泰安市城區巖溶地下水水化學特征及成因分析

李曉波，趙新村*，李明毅，郄亮，李星辰，楊寶萍，王延嶺，孫大偉

(1.山東省地礦局巖溶塌陷防治重點實驗室，山東 泰安 271000；2.山東省第五地質礦產勘查院，山東 泰安 271000)

0 引言

巖溶水是我國許多大城市工農業生產、生活的主要供水水源[1]。在我國北方地區由于氣候原因，地表水資源相對匱乏，地下水尤其是巖溶地下水在農田灌溉、城市供水中地位顯得尤為重要[2-7]。目前，對泰安市巖溶水的研究多集中于地下水水質及地下水開采引起的地質環境問題上，汝亮、焦玉國、王祥永等[8-10]就泰安市城區塌陷成因機理、影響因素及災害防治等內容進行了研究；劉元晴[11]對過量開采巖溶地下水產生的地質環境問題進行了分析；鄧啟軍、潘曉東等[12-13]對泰安市巖溶水文補、徑、排條件，巖溶發育特征等進行了介紹；李肖蘭、馬振民[14-15]等對區內地下水污染現狀、水質變化情況進行了分析，但對該地區巖溶水水文地球化學特征分析及形成機制研究極少報道。本文以泰安市城區巖溶水為研究對象，通過地下水樣品采集，運用數理統計分析、水文地球化學圖解、礦物飽和指數等方法，分析巖溶水的水化學特征，在此基礎上研究巖溶水水化學成分的形成機制，以期為泰安市城區巖溶地下水開發利用及環境保護提供水化學依據。

1 研究區概況

研究區面積約308km2。屬暖溫帶季風大陸型性氣候，四季分明，春旱多風，夏熱多雨，秋旱少雨，冬寒少雪，多年平均氣溫為12.8℃，多年平均降水量為957.24mm(1960—2021年)。地貌類型為泰山山前沖洪積平原，地勢總體由西北向東南傾斜，地形坡度小于1/1000。受大氣環流、季風和地形條件影響，降水量時空變化較大，呈現降水量年內分配不均、年際間變化較大和降水具有連豐、連枯交替出現的特點。區內地表水體主要有大汶河支流牟汶河，其他河流如芝田河、明堂河、梳洗河等，均為發源于泰山山谷的雨源性季節性河流[16-17]。

寒武-奧陶紀碳酸鹽巖類裂隙巖溶水是研究區的主要含水巖組，分布于研究區的大部分區域，巖性為灰巖、白云質灰巖、白云巖、灰質白云巖和泥灰巖為主。除區內南部有零星露頭外，其余均隱伏于第四紀地層之下，地下水賦存條件較好，巖溶較發育，含水層厚度在70～80m，單位涌水量為1.30～18.18L/(s·m)，是區內工農業供水主要目的層，泰安市曾將其作為城區水源地供水層位。區內巖溶水主要補給來源有兩類：一是第四系水“天窗”補給；二是區外基巖裂隙水含水層側向徑流補給。受構造影響徑流方向為由北西向南東徑流，與地形坡度及第四系流向基本一致，排泄方式為人工開采、徑流排泄及托頂補給第四系孔隙水。

2 材料與方法

1—灰巖埋藏區；2—灰巖裸露區；3—變質巖區；4—水系；5—地下水流向；6—斷裂；7—采樣點及編號圖1 研究區采樣點分布

3 結果與討論

3.1 主要水化學指標統計分析

通過對地下水中各化學成分進行數理統計，可以分析其變化規律[18]。研究區地下水水化學成分分析結果見表1。由表1可知，地下水中的pH變化范圍為6.7～7.7，平均值為7.3，均為中性水(6.5450mg/L)。

變異系數(Cv)可衡量各個組分變異程度，從而進一步說明地下水化學組分形成的復雜程度，當Cv≥1，表示其變異性較強；當0.1

表1 地下水水化學參數分析結果表 單位：mg/L

3.1.1 水化學類型及分布特征

Piper 圖是由一個等邊平行四邊形及2個等邊三角形的組成，濃度單位為當量百分數，Piper三線圖通常用來進行水化學成分分類、水化學成分演化等研究[21-22]。從圖2左下三角形區域可以知道，研究區地下水陽離子主要以Ca2+為主，毫克當量百分數在60%～90%之間，主要分布于菱形區1區，表明堿土金屬Ca2+、Mg2+含量大于堿金屬Na+、K+含量，Ca2+、Mg2+為研究區地下水中主要陽離子。

圖2 研究區巖溶地下水Piper 三線圖

3.1.2 水化學相關性分析

圖3 研究區巖溶水TDS與主要陰陽離子關系圖

表2 研究區巖溶地下水主要化學組分相關系數矩陣

3.2 地下水水化學形成作用分析

3.2.1 地下水水化學成因類型分析

Gibbs圖常用于研究水—巖相互作用對地下水化學演化機制的影響。它將天然水化學組分的控制因素分為大氣降水控制型、水巖相互作用控制型和蒸發-濃縮控制型3種[24-25]。

RWD—巖石風化作用；ECD—大氣降水作用；APD—蒸發結晶作用圖4 研究區巖溶地下水水化學Gibbs分布圖

3.2.2 離子比值分析

離子比值法可以進一步判斷地下水水化學組分的控制因素與成因[26]。

Na+與Cl-之間的毫克當量比值關系可以反映Na+和Cl-的來源[27-28]。當Na+與Cl-毫克當量比值等于1(式1)，表明巖鹽是地下水中Na+的主要來源；當Na+與Cl-毫克當量比值大于1時，表明地下水中Na+除巖鹽溶解外還有其他來源，可能是硅酸鹽溶解如鈉長石(NaAlSi3O8)(式2)；當Na+與Cl-毫克當量比值小于1時，表明地下水可能存在著人為污染導致Cl-含量增加或者存在反向陽離子交換作用導致地下水中Na+減少(式3)。

NaCl→Na++Cl-

(1)

2NaAlSi3O8+2CO2+11H2O→Al2Si2O5(OH)4+

(2)

2Na++ CaX2→Ca2++2NaX

(3)

由圖5(a)可知，研究區地下水樣主要分布在Na+/Cl-=1附近，說明研究區巖鹽溶解是地下水中Na+、Cl-主要來源，部分點位Na+/Cl-=1下方，表明研究區地下水可能存在陽離子交換作用或者存在人為污染導致Cl-含量增加。

圖5 研究區地下水離子比值

(4)

(5)

(6)

氯堿指數可以進一步確定地下水中陽離子交替吸附作用發生的方向及強度[34]。當CAI-1和CAI-2均為負值時，表明地下水中的Ca2+將含水層礦物中的Na+交換出來，即發生正向陽離子交替吸附作用，反之，當CAI-1和CAI-2均為正值時，即發生逆向陽離子交替吸附作用，導致地下水中Na+減少，Ca2+含量增加。

3.3 飽和指數分析

計算巖溶含水層中巖鹽(NaCl)、石膏(CaSO4·2H2O)、方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)等礦物的飽和指數(SI)，可進一步確定研究區地下水是否產生了溶濾作用[35-36]。利用PHREEQC軟件計算研究區地下水不同礦物的SI，當SI<0時，表明該礦物在水溶液中未達到飽和狀態，礦物將發生溶解；當SI=0，表明該礦物在水溶液中正好處于平衡狀態；當SI>0，表明該礦物在水溶液處于飽和狀態，礦物將發生沉淀。由于水質分析、礦物平衡常數和離子活度計算中存在一定的誤差，導致SI的計算結果存在一定的不確定性，當SI的變化范圍在0±0.5時，可認為礦物相對水溶液處于平衡狀態[37]。

由地下水中主要礦物SI與TDS關系(圖6)可知，研究區巖溶含水層中鹽巖SI變化范圍為-8.18～-6.12，均值為-6.92；方解石的SI變化范圍為-0.75～0.42，均值為0.19；白云石的SI變化范圍為-1.50～0.48，均值為-0.04；石膏的SI變化范圍為-2.38～-0.83，均值為-1.28。地下水中石膏(CaSO4·2H2O)和巖鹽(NaCl)的SI均小于0，表明其呈溶解狀態；方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)的SI在0附近，呈溶解/沉淀狀態，且可以看出隨著TDS增大，各礦物SI均呈現上升趨勢。綜上所述，進一步證實碳酸鹽巖礦物中的方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)，以及蒸發巖礦物中的石膏(CaSO4·2H2O)、巖鹽(NaCl)是研究區地下水的主要離子來源。

圖6 地下水中主要礦物SI與TDS關系

3.4 人為活動影響

圖7 研究區地下水與Cl-關系圖

4 結論

(2)研究區巖溶水水化學類型以HCO3-Ca型、HCO3·SO4-Ca 型、HCO3·SO4·Cl-Ca型為主，研究區地下水化學成因主要受到巖石風化作用的控制，而大氣降雨和蒸發結晶的影響相對微弱，主要以碳酸鹽巖、硫酸鹽類礦物的風化溶解為主，局部伴隨著硫酸鹽礦物的溶解，其中巖鹽、石膏尚處于不飽和狀態，方解石、白云石已達到沉淀/溶解平衡狀態。區內地下水化學成分除受水巖相互作用外，還受陽離子交替作用、人為活動的影響，導致地下水化學成分發生顯著變化。