大汶河流域上游典型剖面地下水水化學特征及其影響因素分析

何雪琴, 高宗軍*, 何 錦, 李 偉, 鄧啟軍

(1.山東科技大學地球科學與工程學院，青島 266590；2.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，保定 071051)

河流是地球上水文地球化學循環的重要途徑，河流體系匯集了流域內地下水中物質組成特征[1-3]，研究其體系的水化學特征極其演化規律，可以了解區域離子時空分布特點及來源、風化成因及人為影響等情況，以此更能科學有效地指導水資源的分配。自20世紀50年代，中外相關學者就開始進行流域水化學研究。Naicker等[4]對南非Berg河流域Sandspruit支流進行了環境同位素和水化學特征的研究，得出地下咸水是由于水分蒸發、鹽分溶解和地下水混合作用所致，總溶解固體(total dissolved solids，TDS)的變化隨季節性和地下水流方向變化；馬丹等[5]研究拉薩河羊八井剖面水化學特征，得出離子成分主要溶濾、陽離子交替吸附作用、脫炭酸作用影響；朱譜成等[6]對黃河中游支流流域-悖牛川地區展開水化學研究，結果表明溶濾作用是控制區域地下水化學組分形成的主要作用，地下水化學組分來源于碳酸鹽、鋁硅酸鹽和蒸發巖的溶解；趙新鋒等[7]研究了珠江三角洲閉合型小流域，得出水化學演化規律主要受到三種作用控制，分別為風化-溶濾作用、離子交換作用及海陸交互作用。

大汶河起源于山東省中部的淄博市沂源縣沙崖子村，是黃河最末一條大支流，也是中國南水北調東線工程的重要水源。其流域內支流眾多，水利工程密布，人口密度大，工(特別是采礦業)農業等社會經濟較為發達。近年來，隨著城鎮化發展的不斷加快、流域水資源配置不均衡、水體污染嚴重、地下水開采程度過高，這無疑對水環境形成了嚴重的威脅[8-10]。因此對目標區域流域進行相關水化學研究工作能夠查明其補給或污染來源，合理有效的開發利用水資源。截至目前，對大汶河流域水化學特征做系統研究較少。陳晨等[11]通過對大汶河流域泰來盆地水化學特征分析，重點討論硫酸根離子的來源，分析得出硫酸根離子來源不僅是石膏等硫酸鹽礦物的溶解，還存在其他來源；周樂等[12]重點研究古近系含水巖組水文地質特征，結果總結出三種地下水富集規律。基于此，選取大汶河流域上游兩個典型剖面，并沿著剖面線采集水化學不同類型水化學樣品，利用數理統計分析法、離子比例法和同位素分析等方法展開系統研究，重點分析大汶河流域地下水化學特征及補給來源，以期對大汶河流域內地下水資源的規劃及水污染的防治提供科學的依據。

1 研究區概況

研究區位于山東省中部，地理坐標在東經116°11′15″～118°0′0″，北緯35°37′30″～36°32′30″。東邊以魯山為界，南以蒙山支脈并與沂河、泗河相鄰，西入東平湖與黃河相連，北以泰山山脈并與小清河及北大沙河兩條河流作為分支，流域東西跨度175 km，總的流域面積為 9 069 km2。研究區屬華北地層大區，晉冀魯地層區，魯西地層分區。區內地層發育有太古界前震旦紀泰山巖群變質巖，下古生界寒武紀、奧陶紀碳酸鹽巖、頁巖，石炭-二疊紀煤系地層，中生界侏羅紀、白堊紀砂巖，新生界古近紀、新近紀砂巖、礫巖、泥巖、泥灰巖、黏土巖及第四紀松散巖等。從水文地質區域劃分來看，研究區是以碳酸鹽巖類為主的水文地質區[13]。大汶河流域地處中緯度帶，氣候類型為暖溫帶大陸性季風氣候，據統計觀測多年來平均降雨量為(700±20) mm，平均氣溫為12～14 ℃。

為總結分析大汶河流域水文地球化學特征，明確其物質來源，沿區域地下水流方向，選擇了兩條典型剖面線進行分析，其中A-A′為田家林-小古城剖面，B-B′為南方下-北王莊剖面(圖1、圖2)。

圖1 研究區采樣點位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling point location in study area

圖2 研究區典型剖面水文地質圖Fig.2 Hydrogeological map of typical sections in the study area

2 數據來源及方法

2.1 樣品采集與分析

2.2 數據處理與分析

在使用實驗室測試后所取得的水化學數據進行分析之前，首先需要對采集的水樣數據進行可靠性檢驗，這樣才能使得解釋的水文地球地球化學問題才更加科學與合理。采用陰陽離子平衡檢驗法，運用電中性方程檢驗地下水化學分析中常規離子電荷平衡的誤差，陰陽離子電荷平衡誤差在5%以內。然后利用Aq·QA軟件繪制Piper三線圖，對剖面進行簡單水化學分類，同時利用SPSS 20.0軟件進行聚類分析，放在所繪制的三線圖里，通過對比驗證說明樣品所屬水化學類別及相關性。而離子比圖、氫氧同位素等圖件繪制采用Excel 2010軟件，進一步分析地下水中主要的離子來源及補給來源。同時選取兩條剖面進行分析驗證，使結果更加真實，具有說服力。

3 結果分析

3.1 水化學組分特征及水化學類型

3.1.1 水化學組成特征

表1 研究區水樣水化學主要離子含量統計Table 1 Statistics of main ionic content in water chemistry of water samples in the study area

3.1.2 水化學類型

圖3 地下水Piper三線圖及聚類樹狀圖Fig.3 Piper three-line map and cluster tree map of groundwater

3.1.3 pH及TDS時空分布特征

pH和TDS兩個指標的分析是了解該地區水化學特征最快捷和有效的方法[16]。由圖4可知，A-A′ 剖面pH為6.6～8，均值為7.33，B-B′剖面pH為7.4～8.1，均值為7.6，pH變化幅度不大，偏弱堿性。同時兩個剖面除個別水樣，TDS基本小于1 g/L，屬于低礦化度水，說明其徑流條件較好。從A-A′剖面TDS變化圖可知，巖溶水南部補給-徑流區隨著地勢逐漸降低，沿流向隨著路徑的增加，地下水中溶解的物質越多，Y02～Y06中TDS含量明顯呈遞進式升高，在南劉家莊TDS含量最高，為771 mg/L。而北部補給-徑流區地下水中TDS含量較高，為330～990 mg/L，其中孔隙水除K12外，其TDS沿地下水流向逐漸增高，可能形成區域性水流。中部排泄區主要位于萊蕪盆地中部，以河流排泄為主，此處地下水中TDS含量最高，在大汶河處達到最大為 1 200 mg/L。

圖4 研究區TDS與pH變化Fig.4 TDS and pH changes in the study area

3.2 主要水化學組分影響因素分析

3.2.1 離子比例關系及主要來源分析

由于水體中離子主要來源于大氣降水、巖石風化溶解和人類活動影響，一些離子的比例系數也會存在較為明顯的變化，所以一般用水體中各種離子的比值來反推其來源[17-19]。地下水中的K+、Na+一般主要源自于大氣降水和巖鹽蒸發溶解。在沒有受到人類活動的影響下，巖鹽溶解是Na+和Cl-的主要來源，而且其離子比值應該位于1∶1等量線附近。從圖5可以看出，兩個剖面大部分水樣點位于Na+∶Cl-=1∶1線附近，說明離子來源于大氣降水和巖鹽溶解。而巖溶水樣Y03位于1∶1線上方，說明Na+含量較高，可能來自硅酸鹽的風化溶解。而部分孔隙水樣偏離1∶1等量線，位于線下方，說明可能還有其他來源，經上文分析，兩個孔隙水可能因為研究區第四系松散沉積物中含有黏土礦物，黏土礦物中的Na+可能與Ca2+發生交換作用。通常氯堿指數(CAI)[20]的變化用來判別地下水中是否發生離子交換作用[21]。若發生正向Ca-Na交換，則兩個指數均小于零；當發生反向Na-Ca交換時，兩個指數均為大于零。

圖5 地下水中離子關系Fig.5 Ion relationship in groundwater

CAI1=[c(Cl-)-c(Na++K+)]/c(Cl-)

(1)

(2)

圖6 地下水中相關離子比值關系Fig.6 Relationship between relevant ion ratio in groundwater

3.2.2 地下水補給來源分析

氫氧穩定同位素方法常用來判斷地下水的補給來源[24]。根據補給路徑可以將圖大致分為A、B兩個區域，兩個區域δD、δ18O變化范圍較大，表明地下水有不同補給的來源。從δD、δ18O關系圖7中，并對比全球大氣降水線(global meteoric water line，GMWL)[25]和當地大氣降水線(regional meteoric precipitation line，LMWL)[26]，如圖7所示，兩剖面水樣點都位于降水線附近，并偏離降水線位置右下方，這表明降水在補給地下水過程中存在一定的蒸發。這與周樂等[12]研究結論一致，但在此基礎上可以進一步分析得出A區域三個巖溶水樣點分布較集中，與地表水距離較遠，孔隙水距離較近，補給來源為大氣降水和孔隙水的入滲補給，Y03位于硅酸鹽作用控制區，水樣δD、δ18O 較低，地下水循環深度較大，經歷了充分地水巖作用。地表水與孔隙水氫氧同位素特征相似，并且δD為-60‰～-50‰，δ18O為-6‰～-4‰，說明其受到了當地降水二次蒸發補給的影響。也就是說孔隙水和地表水受到大氣降水補給并經歷了一定的蒸發作用，而巖溶水主要是受到深部斷裂帶循環水和淺部孔隙水混合補給而成。

圖7 研究區典型剖面δD和δ18O的散點關系圖Fig.7 Scatter diagram of typical sections of δD and δ18O in the research area

4 結論

(3)流域巖溶水樣除Y03位于斷裂帶附近的深部巖溶水，受硅酸鹽風化控制的影響，其他水樣受碳酸鹽風化控制，孔隙水還受到陽離子交換作用。

(4)根據流域地下水氫氧穩定同位素測試數據分布顯示，說明大氣降水在入滲補給地下水過程中，蒸發作用對其產生了一定的影響。地表水與孔隙水氫氧同位素特征相似，并且δD為-60‰～-50‰，δ18O為-6‰～-4‰，說明孔隙水和地表水受到大氣降水補給并經歷了一定的蒸發作用，而巖溶水主要是受到深部斷裂帶循環水和淺部孔隙水混合補給而成。