泰安城區孔隙水水化學特征及水質評價

孟令華　侯新星　郝瑞娥　吳樹明　邢香粉　周龍濤　王浩　王聰　朱禮敏

摘 要：為分析泰安市城區孔隙水水化學特征及水質現狀，選取2021年采集的31件水樣，運用數理統計、Piper三線圖、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，運用改進的內梅羅綜合指數評價法對孔隙水水質進行評價。結果表明：泰安城區孔隙水陽離子以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。孔隙水水化學類型復雜，水化學成分主要受巖石風化作用的控制，以碳酸鹽巖的風化溶解為主，其次為硅酸鹽巖風化溶解，同時還受陽離子交替吸附作用和人類活動的影響。研究區孔隙水水質相對較差，Ⅳ、Ⅴ類水占樣品總數的74.19%，水質影響因子主要為NO3 -和總硬度。

關鍵詞：孔隙水；水化學特征；水質評價；泰安城區

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，在工農業及生活供水方面發揮著舉足輕重的作用。隨著社會經濟的快速發展，工業“三廢”、城市生活垃圾的無序排放及農業生產過程中化肥及農藥的大量使用，導致地下水污染日益嚴重（Vodyanitskii et al.，2016；Zeng et al.，2016）。據《2021中國生態環境狀況公報》，在2021年監測的1 900個國家地下水環境質量考核點位中，Ⅴ類水質點占20.6%。近年來，隨著我國地下水供水安全和污染防治工作的的日益重視，眾多專家學者在地下水水化學特征和水質評價方面開展了大量研究工作。如程敏等（2020），運用統計分析、piper三線圖、Gibbs圖對察布查爾縣地區地下水化學特征進行分析，并采用模糊綜合評價法評價地下水水質，認為該區水化學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三線圖、Gibbs圖和趨勢分析法分析了輝縣地區水化學類型及其演化特征，運用內梅羅指數法和模糊數學綜合法進行水質評價，認為該區水化學主要受水巖作用控制，同時受地表水及人為因素影響，地下水質量基本較好；白凡等（2022）運用數理統計、Piper三線圖、Gibbs圖、離子比值法對吐魯番盆地平原區地下水水化學特征及成因進行分析，運用改進內梅羅指數法對地下水質量進行評價，認為該區水化學成分主要受蒸發濃縮和巖石風化共同影響，地下水質量整體較好。眾多研究成果表明，通過地下水水化學特征的研究和水質評價，可以掌握區域地下水水化學成分的來源，分析污染程度，對生態環境保護、地下水資源合理配置、城市經濟發展具有重要現實意義。

泰安市位于泰山腳下，是魯中地區中心城市之一，工農業較發達。泰安城區一帶地下水資源較豐富，為重要的供水水源地，自20世紀80年代以來，隨著社會經濟的發展，城市用水量不斷增加，人類活動對地下水系統的影響越來越顯著，隨之引發一系列環境地質問題（高宗軍等，2001），地下水重金屬（孟令華等，2022）和“三氮”（孟令華，2023）污染趨于嚴重。近年來隨著泰安城區深層地下水的禁采，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境調查數據，研究泰安城區孔隙水水化學特征，評價孔隙水水質，為地下水資源保護提供依據。

1? 材料與方法

1.1? 地理環境條件

泰安城區地處魯中山區西北部，地勢西北高、東南低，屬于暖溫帶季風大陸性氣候，四季分明，春旱多風、夏熱多雨、秋旱少雨、冬寒少雪，季節性干旱嚴重。泰安城區水系較發育，呈放射狀發育于泰山南坡，東南部發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巖和前寒武紀侵入巖，東部及南部大面積被第四系覆蓋（隱伏寒武紀及奧陶紀地層），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? 水樣采集與測試

2021年11月在泰安市城區采集第四系孔隙水樣品31件，采樣點為民井，井點深度7.5～23 m，采樣點分布位置見圖1。取樣前水井應抽水10 min以上，保證取得的地下水樣來自含水層內部，現場采用漢鈉多水質測定儀HZ98494測試水溫、pH值、電導率、氧化還原電位、溶解氧等項目；取樣容器為聚乙烯塑料瓶，取樣前用蒸餾水沖洗，然后用新鮮水潤洗3次，取樣后冷藏保存，并及時送至山東省魯南地質工程勘察院實驗測試中心進行檢測，按照HJ 164－2020《地下水環境監測技術規范》和GB/T 14848－2017《地下水質量標準》執行。測試項目包括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。

1.3? 分析方法

選擇Excel軟件對地下水測試數據進行數理統計分析，運用Piper三線圖、離子相關性分析、Gibbs圖及離子比值等方法探討泰安城區孔隙水水化學特征及成因，采用改進的內梅羅綜合指數評價法進行水質評價。

2? 水化學特征

2.1? 水化學組成特征

對孔隙地下水樣品的常規水化學指標進行統計，見表1。結果顯示：孔隙水中陽離子平均含量關系為Ca2+>Na+>Mg2+>K+，陽離子以Ca2+和Na+為主，占陽離子總量的86.36%；陰離子平均含量關系為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）含量介于3.08～111.07 mg·L-1之間，平均值31.85 mg·L-1。從變異系數看，可能受人類活動影響的離子K+、NO3 -、Cl-和SO4 2-的變異系數分別為3.41、0.73、0.55和0.47，屬于高度變異，說明它們的空間差異性較強，離子成分穩定性較差，局部已受到人類活動的影響（鄭濤等，2021；薛東青等，2022；姚普等，2022）。

進行地下水化學類型劃分是研究認識水化學特征的重要手段。從圖2可以看出，孔隙水陽離子分布較為集中，絕大多數樣品的Ca2+毫克當量百分數大于50%，分布在鈣型區域，少部分Na+毫克當量百分數大于25%。陰離子分布較分散，雖然以HCO3 -為主，但SO4 2-、Cl-亦占據了一定的比重。根據舒卡列夫分類法，研究區孔隙水水化學類型復雜多變，受外界因素影響明顯，共有16種水化學類型，主要為HCO3·SO4-Ca型、HCO3-Ca型、HCO3·Cl·SO4-Ca型，分別占孔隙水樣品數的19.4%、12.9%、12.9%。

2.2? 水化學成因分析

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組分的控制因素，比如巖石風化、蒸發結晶作用、大氣降水作用。圖3中，絕大部分孔隙水點的Cl-/（Cl-+HCO3-）和Na+/（Na++Ca2+）值小于0.5，樣點基本落于Gibbs圖中間靠左的區域，說明研究區孔隙水水化學組分的主要控制因素是巖石風化作用，而蒸發結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，地下水與巖土長期相互作用過程中產生了各種離子，利用它們的比值關系可以進一步推斷水化學組分的控制因素。

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

（Ca2++Mg2+）與（HCO3 -+SO4 2-）的毫克當量比值關系可以反映地下水中Ca2+和Mg2+的來源，當γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3 -+SO4 2-）大于1時，說明Ca2+和Mg2+主要來源于碳酸鹽巖的溶解，當γ（Ca2++Mg2+）/γ（HCO3 -+SO4 2-）小于1時，則Ca2+和Mg2+主要來源于硅酸鹽巖或蒸發巖的溶解（馮建國等，2020；秦娜等，2022）。圖5中，絕大多數孔隙水樣點落于1∶1線的上方，僅有少數點落于下方，Ca2+和Mg2+相對盈余，說明本區碳酸鹽巖的風化溶解占主導地位，其次為硅酸鹽巖風化溶解。

通過（Mg2++Ca2+-SO4 2--HCO3 -）與（Na++K+-Cl-）的毫克當量比值關系可以判斷地下水中是否發生了陽離子交替吸附作用。若γ（Mg2++Ca2+-SO4 2--HCO3 -）與γ（Na++K+-Cl-）呈線性關系，且斜率接近-1，則存在明顯的陽離子交換作用（Fisher et al.，1997）。在圖6中，孔隙水樣點沿斜率為-1.304的直線分布，相關系數R2=0.754，表明陽離子交替吸附作用在一定程度上影響了孔隙水水化學組分的來源，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+相對盈余。

2.2.3? 人類活動的影響

NO3-是水體受到人為因素影響的重要指示因子，水體中天然來源的NO3-濃度限值為10 mg·L-1，超過這一限值則認為有人為氮源的輸入（Yin et al.，2020）。研究區孔隙水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87.10%，這說明孔隙水化學組成已明顯受到人為因素的影響。Cl-在地下水中性質穩定，水體遷移過程中一般不參與化學反應或離子交換，常作為地下水化學組分來源的示蹤劑，同時水環境中高濃度的Cl-與人類活動有關，因此可以用Cl-與NO3 -的相關關系、Cl-與SO4 2-的相關關系來指示地下水中NO3 -、SO4 2-組分的來源（繆麗萍等，2020）。圖7中，NO3 -濃度超過天然限值的水點中Cl-與NO3 -呈顯著線性相關（R2=0.432 2），同時Cl-與SO4 2-也表現出顯著的正相關性（R2=0.455 0），說明人類活動（居民生活、工農業生產等）對地下水中NO3 -和SO4 2-存在影響。

3? 孔隙水水質評價

3.1? 評價方法

水質評價是地下水資源保護及合理開發利用的前提，目前地下水質量評價方法較多，其中改進的內梅羅綜合指數評價法在地下水水質評價中具有較為廣泛的應用，該方法解決了因單項指標評分值不連續導致的水質評價靈敏度低的問題（倪天翔等，2018）。改進的內梅羅綜合指數法評價公式為：

根據計算得到的F'值，按照表2的標準劃分對應的地下水質量級別。

3.2? 評價結果

根據研究區采集的31處孔隙水采樣數據，選取pH、總硬度（TH）、溶解性總固體（TDS）、SO4 2-、Cl-、Na+、NO3 -、HN4 +、NO2 -等9項因子，依據GB/T 14848－2017《地下水質量標準》，運用改進的內梅羅綜合指數評價法，進行孔隙水水質評價，結果見表3、圖8。

可以看出，研究區孔隙水水質相對較差，31件孔隙水樣品中，無Ⅰ類水樣品，Ⅱ、Ⅲ類水樣品8件，占樣品總數的25.81%，主要分布于研究區西北部，即泰安市政府—岱廟一帶；Ⅳ、Ⅴ類水樣品23件，占樣品總數的74.19%，水質影響因子主要為NO3 -和總硬度，分布于研究區東部及南部的廣大區域，可能與居民生活垃圾及污水的無序排放、農用地化肥的長期過量施用有關。

4? 結論

1）泰安城區孔隙水陽離子以Ca2+和Na+為主，占陽離子總量的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。可能受人類活動影響的離子K+、NO3 -、Cl-和SO42-的變異系數較大，空間差異性較強。

2）泰安城區孔隙水水化學類型復雜，主要為HCO3·SO4-Ca型、HCO3-Ca型、HCO3·Cl·SO4-Ca型；水化學組分主要受巖石風化作用的控制，以碳酸鹽礦物的風化溶解為主，其次為硅酸鹽礦物風化溶解，同時還受陽離子交替吸附作用和人類活動的影響。

3）運用改進的內梅羅綜合指數評價法對泰安城區孔隙水進行水質評價，區內孔隙水水質相對較差，Ⅳ、Ⅴ類水占樣品總數的74.19%，水質影響因子主要為NO3 -和總硬度。

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收稿日期：2023-07-05；修回日期：2023-08-09

基金項目：山東省泰安市城區城市地質調查（城市地下空間地質調查評價部分）項目（SDGP370900202102000047）資助

第一作者簡介：孟令華（1984- ），男，碩士，高級工程師，主要從事城市地質調查、區域地質調查及礦產勘查工作。E-mail：401199685@qq.com

引用格式：孟令華，侯新星，郝瑞娥，吳樹明，邢香粉，周龍濤，王浩，王聰，朱禮敏，2023.泰安城區孔隙水水化學特征及水質評價［J］.城市地質，18（4）：32-39