線(xiàn)性關(guān)系，且斜率接近-1，則存在明顯的陽(yáng)離子交換作用（Fisher et al.，1997）。在圖6中，孔隙水樣點(diǎn)沿斜率為-1.304的直線(xiàn)分布，相關(guān)系數(shù)R2=0.754，表明陽(yáng)離子交替吸附作用在一定程度上影響了孔隙水水化學(xué)組分的來(lái)源，孔隙水中的Na+和K+置換圍巖中的Mg2+和Ca2+，使地下水中Ca2+和Mg2+相對(duì)盈余。

2.2.3? 人類(lèi)活動(dòng)的影響

NO3-是水體受到人為因素影響的重要指示因子，水體中天然來(lái)源的NO3-濃度限值為10 mg·L-1，超過(guò)這一限值則認(rèn)為有人為氮源的輸入（Yin et al.，2020）。研究區(qū)孔隙水NO3 -濃度平均為31.85 mg·L-1，31件樣品中有27件樣品的NO3 -值超限（>10 mg·L-1），超限率達(dá)87.10%，這說(shuō)明孔隙水化學(xué)組成已明顯受到人為因素的影響。Cl-在地下水中性質(zhì)穩(wěn)定，水體遷移過(guò)程中一般不參與化學(xué)反應(yīng)或離子交換，常作為地下水化學(xué)組分來(lái)源的示蹤劑，同時(shí)水環(huán)境中高濃度的Cl-與人類(lèi)活動(dòng)有關(guān)，因此可以用Cl-與NO3 -的相關(guān)關(guān)系、Cl-與SO4 2-的相關(guān)關(guān)系來(lái)指示地下水中NO3 -、SO4 2-組分的來(lái)源（繆麗萍等，2020）。圖7中，NO3 -濃度超過(guò)天然限值的水點(diǎn)中Cl-與NO3 -呈顯著線(xiàn)性相關(guān)（R2=0.432 2），同時(shí)Cl-與SO4 2-也表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性（R2=0.455 0），說(shuō)明人類(lèi)活動(dòng)（居民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等）對(duì)地下水中NO3 -和SO4 2-存在影響。

3? 孔隙水水質(zhì)評(píng)價(jià)

3.1? 評(píng)價(jià)方法

水質(zhì)評(píng)價(jià)是地下水資源保護(hù)及合理開(kāi)發(fā)利用的前提，目前地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)方法較多，其中改進(jìn)的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法在地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)中具有較為廣泛的應(yīng)用，該方法解決了因單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)分值不連續(xù)導(dǎo)致的水質(zhì)評(píng)價(jià)靈敏度低的問(wèn)題（倪天翔等，2018）。改進(jìn)的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)公式為：

根據(jù)計(jì)算得到的F'值，按照表2的標(biāo)準(zhǔn)劃分對(duì)應(yīng)的地下水質(zhì)量級(jí)別。

3.2? 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)研究區(qū)采集的31處孔隙水采樣數(shù)據(jù)，選取pH、總硬度（TH）、溶解性總固體（TDS）、SO4 2-、Cl-、Na+、NO3 -、HN4 +、NO2 -等9項(xiàng)因子，依據(jù)GB/T 14848－2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，運(yùn)用改進(jìn)的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法，進(jìn)行孔隙水水質(zhì)評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表3、圖8。

可以看出，研究區(qū)孔隙水水質(zhì)相對(duì)較差，31件孔隙水樣品中，無(wú)Ⅰ類(lèi)水樣品，Ⅱ、Ⅲ類(lèi)水樣品8件，占樣品總數(shù)的25.81%，主要分布于研究區(qū)西北部，即泰安市政府—岱廟一帶；Ⅳ、Ⅴ類(lèi)水樣品23件，占樣品總數(shù)的74.19%，水質(zhì)影響因子主要為NO3 -和總硬度，分布于研究區(qū)東部及南部的廣大區(qū)域，可能與居民生活垃圾及污水的無(wú)序排放、農(nóng)用地化肥的長(zhǎng)期過(guò)量施用有關(guān)。

4? 結(jié)論

1）泰安城區(qū)孔隙水陽(yáng)離子以Ca2+和Na+為主，占陽(yáng)離子總量的86.36%；陰離子以HCO3 -、SO4 2-為主，占陰離子總量的75.24%；pH值6.75～8.10，平均7.38，整體呈弱堿性；TH含量211～1 226 mg·L-1，平均603 mg·L-1，整體屬于硬水—極硬水；TDS含量368～2 002 mg·L-1，平均值為917 mg·L-1，淡水、微咸水分別占64.52%、35.48%；NO3 -含量介于3.08～111.07 mg·L-1之間，平均31.85 mg·L-1。可能受人類(lèi)活動(dòng)影響的離子K+、NO3 -、Cl-和SO42-的變異系數(shù)較大，空間差異性較強(qiáng)。

2）泰安城區(qū)孔隙水水化學(xué)類(lèi)型復(fù)雜，主要為HCO3·SO4-Ca型、HCO3-Ca型、HCO3·Cl·SO4-Ca型；水化學(xué)組分主要受巖石風(fēng)化作用的控制，以碳酸鹽礦物的風(fēng)化溶解為主，其次為硅酸鹽礦物風(fēng)化溶解，同時(shí)還受陽(yáng)離子交替吸附作用和人類(lèi)活動(dòng)的影響。

3）運(yùn)用改進(jìn)的內(nèi)梅羅綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法對(duì)泰安城區(qū)孔隙水進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)，區(qū)內(nèi)孔隙水水質(zhì)相對(duì)較差，Ⅳ、Ⅴ類(lèi)水占樣品總數(shù)的74.19%，水質(zhì)影響因子主要為NO3 -和總硬度。

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收稿日期：2023-07-05；修回日期：2023-08-09

基金項(xiàng)目：山東省泰安市城區(qū)城市地質(zhì)調(diào)查（城市地下空間地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)部分）項(xiàng)目（SDGP370900202102000047）資助

第一作者簡(jiǎn)介：孟令華（1984- ），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事城市地質(zhì)調(diào)查、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查及礦產(chǎn)勘查工作。E-mail：401199685@qq.com

引用格式：孟令華，侯新星，郝瑞娥，吳樹(shù)明，邢香粉，周龍濤，王浩，王聰，朱禮敏，2023.泰安城區(qū)孔隙水水化學(xué)特征及水質(zhì)評(píng)價(jià)［J］.城市地質(zhì)，18（4）：32-39