成世才 董妍 宋永芬 亓協(xié)全 孟祥鑫 盧兆群

摘 要：地下水化學(xué)特征可以反映地下水的歷史演變過程。根據(jù)濟(jì)南新舊動能轉(zhuǎn)換先行區(qū)水質(zhì)分析結(jié)果，研究了淺層地下水化學(xué)類型、離子相關(guān)性、水化學(xué)類型平面分布和剖面演化特征，結(jié)果表明：研究區(qū)淺層地下水陰離子以HCO3型為主;濟(jì)南段黃河水陰離子為HCO3·SO4型，由于黃河水側(cè)滲補(bǔ)給研究區(qū)淺層地下水，因此研究區(qū)HCO3·SO4型地下水大面積分布;垃圾滲濾液、生活污水、工業(yè)廢水下滲，導(dǎo)致地下水SO2-4、Cl-質(zhì)量濃度升高;禽畜養(yǎng)殖、農(nóng)藥化肥施用是導(dǎo)致先行區(qū)淺層地下水出現(xiàn)HCO3·NO3型水的重要因素;研究區(qū)淺層地下水化學(xué)類型復(fù)雜是蒸發(fā)作用、溶濾作用、混合作用及人類活動等多種作用復(fù)合的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：水文地球化學(xué)特征;黃河水入滲;離子相關(guān)性;濟(jì)南新舊動能轉(zhuǎn)換先行區(qū)

中圖分類號：P641.3;TV211.1+2 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.017

引用格式：成世才，董妍，宋永芬，等.濟(jì)南市先行區(qū)淺層地下水水文地球化學(xué)特征[J].人民黃河，2021，43（12）：86-90，99.

Abstract： The chemical characteristics of groundwater can reflect its historical evolution. Based on the analysis results of groundwater samples in the study area， and analyzed the groundwater chemistry types， ion correlation， water chemistry type plane distribution and profile evolution， we conclude that shallow groundwater anions are HCO3 mainly in study area. The water anion of the Yellow River in Jinan section is HCO3·SO4， the Yellow River water infiltrates and supplies the shallow groundwater， leading to large area distribution of HCO3·SO4 type groundwater in the study area. Landfill leachate， domestic sewage and industrial wastewater infiltration lead to a further increase of SO2-4and Cl-in shallow groundwater; poultry and livestock breeding， pesticide and chemical fertilizer application are important factors leading to the appearance of HCO3·NO3 type in shallow groundwater. The formation of hydrogeochemical characteristics of shallow groundwater is a combination of evaporation， leaching and mixing in study area.

Key words： hydrogeochemical character; Yellow River water infiltration; ion correlation; Jinan Pioneering zone

淺層地下水化學(xué)特征受控于地形地貌、氣象水文、地層巖性、人類活動等因素，可以反映地下水的歷史演變過程，是研究地下水環(huán)境變化的重要手段[1]。袁春鴻等[2]根據(jù)淺層地下水的水流特征等，采用因子分析法對濟(jì)南北跨地區(qū)淺層地下水化學(xué)特征進(jìn)行了研究，認(rèn)為黃河沿岸淺層孔隙水的形成經(jīng)歷了蒸發(fā)濃縮作用、混合作用和溶濾作用;楊海博等[3]認(rèn)為，水巖作用是肥城盆地地下水化學(xué)組分的主要控制因素;成世才等[4]對濟(jì)南市濟(jì)西水源地地下水化學(xué)特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)間接補(bǔ)給區(qū)→補(bǔ)給徑流區(qū)→徑流排泄區(qū)地下水化學(xué)類型演化過程為SO4·HCO3型→HCO3·SO4型→HCO3型，巖石風(fēng)化及溶解作用是研究區(qū)地下水化學(xué)演化的主導(dǎo)因素;劉立才等[5]對不同比例混合溶液進(jìn)行水質(zhì)檢測發(fā)現(xiàn)，丹江口水庫地表水與南水北調(diào)調(diào)蓄池附近淺層地下水的混合主要為物理混合作用，混合溶液存在與碳酸平衡相關(guān)的化學(xué)變化。

加快新舊動能轉(zhuǎn)換是黨中央、國務(wù)院的重大決策部署，是山東省委、省政府的重大戰(zhàn)略安排，是濟(jì)南經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重大機(jī)遇、重大責(zé)任。2018年1月國務(wù)院批復(fù)《山東新舊動能轉(zhuǎn)換綜合試驗區(qū)建設(shè)總體方案》，要求高水平規(guī)劃建設(shè)濟(jì)南新舊動能轉(zhuǎn)換先行區(qū)（簡稱先行區(qū)）。先行區(qū)處于聯(lián)通南北的戰(zhàn)略位置，是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要節(jié)點，也是山東半島與華東、華北和中西部地區(qū)連接的重要門戶。2020年山東省人民政府批復(fù)了《濟(jì)南新舊動能轉(zhuǎn)換先行區(qū)發(fā)展規(guī)劃（2020—2035年）》，規(guī)劃將先行區(qū)由原來傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橐匝b備制造、現(xiàn)代物流、食品飲料、文化旅游為特色的產(chǎn)業(yè)集群?！俺鞘薪ㄔO(shè)，地質(zhì)先行”，因此筆者對先行區(qū)淺層地下水水文地球化學(xué)特征進(jìn)行了研究，以期為評價研究區(qū)資源環(huán)境承載力和國土空間開發(fā)適宜性提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

（1）地形地貌。先行區(qū)地貌類型為山前沖積洪積平原和黃河沖積平原，大部分屬黃河沖積平原。地勢平坦，總體南高北低，地表水、地下水總體自南向北流動。

（2）氣象水文。研究區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季變化明顯，地下水溶濾、蒸發(fā)作用較強(qiáng)烈。黃河為區(qū)內(nèi)主要客水水源，黃河水引入鵲山水庫，經(jīng)大寺河、牧馬河、跺石河、邢家渡引黃總干渠引出。研究區(qū)耕地面積占研究區(qū)總面積的72.55%，絕大多數(shù)為水澆地。研究區(qū)主要灌溉水源為黃河水。

（3）地層構(gòu)造。區(qū)內(nèi)廣泛分布全新世黃河沖積物，為一套灰黃色粉砂土、粉質(zhì)亞砂土、紅棕色-紅褐色亞黏土組合。巖性類型決定了研究區(qū)表層土壤防污性能為差-較差。

（4）淺層含水層及其補(bǔ)給、徑流、排泄關(guān)系。研究區(qū)主要為松散巖類孔隙含水巖組，垂向上分為淺層潛水-微承壓含水亞組、中層承壓含水亞組和深層承壓含水亞組3類亞組。根據(jù)礦化度可劃分為淺層淡水、中層咸水和深層淡水，本次研究對象為淺層潛水（30 m以淺），以下稱淺層地下水。研究區(qū)淺層地下水廣泛分布，咸淡水界面埋藏較淺，主要補(bǔ)給來源為地表水和降水入滲，向下游徑流和蒸發(fā)排泄[6]。

（5）地下水動態(tài)特征。地下水年水位動態(tài)變化特點：季節(jié)性強(qiáng)，曲線形態(tài)單峰單谷、陡升緩降（見圖1）。形成原因為，豐水期降水集中，潛水水位迅速回升;平水期及枯水期降水量少，蒸發(fā)量多，潛水水位呈持續(xù)下降狀態(tài)，尤其是農(nóng)灌季節(jié)，地下水位下降明顯。該類型水埋深一般為2～4 m，年水位變化幅度為1～2 m。黃河沖積形成的粉質(zhì)黏土、粉土組合入滲較迅速，有利于污染物擴(kuò)散。

2 樣品采集與測試

采樣點布設(shè)原則：污染企業(yè)聚集區(qū)、垃圾填埋場周邊、人類生活聚集區(qū)、城市規(guī)劃區(qū)加密布設(shè)，農(nóng)用地稀疏布設(shè)。針對重點污染源，沿地下水流向根據(jù)實際情況布設(shè)采樣剖面，以查明地下水水文地球化學(xué)特征。

水樣采集按照《水質(zhì)采樣 樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》（GB 12999—91）進(jìn)行。樣品委托中國冶金地質(zhì)總局山東局測試中心，依據(jù)《地下水質(zhì)檢驗方法》（DZ/T 0064.1—93）、《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 飲用天然礦泉水檢驗方法》（GB 8538—2016）、《水質(zhì) 揮發(fā)性有機(jī)物的測定 吹掃捕集/氣相色譜-質(zhì)譜法》（HJ 639—2012）進(jìn)行水質(zhì)分析。

3 淺層地下水化學(xué)特征

3.1 地下水化學(xué)類型

區(qū)內(nèi)淺層地下水化學(xué)類型在Piper三線圖上較為分散，以HCO3-Ca·Mg型為主，其次為HCO3·SO4-Na·Ca、HCO3·Cl-Na·Ca、SO4·Cl-Na·Mg型，地下水化學(xué)類型復(fù)雜多樣，見圖2。陶志斌等[7]分析山東煙臺大沽夾河中下游地區(qū)1987—2017年地下水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)地下水主要離子含量呈上升趨勢，水化學(xué)類型由HCO3-Ca、HCO3·Cl-Ca·Na型向HCO3·SO4-Ca·Na、HCO3·Cl·SO4-Ca·Na型轉(zhuǎn)變，與本研究區(qū)淺層地下水情況較為類似。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)唐王街道農(nóng)業(yè)大棚區(qū)采樣結(jié)果顯示NO3毫克當(dāng)量百分比超過25%，按舒卡列夫分類原則NO3應(yīng)參與命名。李政紅等[8]研究表明，呼和浩特市托克托縣有Cl·NO3-Mg·Ca、Cl·NO3-Mg型的硝酸型地下水出現(xiàn)。

3.2 主要離子含量特征

從圖3（a）淺層地下水主要離子質(zhì)量濃度Schoeller圖上可以看出，Na+、SO2-4、Cl-波動幅度大。從圖3（b）淺層地下水主要離子毫克當(dāng)量濃度Schoeller圖上可以看出，Na+、Mg2+、SO2-4、Cl-均出現(xiàn)大幅度波動。同一種地下水化學(xué)類型各離子含量在Schoeller圖上應(yīng)該是近似平行的，而研究區(qū)淺層地下水主要離子含量大小對比明顯，可見淺層地下水并非一種類型，而是多種化學(xué)類型的復(fù)合，或者說研究區(qū)淺層地下水化學(xué)類型的形成受到多種因素的影響。

3.3 平面分布特征

從平面分布來看，研究區(qū)淺層地下水陰離子以HCO-3為主，沿地下水流向總體呈現(xiàn)HCO3·SO4型、SO4·Cl型、HCO3·Cl型間隔分布特征，見圖4。HCO3型為研究區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)地下水類型，廣泛分布。HCO3·SO4型地下水主要分布在桑梓店至大橋一帶。大橋為煤礦開采區(qū)。秦文婧等[9]研究柳江煤礦對當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)，地下水中SO2-4主要來自煤系地層中硫化礦物的氧化作用。安茂國[10]以兗州煤田某典型煤礦煤矸石為研究對象，研究煤矸石在自然降水淋濾過程中敏感性元素的淋出特征發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)、As具有較強(qiáng)的淋出活性，其淋出率分別為2.60%、1.06%，淋出液濃度均超出了地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類水限值。因此，推測大橋地區(qū)煤礦開采排出的廢物是導(dǎo)致周邊淺層地下水中SO2-4質(zhì)量濃度上升的主要原因。HCO3·Cl型地下水主要分布在孫耿垃圾處理場及居民聚集區(qū)，呈孤島狀分布，垃圾滲濾液和經(jīng)年累月的生活污水下滲是這些地區(qū)淺層地下水中Cl-質(zhì)量濃度上升的主要原因。汪美華等[11]研究發(fā)現(xiàn)，安徽南部山區(qū)不同水體受農(nóng)村生活污水滲透污染后，地下水化學(xué)類型演變出了多種類型。劉志濤等[12]發(fā)現(xiàn)，廣饒縣淺層地下水呈由HCO3型轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3·Cl型的趨勢，且礦化度、Cl-質(zhì)量濃度普遍有升高趨勢。于大潞等[13]發(fā)現(xiàn)，濟(jì)南南部山區(qū)垃圾填埋場滲濾液主要污染成分為COD、Cl-，其質(zhì)量濃度分別為1 850.67、1 830.00 mg/L。SO4·Cl型地下水主要分布在靳家至崔寨一帶，包括孫耿垃圾處理場的南部，為南部HCO3·SO4型水與北部HCO3·Cl型水的緩沖過渡帶。

3.4 剖面演化特征

本次選擇6處采樣點，沿地下水流向（大橋—靳家—孫耿垃圾處理場—孫耿—辛集—二太平6處），根據(jù)主要離子的發(fā)展變化繪制出水化學(xué)剖面，見圖5、圖6。由圖5、圖6、表1可見，該剖面沿地下水流向，地下水化學(xué)類型演化：HCO3-Ca型→SO4·Cl-Na·Mg型→HCO3·Cl-Na·Mg型→HCO3-Na·Mg型。TDS總體呈現(xiàn)先升高后降低的單峰值特征，引起此種變化的主要陰離子為SO2-4、Cl-，陽離子主要為Na+、Mg2+。

結(jié)合平面圖分析，研究區(qū)南部大橋周邊HCO3-Ca型淺層地下水在向南流動的過程中，至新陽煤礦處地下水SO2-4、Cl-質(zhì)量濃度逐漸升高，至孫耿垃圾處理場及東西鹽場周邊地下咸水出露處到達(dá)高值，淺層地下水化學(xué)類型演變?yōu)镾O4·Cl-Na·Mg型，至辛集周邊TDS恢復(fù)到平均水平，淺層地下水化學(xué)類型演變?yōu)镠CO3·Cl-Na·Mg型，至二太平TDS恢復(fù)到原始水平，地下水化學(xué)類型恢復(fù)到HCO3-Na·Mg型。

4 分析討論

4.1 地下水形成作用分析

對于地下水演化的自然影響因素，Gibbs[14]根據(jù)世界河流、湖泊及海水TDS與ρ（Na+）/ρ（Na++Ca2+）（ρ表示質(zhì)量濃度）、TDS與ρ（Cl-）/ρ（Cl-+HCO-3）的關(guān)系，分析出大氣降水、巖石風(fēng)化和蒸發(fā)濃縮作用影響天然水化學(xué)成分的起源機(jī)制，目前Gibbs圖已成為定性判斷大氣降水、蒸發(fā)濃縮作用及區(qū)域巖石風(fēng)化作用對水化學(xué)影響的一種重要手段，Gibbs圖解法不但可以分析河水的離子起源，而且可以分析地下水的離子起源[15]。研究區(qū)淺層地下水Gibbs圖，見圖7。

從陰離子所在的投影位置來看，研究區(qū)淺層地下水主要受溶濾作用影響;從陽離子投影位置來看，除溶濾作用外，蒸發(fā)濃縮作用也影響著研究區(qū)淺層地下水的水化學(xué)特征。陰、陽離子在Gibbs圖上投影位置的偏差正是研究區(qū)復(fù)雜地下水水文地球化學(xué)特征的表現(xiàn)。

4.2 主要離子相關(guān)性分析

地下水中化學(xué)組分的相關(guān)性可以揭示水化學(xué)組分間的一致性與差異性[16]。對研究區(qū)淺層地下水主要離子與TDS的相關(guān)性進(jìn)行分析，見表2。與TDS相關(guān)性較高的離子為Na+、Mg2+、Cl-、SO42+，相關(guān)性系數(shù)分別為0.96、0.93、0.94、0.95。這幾種離子對TDS的貢獻(xiàn)率較高，為影響地下水水質(zhì)的主要離子。Na+與SO2+4的相關(guān)系數(shù)為0.93，分析認(rèn)為黃河濟(jì)南段水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Na·Ca型，而黃河水為研究區(qū)地下水主要入滲補(bǔ)給水源，因此Na+、SO2+4顯示出較高的相關(guān)性。黃河作為研究區(qū)地形、地質(zhì)演化的主導(dǎo)地質(zhì)營力，已成為控制該地區(qū)淺層地下水水文地球化學(xué)特征的主導(dǎo)因素。Mg2+、Cl-相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)為0.93。如果將含有大量Na+、SO2+4的黃河水作為該地區(qū)淺層地下水化學(xué)類型形成的自然因素，那么Mg2+、Cl-可以看作是人類活動對研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境的一種外源輸入。

4.3 混合作用分析

（1）黃河水入滲混合。研究區(qū)淺層地下水的基礎(chǔ)類型為HCO3-Ca·Mg型，而最大的客水水源黃河水化學(xué)類型為HCO3·SO4-Na·Ca型。研究區(qū)自20世紀(jì)五六十年代大規(guī)模引黃灌溉，導(dǎo)致HCO3·SO4型地表水與HCO3型淺層地下水混合，淺層地下水逐漸由HCO3型演變?yōu)镠CO3·SO4型。劉立才等[5]通過對不同比例混合溶液的連續(xù)水質(zhì)資料進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，丹江口水庫地表水與南水北調(diào)調(diào)蓄池附近淺層地下水的混合主要為物理混合，體現(xiàn)于Cl-、SO2+4、Na+、Mg2+和HNO-3等化學(xué)組分，但Ca2+、HCO-3和pH值的變化較大，表明混合溶液中發(fā)生了與碳酸平衡相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)。

（2）咸水含水層通過天窗頂托補(bǔ)給。研究區(qū)中層松散巖類孔隙含水亞組為咸水，其與淺層淡水之間局部存在咸水含水層天窗，天窗的存在可直接導(dǎo)致兩者之間的水力聯(lián)系。研究區(qū)中部東、西鹽場—王興家村一帶，咸水透鏡體直接出露或有較少覆蓋，該天窗的存在使微承壓的咸水直接補(bǔ)給周邊淺層淡水含水層，導(dǎo)致該區(qū)域淺層地下水中SO2-4、Cl-質(zhì)量濃度偏高。郭永海等[17]闡述了河北平原區(qū)地下咸水的垂直入侵導(dǎo)致咸淡水混合的水化學(xué)機(jī)理。侯國華等[18]認(rèn)為曹妃甸淺層地下水咸化過程主要是晚更新世以來海侵海退時期形成海洋蒸發(fā)鹽經(jīng)大氣降水和河水溶濾所致。

4.4 污染源分析

研究區(qū)主要為農(nóng)業(yè)種植區(qū)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)污染源主要包括工業(yè)廢水、生活污水、固體廢物、禽畜養(yǎng)殖、農(nóng)藥化肥。工業(yè)廢水、固體廢物多導(dǎo)致淺層地下水中SO2-4、Cl-質(zhì)量濃度升高[10-13]，生活污水、禽畜養(yǎng)殖、農(nóng)藥化肥多導(dǎo)致NH4+、NO-3、NO2-質(zhì)量濃度升高。李揚(yáng)等[19]運(yùn)用氮同位素技術(shù)對山東東阿典型農(nóng)業(yè)區(qū)水文地質(zhì)單元地下水氮污染來源進(jìn)行了研究，結(jié)果表明淺層地下水中NO-3質(zhì)量濃度較高，平均質(zhì)量濃度為27.77 mg/L，δ15N為0.78%～1.20%，認(rèn)為淺層地下水主要受到生活污水或糞便的污染。簡言之，研究區(qū)人類活動產(chǎn)生的污染是研究區(qū)淺層地下水出現(xiàn)復(fù)雜地下水化學(xué)類型的另一重要因素。

4.5 綜合分析

研究區(qū)淺層地下水復(fù)雜水化學(xué)類型的形成是多方面因素決定的。研究區(qū)作為濟(jì)南巖溶水系統(tǒng)的排泄區(qū)，地下水經(jīng)蒸發(fā)、溶濾等作用形成HCO3型基礎(chǔ)水化學(xué)類型;隨著黃河水入滲，黃河水與淺層地下水發(fā)生混合，經(jīng)混合作用及與碳酸平衡相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)，淺層地下水化學(xué)類型由HCO3型演變?yōu)镠CO3·SO4型;受咸水含水層頂托補(bǔ)給、人類活動污染等因素影響，地下水進(jìn)一步演化出SO4·Cl、HCO3·Cl型水，甚至HCO3·NO3型水。簡言之，研究區(qū)淺層地下水復(fù)雜水化學(xué)類型是蒸發(fā)溶濾、混合作用、人類活動等多種作用復(fù)合的結(jié)果。

5 結(jié) 論

研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)類型較為復(fù)雜，主要為HCO3-Ca·Mg型水，其次為HCO3·SO4-Na·Ca、HCO3·Cl-Na·Ca、SO4·Cl-Na·Mg型水。黃河水入滲、灌溉等活動導(dǎo)致地表水與淺層地下水混合，淺層地下水由HCO3型水演化為HCO3·SO4型水。咸水透鏡體直接出露或有較少覆蓋，咸水含水層天窗的存在使微承壓的咸水直接補(bǔ)給周邊淺層淡水含水層，導(dǎo)致研究區(qū)淺層地下水SO2-4、Cl-含量偏高。研究區(qū)人類活動產(chǎn)生的污染，如工業(yè)廢水、生活污水、固體廢物、禽畜養(yǎng)殖、農(nóng)藥化肥，是導(dǎo)致復(fù)雜地下水化學(xué)類型形成的另一重要因素。淺層地下水Gibbs圖、主要離子相關(guān)性、混合作用、污染源分析結(jié)果顯示，研究區(qū)淺層地下水復(fù)雜水化學(xué)類型是蒸發(fā)溶濾、混合作用、人類活動污染等多種作用復(fù)合的結(jié)果。

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