山東省巨野縣淺層地下水咸化特征及成因

馮國偉 劉本華 徐晶 徐聰 羅杰 王琦

文章編號：1671-3559（2024）03-0257-10DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20240321.001

摘要： 為了深入了解淺層地下水的水化學(xué)特征及形成原因， 在山東省巨野縣采集20組淺層地下水樣品， 采用數(shù)理統(tǒng)計、 Durov圖、 主成分分析、 離子比值以及礦物飽和指數(shù)等方法， 對地下水樣檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析， 研究該地區(qū)地下水咸化特征及產(chǎn)生機制。 結(jié)果表明： 研究區(qū)淺層地下水總體呈弱堿性， 溶解性總固體的質(zhì)量濃度為1 680～14 000 mg/L，地下水化學(xué)類型主要分為SO4·Cl-Na·Mg、 HCO3·SO4·Cl-Na·Ca·Mg、 HCO3·SO4-Na·Mg以及HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型；淺層地下水的咸化程度主要受蒸發(fā)濃縮作用影響，水中離子主要來自硅酸鹽、 巖鹽礦物的溶解，鉀鹽、 石膏、 巖鹽、 硬石膏是溶解性總固體的主要來源，造成研究區(qū)地下水咸化的最主要礦物是鉀鹽、 巖鹽。

關(guān)鍵詞： 淺層地下水； 咸化； 溶解性總固體； 礦物飽和指數(shù)

中圖分類號： X523

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

開放科學(xué)識別碼（OSID碼）：

Characteristics and Causes of Shallow Groundwater

Salinization in Juye County， Shandong Province

FENG Guowei， LIU Benhua， XU Jing， XU Cong， LUO Jie， WANG Qi

（School of Water Conservancy and Environment， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China）

Abstract： To gain a deeper understanding of the hydrochemical characteristics and causes of shallow groundwater formation， 20 groups of shallow groundwater samples were collected in Juye County， Shandong Province， and the test results of the groundwater samples were statistically analyzed by methods such as mathematical statistics， Durov diagram， principal component analysis， ion ratio and mineral saturation index， so as to study the characteristics and generation mechanism of groundwater salinization. The results show that the shallow groundwater in the study area is generally weakly alkaline， and the mass concentration of total dissolved solids is 1 680～14 000 mg/L. The chemical types of groundwater are mainly divided into SO4·Cl-Na·Mg， HCO3·SO4·Cl-Na·Ca·Mg， HCO3·SO4-Na·Mg and HCO3·SO4·Cl-Na·Mg. The salinity degree of shallow groundwater is mainly affected by evaporation and concentration. The ions in water mainly come from the dissolution of silicate and rock salt minerals， and potassium salt， gypsum， rock salt and anhydrite are the main sources of total dissolved solids. The main minerals that cause groundwater salinization in the study area are potassium salt and rock salt.

Keywords： shallow groundwater; salinization; total dissolved solids; mineral saturation index

地下水是我國北方地區(qū)以及許多大中城市主要供水來源，其水質(zhì)一般都優(yōu)于地表水。隨著我國人口增長以及經(jīng)濟、社會的快速發(fā)展，地下水在自然資源消耗中所占比例愈來愈大。由于內(nèi)陸地下水咸化，

收稿日期： 2023-02-03????????? 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時間：2024-03-21T19：47：43

基金項目： 國家自然科學(xué)基金項目（42007153）

第一作者簡介： 馮國偉（1997—），男，山東曲阜人。碩士研究生，研究方向為地下水科學(xué)與工程。E-mail： 1301295527@qq.com。

通信作者簡介： 劉本華（1967—），男，山東濟南人。教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向為地下水科學(xué)與工程。E-mail： stu_liubh@ujn.edu.cn。

網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址： https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20240321.1119.002

導(dǎo)致部分地區(qū)淡水資源稀缺，加之不合理開采和利用，因此影響天然水體的平衡，進(jìn)一步影響地下水化學(xué)特征，甚至引起一系列的水污染問題。近年來，很多學(xué)者針對地下水咸化方面展開了大量研究，地下水咸化方面的研究內(nèi)容在水文地質(zhì)學(xué)中占比越來越大。李海學(xué)等［1］利用地下水礦化度和離子的相關(guān)性特征， 確定淡水、 微咸水的分布范圍、 分布規(guī)律及其成因。何錦等［2］對河北省衡水市桃城區(qū)淺層地下水咸化成因進(jìn)行了研究。邢立亭等［3］以山東省濟陽縣為研究對象，進(jìn)一步解析淺層地下水的形成機制。劉宏偉等［4］對影響地下水咸化的主要化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析，從而得出地下水咸化成因。侯國華等［5］使用離子比、 Piper圖和吉布斯圖等手段，對地下水中8種主要離子的濃度、 δD和δ18O同位素組成、溴元素和鍶元素的濃度等進(jìn)行研究，以探究地下水的補給來源和鹽分來源。孫振宇等［6］通過分析地下水等級分布情況，掌握地下水咸化原因。

山東省巨野縣位于魯西南沖湖積平原區(qū)的咸淡水交界區(qū)，受地質(zhì)結(jié)構(gòu)、古地理以及沉積環(huán)境影響，導(dǎo)致含水層分布、 埋藏及水力性質(zhì)等相對復(fù)雜。根據(jù)以往研究結(jié)果，巨野縣雖然已經(jīng)確定為典型的內(nèi)陸咸水分布區(qū)； 但是對于其咸化特征及咸化機制的研究相對較少，因此對該區(qū)域淺層地下水展開深入研究，明晰地下水咸化特征及形成機制，對后續(xù)進(jìn)行合理開發(fā)，解決農(nóng)作物減產(chǎn)、 優(yōu)質(zhì)含水層被污染等問題具有重要意義。本文中采用多種水化學(xué)分析方法對巨野縣淺層地下水狀況進(jìn)行綜合判斷，為當(dāng)?shù)氐叵滤Y源管理、 防治地下水進(jìn)一步咸化提供科學(xué)參考。

濟南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）第38卷

第3期馮國偉，等：山東省巨野縣淺層地下水咸化特征及成因研究

1? 研究區(qū)概況

巨野縣位于半濕潤的暖溫帶，氣候具有明顯的季節(jié)變化，夏季炎熱，春、 秋季干燥，冬季寒冷，主要風(fēng)向為東南風(fēng)。區(qū)域內(nèi)河流縱橫成網(wǎng)，主要有洙趙新河、 洙水河、 鄆巨河（見圖1）。降水年際變化大，時間分配不均勻，豐、枯水年交替出現(xiàn)。近幾十年來，研究區(qū)年平均降水量為662 mm，年平均蒸發(fā)量為900～1 800 mm，多年平均氣溫為13.6 ℃，月平均最低氣溫為 -5.2 ℃，月平均最高氣溫為32.4 ℃。

研究區(qū)淺層地下水水文地質(zhì)構(gòu)造如圖2所示。影響研究區(qū)地下水補給、 徑流、 排泄的主要因素是氣象水文、 地形地貌、 地層巖性與人為活動。地下水補給的主要途徑是大氣降水入滲，降水量、 降雨強度、 包氣帶巖性、 地形條件以及地下水位埋深等因素也會影響地下水補給。研究區(qū)地下水排泄方式

主要分為潛水蒸發(fā)和人工開采，另有部分地下水通過地下徑流向下游地區(qū)排泄，地下水整體流向為自西向東。

2? 材料與方法

2.1? 地下水采樣與測試

2022年8月在研究區(qū)采集淺層地下水樣品20組，取樣點位置見圖3。井深均不大于50 m，采集水樣的地下水類型均為孔隙水。由于采樣點較為分散，因此分2個小組同時進(jìn)行采樣，采樣時間控制在2 d內(nèi)。采集金屬樣品時，采用孔徑0.45 μm濾膜過濾?，F(xiàn)場測試參數(shù)包括水位、 水溫、 pH、 電導(dǎo)率、 渾濁度、 氧化還原電位、 顏色等。

pH的測定采用電極法， K+、 Na+、 Ca2+、 Mg2+

測定采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法， HCO-3測定采用酸堿指示劑滴定法， SO2-4、 NO-3 、 Cl-測定采用離子色譜法， 總硬度測定采用乙二胺四乙酸（EDTA）滴定法，溶解性總固體 （TDS）測定采用重量法。

2.2? 數(shù)據(jù)處理

研究區(qū)地下水檢測數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計，采用統(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案軟件（SPSS）進(jìn)行因子分析，采用ArcMap 10.6軟件繪制地下水取樣點位置圖，采用Origin 2022繪制Durov圖、 吉布斯圖以及離子比值圖，采用GS+軟件分析研究區(qū)地下水空間變異特性，采用AquaChem 3.7軟件Phreeqc模塊計算礦物飽和指數(shù)。

地下水咸化系數(shù)Cs計算公式為

Cs=ρ（Cl-）ρ（HCO-3）+ρ（CO2-3）

式中： ρ（Cl-）、 ρ（HCO-3）、 ρ（CO2-3）分別為地下水中Cl-、 HCO-3、 CO2-3的質(zhì)量濃度。

3? 結(jié)果與分析

3.1? 地下水化學(xué)特征

表1為研究區(qū)地下水化學(xué)參數(shù)測試結(jié)果。由表可見：研究區(qū)地下水的pH為7.1～7.9，平均值為7.5， 總體為弱堿性； TDS的質(zhì)量濃度為1 680～14 000 mg/L，平均值為5 034.5 mg/L，表明研究區(qū)咸水面積占比較大，微咸水、 鹽水的面積較小［7］； 地下水中的優(yōu)勢離子為Na+、 Mg2+、 Cl-、 SO2-4， 初步判斷地下水溶解可溶鹽， 使得離子含量增加， 相應(yīng)的礦化度也增大。

研究區(qū)地下水Durov圖如圖4所示。 由圖可以看出： 研究區(qū)地下水陰離子中， SO2-4含量與HCO-3-CO2-3含量變化呈反比關(guān)系，SO2-4含量減少則HCO-3-CO2-3含量增加； Cl-含量與pH相關(guān)性密切。 陽離子中Mg2+含量與Na+-K+含量變化也呈反比關(guān)系， Mg2+含量增加則Na+-K+含量減少； Ca2+含量基本不變化。 此外， 研究區(qū)內(nèi)大多數(shù)采樣點的地下水中的

陰離子分布在HCO-3-CO2-3軸與Cl-軸之間， 偏向于HCO-3-CO2-3軸， 少數(shù)采樣點的陰離子分布在SO2-4軸。 研究區(qū)地下水中的陽離子基本分布在Mg2+軸與Na+-K+軸中間， 少數(shù)采樣點的陽離子分布在Mg2+軸。 不同采樣點間的pH、 TDS含量存在明顯差異， 且TDS含量與Na+-K+含量關(guān)系密切， TDS含量和Na+-K+含量均呈現(xiàn)上升趨勢。 根據(jù)舒卡列夫分類法確定調(diào)查區(qū)地下水化學(xué)類型［8］， 研究區(qū)地下水化學(xué)類型分別是SO4·Cl-Na·Mg、 HCO3·SO4·Cl-Na·Ca·Mg、 HCO3·SO4-Na·Mg以及HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型，在采樣點中的占比分別是55%、 15%、 10%和20%。

3.2? 地下水咸化程度

圖5為研究區(qū)地下水主要指標(biāo)等值線圖。從圖中可以看出，研究區(qū)東北部、 東南部、 西南部地下水中TDS含量較大，中部、 西北部地下水中TDS含量較小，且Cs值的分布規(guī)律與TDS含量的分布規(guī)律基本一致，由此可以判斷本文中對研究區(qū)地下水咸化程度的分析符合當(dāng)?shù)氐叵滤F(xiàn)狀。根據(jù)Cs判斷地下水咸化程度［9］， Cs≤1時為未咸化水，1< Cs≤ 2時為微咸化水，Cs＞2時為咸化水。由研究區(qū)地下水咸化系數(shù)分布（見表2）可知，微咸化水和咸化水的采樣點的比例分別為25%、 20%。

3.3? 地下水咸化空間變異特性

對淺層地下水Cl-、 SO2-4、 TDS含量的檢測結(jié)果進(jìn)行正態(tài)檢驗，結(jié)果表明，這3種離子不符合正態(tài)

分布， 經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換后， 其顯著性檢驗P值（柯爾莫戈洛夫-斯米諾夫檢驗、 夏皮洛-威爾克檢驗）均超過了顯著性水平0.05， 說明經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換后， 3種離子服從正態(tài)分布， 滿足半變異函數(shù)計算條件。 研究區(qū)地下水中3種主要離子的半變異函數(shù)模型及相關(guān)參數(shù)如表3所示。 從表中可見， 研究區(qū)地下水的Cl-、 SO2-4、 TDS含量均采用高斯模型， 在各向異性的條件下， 通過2個指標(biāo)的決定系數(shù)R2和最小殘差平方和（RSS）判斷擬合度， R2、 RSS的值約等于1、 0， 表明它們滿足擬合要求［10］。 塊金效應(yīng)為塊金值與基臺值的比值， 用于衡量變量空間自相關(guān)性程度。 塊金效應(yīng)小于或等于0.25 時， 空間自相關(guān)性較強； 塊金效應(yīng)為>0.25～0.75， 空間自相關(guān)性呈現(xiàn)中等強度； 塊金效應(yīng)大于0.75時， 空間自相關(guān)性較弱［11-12］。研究區(qū)地下水中3種離子的塊金效應(yīng)為>0.25～0.75， 說明Cl-、 SO2-4、 TDS呈現(xiàn)中等強度的空間自相關(guān)性。

3.4? 地下水咸化成因

3.4.1? 主成分分析

采用SPSS分析研究區(qū)地下水樣品中的9項化學(xué)指標(biāo)，檢測結(jié)果的Kaiser-Meyer-Olkin（KMO）檢驗統(tǒng)計量為0.624，巴特利特球形度檢驗顯著性水平小于0.01，各變量的公因子方差均大于0.5，表明檢測數(shù)據(jù)的相關(guān)性較好，且每個變量都能被成功表達(dá)，符合主成分分析相關(guān)要求［13-14］。依據(jù)特征值大于1 的原則，選擇3個主要成分，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到90.011%，主要成分與變量的相關(guān)性強弱，用載荷的絕對值表示，載荷為0.30～0.50時呈弱相關(guān)，載荷為0.50～0.75時呈中等相關(guān)，載荷大于0.75時呈強相關(guān)［15］。

表4為研究區(qū)地下水化學(xué)組分的初始特征值及成分矩陣。根據(jù)主成分分析結(jié)果可知：在第一主成分中， Ca2+、 Mg2+、 Na+、 K+、 Cl-、 SO2-4、 TDS、 TH為主要荷載，說明地下水的咸化主要受水文地質(zhì)因素控制，大量礦物被溶解于地下水中。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造，被溶解礦物可能有白云石（Ca2+、 Mg2+）、 鉀鹽（K+）、 石膏（Ca2+ 、SO2-4）、 巖鹽（Na+、 Cl-）等［15］。在第二主成分中，HCO-3為主要荷載，說明碳酸鹽、 硅酸鹽類礦物以及二氧化碳（CO2）的溶解對地下水影響明顯。此外在第二主成分中的NO-3含量能夠反映人為活動對地下水的影響［16］，但結(jié)合研究區(qū)各采樣點的NO-3濃度，NO-3的平均質(zhì)量濃度遠(yuǎn)小于天然限值10 mg/L［17］，因此可以判斷研究區(qū)地下水咸化基本不受人為活動影響。第三主成分與pH值的相關(guān)性較強，說明地下水水環(huán)境的酸堿度對地下水咸化也有一定影響［17］，HCO-3和第三主成分具有中等強度的負(fù)相關(guān)性。HCO-3主要由碳酸鹽礦物溶解于地下水而產(chǎn)生，能夠調(diào)節(jié)地下水水環(huán)境的酸堿度［18］。

3.4.2? 蒸發(fā)濃縮作用

Gibbs圖［19］通過反映TDS與ρ（Cl-）/ρ（Cl--HCO-3）、 ρ（Na+）/ρ（Na+-Ca2+）的關(guān)系，分析地下水中各組分的起源（大氣降水、 巖石風(fēng)化、 蒸發(fā)濃縮）。研究區(qū)地下水Gibbs圖如6所示。從圖中可以看出：幾乎所有采樣點的ρ（Cl-）/ρ（Cl--HCO-3）、ρ（Na+）/ρ（Na+-Ca2+）都在蒸發(fā)濃縮作用控制的范圍內(nèi)，少數(shù)采樣點落在巖石風(fēng)化作用控制的范圍內(nèi)，

且有小部分采樣點在Gibbs模型以外，說明研究區(qū)地下水成分主要受蒸發(fā)濃縮作用控制，部分區(qū)域地下水受巖石風(fēng)化作用影響，且本文中的研究區(qū)域的淺層地下水基本不受人為因素影響［20］。

3.4.3? 陽離子交替吸附作用

研究區(qū)地下水中的離子濃度比例關(guān)系如圖7所示。圖7（a）中的K+-Na+濃度與Cl-濃度的關(guān)系可以揭示研究區(qū)淺層地下水中產(chǎn)生Na+、 K+的主要途徑［21-22］， 而Cl-的性質(zhì)相對穩(wěn)定， 一般不與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 所以它在地下水中的含量也較為穩(wěn)定。 全部采樣點的K+-Na+濃度點全部位于平衡線的上方， 表明地下水中的堿離子的主要來源是硅酸鹽、 巖鹽礦物的溶解。 由圖7（b）可知， 90%的采樣點位于平衡線的下方，Ca2+-Mg2+與SO2-4-HCO-3的

物質(zhì)的量濃度比小于1， 表明地下水中Ca2+、 Mg2+、 SO2-4、 HCO-3的主要來源是硅酸鹽礦物、 蒸發(fā)巖鹽礦物的溶解， 大部分采樣點中Ca2+-Mg2+的濃度小于SO2-4-HCO-3的濃度， 表明Ca2+、 Mg2+ 2種陽離子不足以平衡陰離子， 還需要其他陽離子平衡， 可能是硅酸鹽礦物溶解補充或離子交換作用使得Ca2+、Mg2+含量減少所致。陽離子交替吸附作用的反應(yīng)方向由氯堿指數(shù)（ICA=［c（Cl--Na+-K+）/c（Cl-）］， c（·）為離子的物質(zhì)的量濃度）和TDS含量的關(guān)系圖進(jìn)行表征［見圖7（c）］， 淺層地下水取樣點中ICA值全部小于0， 表明研究區(qū)地下含水介質(zhì)的離子交換方向為正向［23］。 從圖7（d）可知， Na+-K+與總陽離子的物質(zhì)的量濃度比隨TDS含量增加而增加，Ca2+-Mg2+與總陽離子的物質(zhì)的量濃度比隨TDS含量增加而減小，表明研究區(qū)地下含水介質(zhì)中的陽離子發(fā)生了交替吸附作用，Na+、 K+被釋放進(jìn)入含水介質(zhì)，Ca2+、 Mg2+被固相吸附，導(dǎo)致地下水中TDS含量呈增大趨勢［24］。

3.4.4? 礦物溶解作用

研究區(qū)內(nèi)K+、 Ca2+、 Na+、 Mg2+、 SO2-4、 Cl-等離子的來源主要是礦物溶解，礦物溶解通常需要消耗大量的CO2、 HCO-3，研究區(qū)內(nèi)水系發(fā)育較好，水系附近的地下水與地表水交替明顯，地表水中的CO2、 HCO-3補給地下水，為礦物溶解提供物質(zhì)基礎(chǔ)［25］。

為了更好地了解研究區(qū)地下水中主要溶解礦物的情況， 使用Phreeqc軟件計算地下水的礦物飽和指數(shù)Is， 依據(jù)計算的飽和指數(shù)確定地下水中各類礦物的飽和狀態(tài)［26］。Is＜0時， 地下水中礦物屬于未飽和狀態(tài)， 礦物繼續(xù)溶解；Is＞0時， 地下水中礦物屬于飽和狀態(tài)， 礦物從地下水中析出沉淀［27］。 研究區(qū)地下水中的Is與TDS的關(guān)系如圖8所示。 由圖可以看出： 研究區(qū)各采樣點的CO2的Is均小于0［見圖8（a）］， 說明地下水中的CO2持續(xù)溶解；白云石［圖8（b）］、 方解石［圖8（c）］、 文石［圖8（f）］的Is均大于0， 表明這3種礦物已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，不再溶解，并析出白云石、 方解石和文石沉積； 鉀鹽［圖8（d）］、 石膏［圖8（e）］、 巖鹽［圖8（g）］、 硬石膏［圖8（h）］的Is均小于0， 且隨著TDS含量增大而逐漸增大， 說明地下水中的TDS主要來自于鉀鹽、 石膏、 巖鹽、 硬石膏的溶解， 此外石膏、 硬石膏的Is的增長趨勢小于鉀鹽、巖鹽的，說明對地下水咸化貢獻(xiàn)更大的是鉀鹽、 巖鹽的溶解。

4? 結(jié)論

本文中采用多種水化學(xué)分析方法對山東省巨野縣淺層地下水狀況進(jìn)行綜合判斷，得到如下結(jié)論：

1）研究區(qū)內(nèi)地下水總體上屬于弱堿性， TDS的質(zhì)量濃度為1 680～14 000 mg/L，水化學(xué)類型為SO4·Cl-Na·Mg、 HCO3·SO4·Cl-Na·Ca·Mg、 HCO3·SO4-Na·Mg以及HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型。根據(jù)咸化系數(shù)結(jié)果可知，研究區(qū)微咸化水、 咸化水的占比為45%。地下水中Cl-、 SO2-4、 TDS 3種離子含量經(jīng)對數(shù)轉(zhuǎn)換后，符合正態(tài)分布，且3種離子的空間自相關(guān)性呈現(xiàn)中等強度。

2）SPSS軟件因子計算結(jié)果表明，檢測數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，變量都能被成功表達(dá)，可以進(jìn)行主成分分析。根據(jù)主成分分析相關(guān)原則，選取了3個主要因子，分別表示礦物溶解作用、碳酸鹽以及地下水水環(huán)境酸堿度對地下水咸化的影響，且研究區(qū)地下水咸化基本不受人為活動影響。

3）研究區(qū)地下水咸化主要受到蒸發(fā)濃縮作用控制，地下水中離子的主要來源是硅酸鹽、 巖鹽礦物溶解，地下含水介質(zhì)中發(fā)生陽離子交替吸附作用和正向的離子交換。從地下水中各類礦物飽和指數(shù)判斷研究區(qū)內(nèi)白云石、 方解石、 文石產(chǎn)生了沉積，且鉀鹽、 石膏、 巖鹽、 硬石膏的溶解是TDS的主要來源，造成地下水咸化的最主要礦物是鉀鹽、 巖鹽。

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（責(zé)任編輯：于海琴）