肥城盆地區(qū)域地下水化學(xué)特征及水質(zhì)評(píng)價(jià)

楊海博，朱文峰，周良，路兵

(1.中國冶金地質(zhì)總局山東正元地質(zhì)勘查院，山東 泰安 271000；2.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濟(jì)南 250000；3.泰安市岱岳區(qū)自然資源局，山東 泰安 271000；4.新泰市自然資源和規(guī)劃局，山東 新泰 271200)

0 引言

地下水是重要的自然資源，在我國的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有不可替代的作用。隨著社會(huì)發(fā)展進(jìn)程加快，地下水開發(fā)程度越來越高，地下水環(huán)境問題也日益明顯。因此，對(duì)地下水水化學(xué)特征和地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)就顯得尤為重要[1-2]。地下水水化學(xué)組分是地下水與周圍環(huán)境長期相互作用的結(jié)果[3]，除受地質(zhì)、水文地質(zhì)、氣候、海拔等多種因素控制以外，還受人為輸入的影響，且人類活動(dòng)對(duì)地下水環(huán)境的影響愈發(fā)明顯。地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)常用單因子評(píng)價(jià)法、加附注的評(píng)分法、模糊綜合評(píng)價(jià)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法等[1-3]。模糊綜合評(píng)價(jià)法已成為地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)的最常用方法之一，該方法充分考慮水質(zhì)等級(jí)界限的模糊性，評(píng)價(jià)結(jié)果更接近實(shí)際[4]。

很多學(xué)者對(duì)肥城地區(qū)的地下水水化學(xué)及水質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究。劉冬梅[5]分析了肥城盆地地下水水質(zhì)及其污染因素，張兆強(qiáng)[6]對(duì)肥城礦區(qū)地下水水化學(xué)成分的變化進(jìn)行了相關(guān)研究，崔素芳等[7]分析了肥城盆地地下水水質(zhì)變化規(guī)律及影響來源。筆者利用2017年采樣數(shù)據(jù)，研究了肥城市地下水水化學(xué)特征，評(píng)價(jià)了地下水水質(zhì)，以期為區(qū)域地下水資源的合理開發(fā)利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

肥城市地處山東省中部，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)區(qū)，四季分明，春季空氣干燥，蒸發(fā)量大，降水稀少；夏季天氣炎熱，濕熱多雨，降水集中；秋季氣溫下降，降水減少，多為晴朗的涼爽天氣；冬季寒冷降水較少。多年平均降水量為656.6mm，降水主要集中的6—8月份，占全年的60%以上，多年平均蒸發(fā)量為1082.7mm。

肥城市在區(qū)域構(gòu)造上隸屬華北型沉降，是獨(dú)立的地質(zhì)構(gòu)造單元。四周為隆起的變質(zhì)巖，內(nèi)部為第四系地層，隱伏奧陶系和寒武系灰?guī)r。區(qū)內(nèi)東高西低，北高南低，地勢由東北向西南傾斜，主要有低山、丘陵和平原等。區(qū)內(nèi)河流按水系分屬于黃河流域和大汶河水系，主要有汶河、康王河、匯河、漕河、濁河、金線河等，主要發(fā)源于泰山西麓的低山區(qū)。區(qū)域內(nèi)地下水資源因受水文地質(zhì)條件和降水特點(diǎn)的影響，地區(qū)分布不平衡，肥城盆地內(nèi)富水區(qū)主要集中在盆地中部的康王河兩岸的第四系砂層帶及巖溶發(fā)育帶，而盆地北部的片麻巖地帶地下水貧乏，南部漕濁河兩岸砂層及部分巖溶地帶地下水相對(duì)富集，中部山區(qū)地下水相對(duì)貧乏，區(qū)域內(nèi)含水層主要有第四系孔隙水含水巖組、石炭系灰?guī)r及巖溶裂隙水含水巖組、寒武系和奧陶系巖溶裂隙水含水巖組、前震旦系泰山巖群花崗片麻巖裂隙水含水巖組(圖1)。

圖1 肥城市水文地質(zhì)簡圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

圖2 地下水取樣點(diǎn)分布圖

2.2 分析方法

運(yùn)用Excel進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性分析，對(duì)地下水主要組分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性描述，運(yùn)用Piper圖和Gibbs圖以及離子比值等水化學(xué)方法探討研究區(qū)地下水水化學(xué)特征及其控制因素，并基于模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)研究區(qū)地下水進(jìn)行了水質(zhì)評(píng)價(jià)。

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水化學(xué)組分統(tǒng)計(jì)特征

描述性統(tǒng)計(jì)是研究地下水化學(xué)特征的基礎(chǔ)，通過描述性統(tǒng)計(jì)分析，可大致了解地下水中各化學(xué)成分的富集和變化規(guī)律[8]，肥城市地下水主要水化學(xué)參數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)見表1。

3.2 水化學(xué)類型

表1 地下水水化學(xué)主要組分描述性統(tǒng)計(jì)

圖3 Piper三線圖

3.3 Gibbs模型

3.4 離子比值分析

圖4 水化學(xué)Gibbs圖

圖5 地下水水化學(xué)離子比值

3.5 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)

利用模糊綜合評(píng)價(jià)法建立地下水質(zhì)量綜合判別隸屬度集，確定評(píng)價(jià)集，建立隸屬函數(shù)[13-14]。

1級(jí)水的隸屬函數(shù)，即j=1：

(1)

2級(jí)至第(m-1)，即j=2，3，……(m-1)：

(2)

m級(jí)，即j=m：

(3)

式中：Xi—第i中水質(zhì)污染因子的實(shí)測值；Sij—第i種因子第j級(jí)水的標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)各因子地下水質(zhì)量的隸屬度，可組成模糊矩陣R：

(4)

權(quán)重值的確定公式如下：

(5)

式中：Wi—第i種污染物的權(quán)重因子；Ci—第i種污染因子的實(shí)測值；Si—第i種染物的標(biāo)準(zhǔn)值的平均值。

得出地下水質(zhì)量綜合判別模型：D=W·R

基于模糊綜合評(píng)價(jià)法，得出研究區(qū)大部分地下水質(zhì)較好，以Ⅱ,Ⅲ類水為主，其中Ⅱ類水占35%，Ⅲ類水占30%；但Ⅴ類所占比重也較大，占到了35%，評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

表2 地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果

地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果分區(qū)如圖6所示，由圖6可以看出，肥城市及其周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)、南部的邊院鎮(zhèn)、安駕莊鎮(zhèn)地區(qū)的地下水質(zhì)量較好，均為Ⅱ，Ⅲ類水，而在安臨站鎮(zhèn)、孫伯鎮(zhèn)、王莊鎮(zhèn)和石橫鎮(zhèn)附近地區(qū)地下水水質(zhì)較差，為Ⅴ類。

圖6 地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果分區(qū)圖

4 結(jié)論

(2)地下水化學(xué)類型以HCO3-Ca，HCO3·SO4-Ca為主，同時(shí)也存在HCO3·Cl-Ca和HCO3·SO4-Ca·Mg型。水-巖作用是控制研究區(qū)地下水水化學(xué)組分的主要因素，且主要受碳酸鹽巖的風(fēng)化溶解控制。

(3)基于模糊綜合評(píng)價(jià)法，得出研究區(qū)地下水以Ⅱ,Ⅲ類水為主，占65%，主要分布在肥城市及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)、南部的邊院鎮(zhèn)、安駕莊鎮(zhèn)地區(qū)；但Ⅴ類水所占比重也較大，占到了35%，主要分布在安臨站鎮(zhèn)、孫伯鎮(zhèn)以及王莊鎮(zhèn)等附近地區(qū)。