泰萊盆地西南部地下水位和硝酸鹽濃度動(dòng)態(tài)特征及成因機(jī)制

摘要：地下水是物質(zhì)運(yùn)移和轉(zhuǎn)化的重要載體。泰萊盆地西南部地下水硝酸鹽濃度較高，目前針對該地區(qū)地下水位和地下水硝酸鹽濃度動(dòng)態(tài)變化特征及成因機(jī)制的研究較為缺乏。本文基于席橋、劉范和沙河站監(jiān)測井20余年地下水位和水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，運(yùn)用連續(xù)小波變換和小波相干分析，識(shí)別地下水位動(dòng)態(tài)變化特征和影響因素，運(yùn)用水化學(xué)圖解法和離子比例關(guān)系法揭示枯水期和豐水期地下水硝酸鹽濃度時(shí)空變化特征及成因機(jī)制。結(jié)果表明：地下水位呈現(xiàn)11 a、6～8 a和年際動(dòng)態(tài)變化特征以及14 a動(dòng)態(tài)變化趨勢，地下水位周期變化特征主要受降雨影響；研究區(qū)水化學(xué)特征受水巖作用主導(dǎo)，主要來源于碳酸鹽礦物和硫酸鹽礦物溶解，還受陽離子交換作用影響；人類活動(dòng)對地下水硝酸鹽濃度影響顯著，豐水期硝酸鹽濃度顯著高于枯水期，豐水期地下水中NO^-₃主要來源于農(nóng)業(yè)化肥污染，枯水期地下水中NO^-₃主要來源于工業(yè)污水和糞便污染。

關(guān)鍵詞：地下水；硝酸鹽污染；小波分析；動(dòng)態(tài)變化；泰萊盆地

中圖分類號(hào)：TD745

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

地下水是重要的供水水源，也是各種物質(zhì)在地下孔隙中遷移、轉(zhuǎn)化的重要載體^［1-2］。近年來，隨著城鎮(zhèn)化程度增加、經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和氣候劇烈變化，人類活動(dòng)對區(qū)域地下水位和水質(zhì)的影響逐步加劇，導(dǎo)致地下水漏斗、地面沉降、硝酸鹽污染等一系列地質(zhì)環(huán)境問題^［3-5］。地下水作為水循環(huán)的重要參與者，是溝通地表、淺層和深部物質(zhì)的重要媒介^［6-7］，識(shí)別區(qū)域地下水位動(dòng)態(tài)變化特征，探究人類活動(dòng)對地下水動(dòng)態(tài)變化的影響，對區(qū)域水資源管理和地下水污染治理至關(guān)重要。地下水硝酸鹽污染是較為常見的環(huán)境污染問題^［8-9］。地下水中高濃度硝酸鹽對人體健康影響較大，長期飲用可能會(huì)引起高鐵血紅蛋白癥和消化道系統(tǒng)疾病，嚴(yán)重威脅人體健康，尤其是嬰幼兒健康^［10-11］。地下水中硝酸鹽主要來源于未被農(nóng)作物吸收的含氮化肥、生活和工業(yè)污水中的含氮物質(zhì)、自然界中不同形式氮的相互轉(zhuǎn)化^［12-14］。為控制地下水硝酸鹽污染，分析人類活動(dòng)對地下水硝酸鹽濃度變化影響，探究枯水期、豐水期地下水硝酸鹽濃度變化特征及其影響因素尤為關(guān)鍵。

泰萊盆地位于魯中山區(qū)，地處泰萊凹陷帶，區(qū)域地表水系發(fā)育，但多為季節(jié)性河流，不同類型地下水廣泛分布（圖1），盆地似簸萁狀向西南方向傾斜，區(qū)域內(nèi)河流和地下水向盆地西南部匯集和排泄^［15-17］。盆地西南部區(qū)域人口密集、工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，前人研究結(jié)圖1 研究區(qū)地理位置圖

果表明，魯中地區(qū)地下水硝酸鹽濃度超標(biāo)嚴(yán)重，局部地區(qū)超過100 mg/L，地下水硝酸鹽污染是亟待解決的環(huán)境問題^［18-19］。該區(qū)域地下水類型主要為第四系孔隙水和碳酸鹽類巖溶水，地下水位動(dòng)態(tài)受降雨影響較為顯著，進(jìn)一步影響地下水硝酸鹽污染的分布和遷移^［20-21］。目前針對泰萊盆地地下水的研究多集中在水質(zhì)評價(jià)、水化學(xué)特征、補(bǔ)徑排循環(huán)演化過程和地?zé)豳Y源成因機(jī)制等方面，較少關(guān)注泰萊盆地西南部地下水位和地下水硝酸鹽濃度動(dòng)態(tài)變化特征及影響因素，揭示該區(qū)域地下水位動(dòng)態(tài)變化特征和硝酸鹽污染來源對區(qū)域地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境安全具有重要意義。

本文以泰萊盆地西南部為研究區(qū)，運(yùn)用時(shí)間序列分析方法（連續(xù)小波變換和小波相干）識(shí)別地下水位周期變化特征及影響因素，應(yīng)用水化學(xué)圖解法和離子比例關(guān)系法探究人類活動(dòng)影響下地下水硝酸鹽濃度動(dòng)態(tài)變化特征及成因機(jī)制。

1 地質(zhì)背景

泰萊盆地位于魯中地區(qū)，面積約8 170 km²，氣候類型為溫帶季風(fēng)大陸性氣候，年平均氣溫約12℃，年平均降雨量約770 mm，年平均蒸發(fā)量約1 900 mm。盆地內(nèi)發(fā)育多條地表水系，包括康王河、大汶河、匯河及其支流等。盆地內(nèi)地下水類型主要包括第四系孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶水和巖漿巖與變質(zhì)巖類裂隙水。

盆地北部、東部和南部地區(qū)，泰山群變質(zhì)巖和火成巖出露較為廣泛，風(fēng)化程度較弱，裂隙發(fā)育程度較弱，此區(qū)域地下水類型主要以巖漿巖與變質(zhì)巖類裂隙水為主，富水性較差；盆地西部地區(qū)寒武奧陶系地層發(fā)育，巖性以灰?guī)r為主，伴有頁巖、砂巖和白云巖等，巖溶較為發(fā)育，富水性較強(qiáng)，此區(qū)域地下水類型主要以碳酸鹽巖類巖溶水為主；盆地西部第四系孔隙水主要分布在河流兩側(cè)，含水層主要巖性包括片麻巖、灰?guī)r碎屑等，含水層厚度約50 m，富水性較強(qiáng)，年變幅約2 m，含水層距河流越遠(yuǎn)，水位埋深越大。大氣降雨補(bǔ)給是地下水的主要補(bǔ)給來源，其次是河流滲漏和孔隙水入滲補(bǔ)給地下水。

2 樣品測試、數(shù)據(jù)收集與研究方法

2.1 地下水?dāng)?shù)據(jù)

本研究應(yīng)用數(shù)據(jù)主要為泰萊盆地西南部地下水位和降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)。降雨數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn）。為準(zhǔn)確識(shí)別地下水動(dòng)態(tài)變化特征及影響因素，收集泰萊盆地西南部第四系孔隙水含水層和碳酸鹽類巖溶水含水層地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)篩選后選取數(shù)據(jù)完整度較高的席橋井、劉范井和沙河站井地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究對象，3口監(jiān)測井地下水位監(jiān)測時(shí)間間隔均為10 a。

席橋井深度為170 m，監(jiān)測含水層埋深為128～135 m，含水層類型為碳酸鹽巖類巖溶水，劉范井深度為116 m，監(jiān)測含水層埋深為85～92 m，含水層類型為碳酸鹽巖類巖溶水，沙河站井深度為13 m，監(jiān)測含水層埋深為8～10 m，含水層類型為第四系孔隙水。

2.2 地下水化學(xué)分析

地下水離子組分含量測試，在自然資源部地下水科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成相關(guān)測試、分析工作，測試過程嚴(yán)格遵循《水質(zhì)65種元素的測定電感耦合等離子體質(zhì)譜法》和《地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室測試質(zhì)量管理規(guī)范》。為驗(yàn)證水化學(xué)測試數(shù)據(jù)真實(shí)性與可靠性，開展陽離子、陰離子電荷平衡計(jì)算，見式（1）：

E（%）=|∑Zm_陽離子-∑Zm_陰離子|/∑Zm_陽離子-∑Zm_陰離子×100%（1）

式中：E為電荷平衡誤差；m_陽離子、m_陰離子為陽離子和陰離子的摩爾濃度；Z是離子電荷。當(dāng)電荷平衡誤差小于±10%時(shí)，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果可靠；如果電荷平衡誤差超出±10%時(shí)，則實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果可信度角度。對實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，得到所有測試結(jié)果電荷平衡誤差均處于±10%范圍內(nèi)，測試數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，適用于開展水文地球化學(xué)分析工作。

2.3 小波分析

傅里葉變換是分析時(shí)間序列數(shù)據(jù)的常用方法。地下水位受多種外部因素疊加影響，時(shí)間序列參數(shù)特征（滑動(dòng)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和方差等）呈現(xiàn)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，因此其具有非平穩(wěn)信號(hào)特征^［22-23］。傅里葉變換在分析具有分平穩(wěn)信號(hào)特征時(shí)間序列時(shí)具有局限性，無法針對突變信號(hào)和局部特征開展嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)分析和判斷，小波分析方法可有效彌補(bǔ)傅里葉變換方法的不足。小波分析方法由連續(xù)小波變換和小波相干分析組成，連續(xù)小波變換可以從時(shí)間域和頻率域角度對時(shí)間序列進(jìn)行分解，準(zhǔn)確識(shí)別時(shí)間序列周期特征，小波相干分析可以將兩組時(shí)間序列數(shù)據(jù)在時(shí)間域和頻率域分解后分析二者間的相關(guān)性^［24-26］。

連續(xù)小波變換的原理是：應(yīng)用基小波函數(shù)將時(shí)間序列數(shù)據(jù)投影至特定的頻率域和時(shí)間域空間內(nèi)，從兩個(gè)角度精準(zhǔn)識(shí)別時(shí)間序列周期變化特征。選擇恰當(dāng)?shù)幕〔ê瘮?shù)是應(yīng)用連續(xù)小波變換方法開展時(shí)間序列周期識(shí)別的關(guān)鍵，運(yùn)用不同數(shù)理特性的基小波函數(shù)分解同一組時(shí)間序列所得到的結(jié)果存在差異性^［27-30］。常用的基小波函數(shù)主要包括：高斯函數(shù)、墨西哥帽函數(shù)、哈爾函數(shù)和Morlet函數(shù)等，高斯函數(shù)是不具備尺度函數(shù)特征，刻畫具有非平穩(wěn)信號(hào)特征時(shí)間序列的性能較差；墨西哥帽函數(shù)也不具備尺度函數(shù)特征，但相較于高斯函數(shù)而言，該函數(shù)具備在時(shí)間域和頻域內(nèi)刻畫時(shí)間序列局部化特征的性質(zhì)；哈爾函數(shù)在時(shí)間域上不連續(xù)，刻畫數(shù)據(jù)長度較長的時(shí)間序列性能較差；Morlet基小波函數(shù)具備非正交分解特性，刻畫具有非平穩(wěn)信號(hào)特征時(shí)間序列的性能優(yōu)勢顯著，可精準(zhǔn)識(shí)別時(shí)間序列周期特征，本文應(yīng)用Morlet基小波函數(shù)開展連續(xù)小波變換。

應(yīng)用連續(xù)小波變換分析數(shù)據(jù)長度為N的時(shí)間序列的數(shù)學(xué)過程如式（2）所示^［31-32］：

W（a，b）=（1/a∑N/n=1x（n）φ（n-b）/a）（2）

式中：a表示伸縮范圍，a為實(shí)數(shù)且agt;0；b表示平移距離，b為實(shí)數(shù)；φ（x）為φ（x）=（2/3π^-1/4）（1-x²）e^-x2/2。

小波方差可用于輔助識(shí)別時(shí)間序列周期特征。連續(xù)小波變換可得到小波系數(shù)，對其平方積分可得到小波方差，該過程可用式（3）表達(dá)^［33］：

W_p（a）=∫^∞_-∞|W_p（a，b）|²db（3）

小波相干將兩組時(shí)間序列數(shù)據(jù)在時(shí)間域和頻率域分解后計(jì)算二者相關(guān)性^［34-37］，該過程用式（4）可表示為：

R²（x，y）=|S（s^-1W（x，y））|²/S（s^-1W（x））·S（s^-1W（y））（4）

式中：x、y為兩組不同時(shí)間序列數(shù)據(jù)，W表示兩組時(shí)間序列數(shù)據(jù)小波相干分析，S表示平滑操作，s為小波尺度，取值范圍為［0，1］。

3 結(jié)果

3.1 地下水位周期變化特征

應(yīng)用小波分析方法對地下水位和降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)開展分析，得到小波方差圖（圖2）、小波實(shí)部等值線圖（圖3）和不同周期小波系數(shù)動(dòng)態(tài)變化圖（圖4），可以識(shí)別地下水位和降雨周期變化特征。

席橋井水位在2002—2006年間達(dá)極大值，2014—2016年間達(dá)極小值。綜合小波實(shí)部等值圖和小波方差圖，認(rèn)為席橋井水位在1995—2017年間呈現(xiàn)3種不同時(shí)間尺度的周期變化：1995—2017年呈現(xiàn)11 a周期變化和14 a變化趨勢，2008—2017年間呈現(xiàn)6～8 a周期變化。由席橋井水位與不同周期小波系數(shù)動(dòng)態(tài)變化圖可知，11 a和14 a周期小波系數(shù)均呈現(xiàn)強(qiáng)—弱—強(qiáng)變化趨勢，11 a周期小波系數(shù)振幅略小于14 a周期小波系數(shù)振幅。2002—2006年間，6～8 a、11 a和14 a周期小波系數(shù)均處于峰值，在三者共同作用下，水位升至極大值；2014—2016年，6～8 a、11 a和14 a周期小波系數(shù)處于谷值，受三者共同影響，水位降至極小值。

劉范井水位在2002—2004年間達(dá)極小值，2005—2007年間達(dá)到極大值。綜合小波方差圖和小波實(shí)部等值圖結(jié)果，認(rèn)為劉范井水位在1991—2017年間呈現(xiàn)2種不同時(shí)間尺度的周期變化：1991—2017年呈現(xiàn)14 a周期變化趨勢，1993—2013年間呈現(xiàn)11 a周期變化。由劉范井水位與不同周期小波系數(shù)動(dòng)態(tài)變化圖可知，11 a和14 a周期小波系數(shù)均呈現(xiàn)強(qiáng)—弱—強(qiáng)變化趨勢，14 a周期小波系數(shù)振幅大于11 a周期小波系數(shù)振幅。2002—2004年間，14 a和11 a周期小波系數(shù)均處于谷值，在二者疊加作用影響下，劉范井水位降至極小值；2005—2007年間，11 a周期小波系數(shù)處于峰值，并且14 a周期小波系數(shù)處于上升階段，在二者共同影響下，劉范井水位增加至極大值。

沙河站井水位在2005—2009年間達(dá)到極大值，2002—2004年間達(dá)極小值。綜合小波方差圖和小波實(shí)部等值圖，認(rèn)為沙河站井水位在1993—2017年間呈現(xiàn)3種不同時(shí)間尺度的周期變化：1993—2017年呈現(xiàn)14 a和11 a周期變化，1993—2003年呈現(xiàn)6～8 a周期變化。由沙河站井水位與不同周期小波系數(shù)動(dòng)態(tài)變化圖可知，6～8 a、11 a和14 a周期小波系數(shù)均呈現(xiàn)強(qiáng)—弱—強(qiáng)變化趨勢，14 a、11 a和6～8 a周期小波系數(shù)振幅依次遞減。2002—2004年間，14 a、11 a和6～8 a周期小波系數(shù)均處于谷值，3個(gè)周期疊加影響導(dǎo)致沙河站井水位降至極小值；2005—2009年間，11 a和6～8 a周期小波系數(shù)處于峰值，且14 a處于上升階段，受3個(gè)周期共同影響，井水位升至極大值。

區(qū)域降雨量呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化特征，在2001—2003年間降雨量較小，在2003—2006年間降雨量較大。根據(jù)小波方差圖和小波實(shí)部等值線圖，認(rèn)為東平地區(qū)降雨在2000—2017年間呈現(xiàn)4種不同時(shí)間尺度周期變化，分別是：2000—2017年間呈現(xiàn)14 a周期變化趨勢，2000—2012年間呈現(xiàn)6～8 a周期變化，2000—2017年間呈現(xiàn)4 a和年際周期變化。由降雨量與不同周期小波系數(shù)動(dòng)態(tài)變化圖可知，14 a周期小波系數(shù)振幅最大，呈現(xiàn)強(qiáng)—弱變化趨勢，年際周期小波系數(shù)振幅最小。2001—2003年間，14 a、6～8 a和4 a周期小波系數(shù)均處于谷值，三者共同作用造成降雨達(dá)到極小值；2003—2006年間，14 a、6～8 a和4 a周期小波系數(shù)均處于峰值，在三者共同作用影響下，降雨達(dá)到極大值。

3.2 地下水化學(xué)組分枯水期和豐水期變化特征

泰萊盆地西南部地下水各離子組分含量統(tǒng)計(jì)分析如表1所示。

pH可以反映地下水環(huán)境特征，枯水期地下水pH變化范圍為7.2～8.2，平均值為7.76，豐水期地下水pH變化范圍為6.9～7.49，平均值為7.26，該地區(qū)地下水環(huán)境總體呈現(xiàn)弱堿性。TDS可以反映地下水中主要離子濃度總量，枯水期TDS變化范圍為388～762 mg/L，平均值為606 mg/L，豐水期TDS變化范圍為585～808 mg/L，平均值為676 mg/L。

枯水期和豐水期地下水中各離子濃度高低保持一致，陽離子濃度由高到低為Ca²⁺gt;Na⁺gt;Mg²⁺gt;K⁺，陰離子濃度由高到低為HCO^-₃gt;SO^2-₄gt;Cl^-gt;NO^-₃。計(jì)算枯水期和豐水期不同離子濃度變化率，陽離子濃度變化率范圍為10%～37%，Mg²⁺離子濃度變化率最大，K⁺離子濃度下降；陰離子濃度變化率范圍為-48%～58%，HCO^-₃離子濃度變化率最大，NO^-₃離子濃度變化率次之，SO^2-₄和Cl^-離子濃度下降。對比研究區(qū)枯水期和豐水期地下水中各離子濃度，發(fā)現(xiàn)豐水期HCO^-₃和NO^-₃離子濃度比枯水期離子濃度更高，表明豐水期地下水中離子濃度受水巖作用和人類活動(dòng)影響更強(qiáng)烈。

4 討論

4.1 地下水位年際變化影響因素

為分析影響地下水位呈現(xiàn)年際變化的外部因素，應(yīng)用小波相干分析方法，從時(shí)間域和頻率域角度深入探究地下水位和區(qū)域降雨量的相關(guān)性。從圖5可知，在256～512 d時(shí)間尺度，2000—2017年，席橋井水位與區(qū)域降雨呈現(xiàn)高度相關(guān)性，2000—2011年間，劉范井水位和沙河站井水位均與區(qū)域降雨呈現(xiàn)高度相關(guān)性，3組小波相干分析結(jié)果的置信水平均高于95%。因此，泰萊盆地西南部地下水位年際周期變化特征主要受區(qū)域降雨量動(dòng)態(tài)變化影響。

4.2 地下水化學(xué)特征成因機(jī)制

Gibbs圖可用于判斷地下水化學(xué)特征成因機(jī)制，主要包括蒸發(fā)作用、水巖作用和大氣降雨。當(dāng)Na⁺/（Na⁺+Ca²⁺）或Cl^-/（Cl^-+HCO^-₃）比值較高（接近于1）且TDS較大時(shí)，地下水化學(xué)組分主要受蒸發(fā)作用控制；當(dāng)Na⁺/（Na⁺+Ca²⁺）或Cl^-/（Cl^-+HCO^-₃）比值較小（小于0.5）且TDS中等時(shí)，地下水化學(xué)特征主要受水巖作用控制；當(dāng)Na⁺/（Na⁺+Ca²⁺）或Cl^-/（Cl^-+HCO^-₃）比值較高（接近于1）且TDS較小時(shí)，地下水化學(xué)特征主要受大氣降雨作用控制。

由圖6可知，研究區(qū)不同季節(jié)地下水TDS變化范圍為388～808mg/L，平均值641mg/L，Na⁺/（Na⁺+Ca²⁺）變化范圍為0～0.35，平均值為0.20，Cl^-/（Cl^-+HCO^-₃）變化范圍為0.12～0.47，平均值為0.28，集中分布于TDS適中且離子濃度比值較小（小于0.5）的區(qū)域，即水巖作用區(qū)域，遠(yuǎn)離蒸發(fā)作用和大氣降雨作用區(qū)域。因此，研究區(qū)地下水化學(xué)特征主要由水巖作用主導(dǎo)，地下水化學(xué)組分中的K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺、Cl^-、HCO^-₃等主要來源于巖石風(fēng)化作用。

基于Ca²⁺/Na⁺與Mg²⁺/Na⁺、HCO^-₃/Na⁺間比例關(guān)系，進(jìn)一步探究不同類型巖石風(fēng)化對地下水化學(xué)特征的影響。研究區(qū)地下水樣品集中分布于靠近碳酸鹽巖類風(fēng)化端元周邊，表明碳酸鹽礦物風(fēng)化溶解在該區(qū)域地下水化學(xué)組分演化過程中起主導(dǎo)作用，硅酸鹽類礦物風(fēng)化作用較弱，不存在蒸發(fā)巖溶解作用。研究區(qū)地層中發(fā)育較多的碳酸鹽巖類礦物主要為白云石、方解石等，地下水中Ca²⁺、Mg²⁺和HCO^-₃主要來源于碳酸鹽巖類風(fēng)化作用（圖7）。

基于Ca²⁺、Mg²⁺與SO^2-₄，SO^2-₄+HCO^-₃與Ca²⁺+Mg²⁺，以及（Ca²⁺-SO^2-₄）與HCO^-₃的關(guān)系，分析了研究區(qū)地下水中SO^2-₄的來源。Ca²⁺主要來源于白云石、方解石等碳酸鹽礦物和石膏等硫酸鹽礦物，如果地下水中的SO^2-₄全部來源于石膏溶解，Ca²⁺與SO^2-₄毫克當(dāng)量比值應(yīng)呈現(xiàn)1∶1關(guān)系，則來源于碳酸鹽礦物的Ca²⁺含量為Ca²⁺-SO^2-₄。由圖8a可知，研究區(qū)水樣點(diǎn)集中分布于3∶1線兩側(cè)；由圖8b可知，研究區(qū)多數(shù)樣品的毫克當(dāng)量比值位于1∶2線與1∶1線之間；由圖8c可知，研究區(qū)樣品沿1∶1線分布；由圖8d可知，研究區(qū)地下水樣品位于1∶1線和1∶3線之間。通過上述離子比例關(guān)系可以得出：研究區(qū)地下水離子濃度除了受白云石（CaMg（CO₃）₂）、方解石（CaCO₃）等碳酸鹽礦物溶解影響外，還受硬石膏（CaSO₄）、石膏（CaSO₄·2H₂O）等硫酸鹽礦物溶解影響。

地下水環(huán)境中不同礦物溶解度存在較大差異，CaSO₄的溶解度遠(yuǎn)大于CaCO₃。地下水環(huán)境中SO^2-₄優(yōu)先從石膏中溶解，再與碳酸鹽礦物反應(yīng)，故使得Ca²⁺+Mg²⁺與硫酸鹽濃度同時(shí)增加。由圖9a可知，研究區(qū)地下水樣品沿1∶1線分布，表明白云石、方解石等碳酸鹽礦物溶解以及硬石膏、石膏等硫酸鹽礦物溶解是地下水中Ca²⁺、Mg²⁺、SO^2-₄、HCO^-₃的主要來源。

基于［（Na⁺+K⁺）-Cl^-］與［（Ca²⁺+Mg²⁺）-（HCO^-₃+SO^2-₄）］比例關(guān)系判斷地下水化學(xué)組分是否發(fā)生陽離子交換作用，［（Na⁺+K⁺）-Cl^-］表示除鉀鹽和巖鹽溶解外造成Na⁺+K⁺含量增加或者減少，［（Ca²⁺+Mg²⁺）-（HCO^-₃+SO^2-₄）］表示除白云石、方解石和石膏溶解外造成Ca²⁺+Mg²⁺含量增加或者減小。由圖9a可知，研究區(qū)地下水樣品主要沿斜率-1線分布，表明該區(qū)域地下水發(fā)生了陽離子交換作用。為進(jìn)一步分析離子交換作用過程，通過計(jì)算氯堿指數(shù)（CAI 1和CAI 2）量化分析地下水循環(huán)演化過程中離子交換強(qiáng)度，見式（5）、式（6）：

CAI1=Cl^--（Na⁺+K⁺）/Cl^-（5）

CAI2=Cl^--（Na⁺+K⁺）/HCO^-₃+SO^2-₄+CO^2-₃+NO^-₃（6）

若CAI 1和CAI 2均為正值，地下水中Na⁺與含水介質(zhì)中的Ca²⁺、Mg²⁺發(fā)生離子交換作用；若CAI 1和CAI 2均為負(fù)值，則地下水中Ca²⁺、Mg²⁺與含水介質(zhì)中Na⁺發(fā)生交換作用。氯堿指數(shù)絕對值越大，則離子交換作用越強(qiáng)烈且離子交換程度越高。由圖9b可知，豐水期CAI 1和CAI 2均為負(fù)值，表明研究區(qū)地下水中離子交換作用主要為地下水中Ca²⁺或Mg²⁺交換含水介質(zhì)中Na⁺。除一個(gè)地下水樣品外，枯水期CAI 1和CAI 2為正值，表明研究區(qū)地下水中離子交換作用主要為地下水中Na⁺與含水介質(zhì)礦物中Ca²⁺或Mg²⁺交換。

4.3 地下水硝酸鹽來源

自然界中硝酸鹽濃度通常低于10 mg/L，如果硝酸鹽濃度大于10 mg/L，則認(rèn)為人類活動(dòng)影響了地下水中硝酸鹽濃度。研究區(qū)枯水期硝酸鹽濃度變化范圍為28.50～49.60 mg/L，平均值為38.70 mg/L，

豐水期硝酸濃度變化范圍為34.26～70.13 mg/L，平均值為52.81 mg/L，不同季節(jié)地下水硝酸鹽濃度均大于10 mg/L，表明研究區(qū)地下水受人類活動(dòng)影響較為顯著。

為進(jìn)一步識(shí)別地下水中NO^-₃來源，應(yīng)用Cl^-/Na⁺與NO^-₃/Na⁺關(guān)系識(shí)別污水和農(nóng)業(yè)活動(dòng)對地下水NO^-₃濃度影響。如圖10a所示，研究區(qū)地下水樣品分布在農(nóng)業(yè)活動(dòng)和污水兩個(gè)端元之間，表明人類活動(dòng)對地下水中高濃度NO^-₃有顯著影響。在此基礎(chǔ)上，基于Cl^-和NO^-₃/Cl^-關(guān)系進(jìn)一步分析不同污染對地下水中硝酸鹽影響，若地下水NO^-₃/Cl^-摩爾比數(shù)值較高且Cl^-含量較少，則地下水中NO^-₃主要來源于農(nóng)業(yè)化肥污染；若NO^-₃/Cl^-摩爾比數(shù)值較低且Cl^-含量較多，地下水中NO^-₃主要來源于污水和糞便。如圖10b所示，研究區(qū)枯水期地下水中Cl^-濃度變化范圍為1.02～4.08 mmol/L，平均值為2.39 mmol/L，NO^-₃/Cl^-摩爾比變化范圍為0.16～0.84，平均值為0.36，地下水中NO^-₃/Cl^-摩爾比數(shù)值較低且Cl^-濃度較高，表明枯水期地下水中NO^-₃主要來源于污水和糞便污染；研究區(qū)豐水期地下水中Cl^-濃度變化范圍為0.81～3.73mmol/L，平均值為1.97 mmol/L，NO^-₃/Cl^-摩爾比變化范圍為0.15～0.85，平均值為0.49，地下水中NO^-₃/Cl^-摩爾比數(shù)值較高且Cl^-濃度較低，表明豐水期地下水中NO^-₃主要來源于農(nóng)業(yè)化肥污染。

5 結(jié)論

基于泰萊盆地西南部3口監(jiān)測井20余年監(jiān)測數(shù)據(jù)，應(yīng)用連續(xù)小波變換法、小波相干分析法、水化學(xué)圖解法和例子比例關(guān)系法，識(shí)別人類活動(dòng)影響下地下水位周期變化特征，分析地下水硝酸鹽濃度時(shí)空變化特征及其機(jī)制，得到以下結(jié)果：

（1）研究區(qū)地下水位呈現(xiàn)11 a、6～8 a和年際周期變化特征以及14 a周期變化趨勢，區(qū)域降雨呈現(xiàn)6～8 a、4 a和年際周期變化特征以及14 a周期變化趨勢，小波相干分析結(jié)果表明，降雨是造成地下水位呈現(xiàn)周期變化特征的主要影響因素。

（2）研究區(qū)地下水化學(xué)特征主要由水巖作用主導(dǎo)，在地下水化學(xué)組分演化過程中，碳酸鹽礦物白云石、方解石等風(fēng)化溶解起主導(dǎo)作用，受硬石膏、石膏等硫酸鹽礦物溶解影響，硅酸鹽類礦物風(fēng)化作用較弱，不存在蒸發(fā)巖溶解作用。此外，研究區(qū)地下水化學(xué)組分還受陽離子交換作用影響，枯水期地下水中Na⁺與含水介質(zhì)礦物中Ca²⁺或Mg²⁺交換，豐水期地下水中Ca²⁺或Mg²⁺交換含水介質(zhì)中Na⁺。

（3）地下水硝酸鹽濃度呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征，豐水期濃度顯著高于枯水期濃度，離子比例關(guān)系表明豐水期地下水中NO^-₃主要來源于農(nóng)業(yè)化肥污染，枯水期地下水中NO^-₃主要來源于工業(yè)污水和糞便污染。

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Dynamic Characteristics and Genetic Mechanism of Groundwater Level and Nitrate Concentration in Southwestern Tailai Basin

YANG Haibo¹， ZHU Wenfeng²， LU Bing³， YANG Chao¹， GUO Jian¹

（1. Shandong Zhengyuan Geological Exploration Institute of China Metallurgical Geology Bureau， Shandong Ji'nan 250000， China; 2. No.1 Exploration Institute of Geology and Mineral Resouces， Shandong Ji'nan 250000， China; 3. Xintai Bureau of Natural Resources and Planning， Shandong Xintai 271200， China）

Abstract：Groundwater is considered as the important carried fluid for the unground material migration and transformation. Groundwater is characterized by high NO^-₃ concentration in the southwestern part of Tailai basin. However， dynamic change of groundwater and the spatiotemporal variation of nitrate pollution under the influence of human activities in this region has been studied very little. Based on monitoring data from three monitoring wells over 20 years， the continuous wavelet transform and wavelet coherence analysis have been used to identify the characteristics and external influence factors of groundwater level change. Hydrochemical diagrams and the ration of ionic centration have been used to explore the spatiotemporal variation of nitrate pollution and the sources of NO^-₃ in groundwater. It is showed that the groundwater level exhibits dynamic changes of 11 years， 6～8 years， and interannual variations， as well as a dynamic trend of 14 years. The periodic variation of groundwater level is mainly influenced by rainfall.The hydrochemical characteristics of the study area are dominated by water rock interaction， and mainly derived from the dissolution of carbonate minerals and sulfate minerals. It is also influenced by cation exchange. Human activities have a significant impact on the concentration of nitrate in groundwater， with nitrate concentration significantly higher during the wet season than during the dry season. During the wet season， main source of nitrate in groundwater is agricultural fertilizer pollution， while during the dry season， main source of nitrate in groundwater is industrial wastewater and fecal pollution. During the wet season， NO^-₃ in groundwater mainly comes from agricultural fertilizer pollution， while during the dry season， NO^-₃ in groundwater mainly comes from industrial wastewater and fecal pollution.

Key words：Groundwater; nitrate pollution; wavelet analysis; dynamic changes; Tailai basin