摘要：在“雙碳”目標(biāo)背景下，地下水化學(xué)特征及成因機(jī)理對于煤炭資源型城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)演化和轉(zhuǎn)型發(fā)展至關(guān)重要。山東省濟(jì)寧市是典型的礦城一體化城市，選取濟(jì)寧市都市區(qū)為研究區(qū)，通過對比研究區(qū)內(nèi)淺層地下水水化學(xué)特征，對其形成機(jī)制和控制因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明：研究區(qū)地下水整體為偏堿性硬水，水化學(xué)類型傾向于由HCO3-Ca·Mg和HCO3-Na·Ca向HCO3·SO4-Ca、HCO3·Cl-Ca·Mg、HCO3-Na·Ca·Mg、HCO3·Cl-Na·Ca轉(zhuǎn)變。研究區(qū)水化學(xué)組分的主控因素為水巖作用，其水化學(xué)特征主要受碳酸鹽巖溶濾作用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和含氟礦物溶濾作用的影響，淺層地下水化學(xué)特征受當(dāng)?shù)毓I(yè)制造業(yè)和采礦業(yè)影響逐漸增強(qiáng)。研究結(jié)果可為當(dāng)?shù)氐叵滤Ｗo(hù)和合理開發(fā)利用提供借鑒。

關(guān) 鍵 詞：淺層地下水； 水化學(xué)特征； 影響因素； 多元分析； 煤炭資源型城市

中圖法分類號： P641.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.02.007

0 引 言

資源型城市作為中國重要的能源資源戰(zhàn)略保障基地，是國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展的重要支撐。其中，以礦產(chǎn)為主的資源型城市的資源開采、加工等活動，將對地下水資源造成不同程度的污染，直接影響人民身體健康和生活質(zhì)量［1-3］。通過對城市地下水水化學(xué)特征的分析研究，可以了解地下水與周邊環(huán)境的相互作用機(jī)理［4］，科學(xué)查明并揭示地下水化學(xué)特征，在此基礎(chǔ)上使用科學(xué)方法對其成因進(jìn)行分析，能夠追溯地下水歷史演化過程，對指導(dǎo)城市地下水資源開發(fā)利用和保護(hù)，促進(jìn)資源型城市可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［5-6］。

近年來，眾多學(xué)者已經(jīng)開展了資源型城市的水化學(xué)特征及成因機(jī)制的研究，如：吳曉麗等［6］通過多種方法分析得出朔州市平朔礦區(qū)淺層地下水在采礦擾動下與深層地下水存在一定程度的水力聯(lián)系；張春潮等［7］通過對比分析山西省晉城市三姑泉域水資源化學(xué)特征，得出采礦活動對地下水和地表水均造成了不同程度的污染；殷曉曦等［8］對安徽省淮北市礦區(qū)多層地下水的研究中也同樣指出，在采礦活動影響下不同層位地下水化學(xué)特征變化明顯。

濟(jì)寧市作為中國東部煤炭資源型城市的典型代表，多年的煤礦開采和地下水開發(fā)利用引發(fā)了不同程度的水質(zhì)惡化、采煤塌陷等地質(zhì)環(huán)境問題［9-11］。截至目前，對濟(jì)寧市地下水的研究方向多集中在水位變幅［12］、地下水脆弱性［13］、地面沉降［14］、礦坑水［15］等方面，仍缺少對濟(jì)寧市地下水化學(xué)特征的深入分析，尤其在人口密集和工業(yè)發(fā)達(dá)的主城區(qū)，區(qū)域性水化學(xué)特征的成因尚未明確，亟需補(bǔ)充完善。因此，本文利用濟(jì)寧市人口密集的都市區(qū)28個淺層地下水水樣點(diǎn)進(jìn)行水化學(xué)特征研究，借助數(shù)理統(tǒng)計、Piper三線圖、舒卡列夫分類、因子分析、聚類分析等多種方法揭示該地區(qū)淺層地下水化學(xué)特征與成因機(jī)理，重點(diǎn)探討了人類活動對淺層地下水化學(xué)特征的影響，為研究區(qū)化解礦產(chǎn)資源開采和水環(huán)境保護(hù)的矛盾提供重要地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于濟(jì)寧市中部，地理坐標(biāo)：北緯35°19′～35°36′，東經(jīng)116°30′～116°50′，涵蓋了整個濟(jì)寧市都市區(qū)，屬于濟(jì)寧市發(fā)展的中心地帶，區(qū)內(nèi)交通便利，人口密集。研究區(qū)屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，四季分明，年平均氣溫13.6℃，降雨集中于夏季，年平均降水量664.8 mm，年際間常表現(xiàn)為春旱夏澇，晚秋又旱的氣候特點(diǎn)。

研究區(qū)屬淮河水系南四湖流域，區(qū)內(nèi)水系豐富，多為季節(jié)性河流，其中主要有京杭運(yùn)河、泗河、洸府河、楊家河、蓼溝河等。研究區(qū)處于魯南泰沂低山丘陵與魯西南黃淮海平原交界地帶，地質(zhì)構(gòu)造上屬華北地區(qū)魯西南斷塊凹陷區(qū)，地形以平原洼地為主，地勢東高西低。當(dāng)?shù)氐叵滤饕a(bǔ)給來源為大氣降水補(bǔ)給，其運(yùn)移方向與地表水流向基本吻合，由東北向西南流動。

第四系松散堆積物在研究區(qū)廣泛分布，該松散層由東北向西南增厚，根據(jù)其含水性質(zhì)和阻水特征淺層地下水可劃分為淺層潛水-微承壓水含水亞組和中深層承壓水含水亞組。本次主要研究對象為淺層潛水-微承水壓含水亞組，其埋深在60 m以內(nèi)，含水層以粉細(xì)砂、中細(xì)砂為主，分選性、磨圓度較好，砂層分布不均勻，一般2～3層，單層厚度0.8～8.5m，連續(xù)性差，多為砂層透鏡體，累計厚度在10 m左右，最大可達(dá)24 m，含水層單井涌水量1 300～1 700 m3/d。

2 樣品采集與測試方法

2.1 樣品采集與測試方法

2020年10月在濟(jì)寧市中部人口密集都市區(qū)共采集淺層地下水樣品28份，采樣點(diǎn)井深均小于50 m，屬于第四系淺部砂層孔隙水，采樣點(diǎn)分布見圖1。

本次取樣使用清潔、干燥的2.5 L聚乙烯塑料桶，取樣前使用潔凈蒸餾水潤洗3次，對采樣井預(yù)抽水20 min后，使用待測水樣潤洗取樣容器3次后再盛裝樣品，24 h內(nèi)送至山東省魯南地質(zhì)工程勘察院實(shí)驗(yàn)測試中心進(jìn)行檢測化驗(yàn)。測試方法依據(jù)DZ/T 0064-1993《地下水質(zhì)檢驗(yàn)方法》，其中：K+、Na+采用火焰發(fā)射光譜法測定，Ca2+、Mg2+采用乙二胺四乙酸二鈉滴定法測定，Cl-、SO2-4、F-采用離子色譜法測定，HCO-3采用鹽酸容量法測定，H2SiO3采用硅鉬黃比色法測定，TDS通過105 ℃烘干重量法測定，pH值通過玻璃電極法測定。

2.2 樣品布設(shè)依據(jù)及可靠性分析

根據(jù)濟(jì)寧市土地利用規(guī)劃，研究區(qū)東部和北部地區(qū)以耕地為主，西部和南部是住宅和工業(yè)分布區(qū)，尤其是高新區(qū)沿廖溝河一帶，是濟(jì)寧市工業(yè)聚集區(qū)。農(nóng)業(yè)用地范圍內(nèi)人口稀疏，地下水化學(xué)特征影響因素單一，采樣密度低；工業(yè)用地和住宅區(qū)人口稠密，地下水化學(xué)特征影響因素復(fù)雜，采樣密度高。同時，采樣點(diǎn)沿泗河、楊家河等淺層地下水分水嶺和側(cè)向徑流方向布設(shè)，能夠充分說明研究區(qū)淺層地下水隨徑流方向的水化學(xué)特征變化，化驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)可以較好地代表各功能區(qū)淺層地下水化學(xué)特性。

本次研究在工礦業(yè)集中分布區(qū)域取樣密度大，對采樣前后一段時間內(nèi)的研究區(qū)淺層地下水化學(xué)特征描述較為可靠。但淺層地下水與地表水體的水力聯(lián)系密切，各類工礦業(yè)在一段時期內(nèi)的產(chǎn)能和排污量變化能夠?qū)\層地下水化學(xué)特性造成影響。因此，僅依靠本次研究不足以準(zhǔn)確說明區(qū)內(nèi)長期水化學(xué)特征的變化情況。

2.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS軟件對所有水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計地下水主要化學(xué)指標(biāo)的最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、平均值和變異系數(shù)，并采用因子分析和聚類分析方法綜合研究水化學(xué)組分關(guān)系和來源；繪制Gibbs圖分析地下水水化學(xué)組分的主要控制因素，采用Origin繪制Piper三線圖；通過MapGIS等專業(yè)軟件繪制其他研究區(qū)圖件。

3 結(jié)果與討論

3.1 地下水水化學(xué)特征

3.1.1 化驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計特征

對全部水樣的水化學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計（見表1），通過統(tǒng)計分析可以大致了解研究區(qū)地下水中各化學(xué)成分的富集和變動規(guī)律。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果：研究區(qū)地下水pH范圍為7.2～7.9，平均值7.53，整體呈弱堿性。TDS范圍為392.75～1 320.75 mg/L，平均值770.92 mg/L?？傆捕确秶鸀?45.07～663.19 mg/L，平均值360.54 mg/L，根據(jù)硬度分類［16］，地下水多為硬水。

3.1.2 水化學(xué)類型

本次研究利用Piper三線圖分析地下水離子的組成特征，該方法可以在圖中直觀反映樣品的水化學(xué)類型和各類離子的相對含量［17］。由圖2可以看出：研究區(qū)地下水中陰離子以HCO-3為主，其次為SO2-4和Cl-；陽離子以Ca2+為主，其次為Na+。其中HCO-3和Ca2+含量較高，說明水中化學(xué)成分主要來源于碳酸鹽礦物質(zhì)風(fēng)化溶解。研究區(qū)淺層地下水水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca·Mg、HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca、HCO3·Cl-Ca·Mg、HCO3-Na·Ca·Mg、HCO3·Cl-Na·Ca。從整體分布情況看，隨地下水徑流方向，水化學(xué)類型傾向于由HCO3-Ca·Mg和HCO3-Na·Ca向HCO3·SO4-Ca、HCO3·Cl-Ca·Mg、HCO3-Na·Ca·Mg、HCO3·Cl-Na·Ca轉(zhuǎn)變。

3.2 地下水水化學(xué)特征成因分析

3.2.1 地下水化學(xué)成分來源分析

Gibbs模型圖解可以識別地下水中各類離子的起源，在分析水化學(xué)成分與氣候和地質(zhì)特征之間的關(guān)系中效果顯著［18］，能夠?qū)⒌叵滤瘜W(xué)特征劃分為大氣降水作用、水巖作用和蒸發(fā)結(jié)晶作用3種類型。本次研究中將所有水樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后繪制于Gibbs圖中，如圖3所示，研究區(qū)地下水cNa+/c（Na++Ca2+）的值為0.1～0.6，cCl-/c（Cl-+HCO-3）分布更集中，主要在0～0.3之間，TDS濃度大部分在200～1 300 mg/L范圍內(nèi)，說明本區(qū)域地下水水化學(xué)組分主要受水巖作用控制，其次受到較弱的蒸發(fā)結(jié)晶作用控制，而大氣降水作用不是本研究區(qū)地下水化學(xué)控制因素。

3.2.2 因子分析

對地下水中不同組分的相關(guān)性分析，可以了解組分之間的相互關(guān)系，能夠初步揭示地下水中各類離子來源的差異性與一致性［19-20］。通過表2可以得出：TDS與Na+、Ca2+、Cl-、HCO-3的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.8以上，屬于強(qiáng)相關(guān)關(guān)系，表明以上幾種組分是決定研究區(qū)地下水水化學(xué)類型的主控成分，進(jìn)一步印證了水巖作用是濟(jì)寧都市區(qū)淺層地下水水化學(xué)特征的主控因素。K+與NO-3正相關(guān)性最強(qiáng)，推測與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)化肥使用相關(guān)。SO2-4與其他組分的相關(guān)性均不明顯，說明其分布特征不明顯，可能與工業(yè)設(shè)施等人為因素有關(guān)。

基于表2數(shù)據(jù)對本次取樣測試的14項(xiàng)化驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行因子分析，并以特征值大于1為原則得到3個主因子，其累計方差貢獻(xiàn)率為72.966%，表明3個主因子可以較好地代表研究區(qū)地下水水化學(xué)特征。主因子載荷矩陣如表3所列。由表3可得：

（1） 因子F1解釋了總方差的31.598%，并且與TDS、TH、Ca2+、HCO-3、Cl-、Na+呈顯著正相關(guān)關(guān)系，說明碳酸鹽巖溶濾作用是控制研究區(qū)地下水水化學(xué)成分的主要因素。研究區(qū)處于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，全年雨水集中，淺層地下水多受上游地下水徑流補(bǔ)給和地表水側(cè)向徑流補(bǔ)給，其上游曲阜、泗水等地第四系厚度小，碳酸鹽巖地層埋深淺并且裂隙巖溶發(fā)育，受風(fēng)化溶濾作用明顯，致使Ca2+、HCO-3濃度較高。

（2） K+與NO-3為因子F2的主要正相關(guān)指標(biāo)，解釋了總方差的27.975%，其主要來源為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中鉀肥和氮肥的使用。研究區(qū)周邊農(nóng)業(yè)種植作物主要為小麥、玉米、大豆、花生等，灌溉方式以噴灌和漫灌為主，極易使肥料滲入地下水導(dǎo)致K+和NO-3濃度升高。從水樣化驗(yàn)結(jié)果來看，NO-3濃度嚴(yán)重超標(biāo)的樣品為JNS-9、JNS-10、JNS-11、JNS-13、JNS-20、JNS-23，均位于農(nóng)業(yè)種植區(qū)且多數(shù)處于靠近地表水系的下游附近，進(jìn)一步說明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是影響K+和NO-3濃度的主要原因。

（3） 因子F3與F-和pH呈正相關(guān)，特征值1.875，解釋了總方差的13.393%，其主要反映了螢石等含氟礦物的溶解控制作用［21］。魯西南地區(qū)淺層地下水中的F-濃度主要與地質(zhì)背景有關(guān)，第四系含水巖組中黃河、泗河沖洪積物的含氟礦物含量較高，為地下水提供了穩(wěn)定的氟源，大氣降水等垂向入滲作用能夠淋濾溶濾礦物中的氟，進(jìn)而影響淺層地下水中的F-濃度。

3.2.3 聚類分析

將研究區(qū)淺層地下水水樣進(jìn)行R型聚類分析，形成樹狀圖（見圖4），當(dāng)類距為15時可將各指標(biāo)分為C1、C2、C3、C4四類，其中C1、C3、C4三類與因子分析中的3個主因子相對應(yīng)，C2分類中僅有SO2-4一個組分，這種情況是個別樣品中的SO2-4濃度異常導(dǎo)致的，對應(yīng)取樣點(diǎn)為JNS-16和JNS-18，均位于濟(jì)寧市高新區(qū)西南部，屬于工業(yè)廠區(qū)集中連片地區(qū)，大量工廠排水可能是導(dǎo)致地下水SO2-4濃度偏高的原因之一。另一方面可能與附近煤礦開采有關(guān)。為保障井下安全，礦井一般采取疏干排水手段減少突水事故發(fā)生，深層礦井水經(jīng)處理后排入地表水系，雖然滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，但經(jīng)過地表水側(cè)向徑流補(bǔ)給后仍會對淺層地下水造成影響。

3.2.4 人類活動影響

地下水的水化學(xué)成分受自然過程、人類活動等多種因素影響。濟(jì)寧市是全國十大煤炭城市之一，煤炭開采與加工行業(yè)發(fā)達(dá)，其次造紙、石化等產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。同時，濟(jì)寧也是農(nóng)牧業(yè)大市，全市糧食產(chǎn)量約占山東省總產(chǎn)量的9%，淡水水產(chǎn)品產(chǎn)量居全省第一。研究區(qū)位于濟(jì)寧市中部，人口密集，人類活動對淺層地下水化學(xué)類型的影響極大。

cSO2-4/cCa2+與cNO-3/cCa2+的比值關(guān)系可以揭示人類活動對地下水水化學(xué)組分的影響程度。當(dāng)cSO2-4/cCa2+大于cNO-3/cCa2+時，說明工礦活動對地下水的影響較大，反之則說明農(nóng)牧業(yè)活動和居民生活污水排放的影響較大。根據(jù)樣品測試數(shù)據(jù)繪制cSO2-4/cCa2+和cNO-3/cCa2+的關(guān)系圖如圖5所示。

由圖5可知，大部分樣品中cSO2-4/cCa2+比值大于cNO-3/cCa2+，說明研究區(qū)淺層地下水受工礦活動影響較大；根據(jù)比值大小和分布情況可以看出，研究區(qū)中部和西南部淺層地下水主要受工礦活動影響，比值范圍變化較大，說明其影響方式復(fù)雜，東南部和西北部等地區(qū)受農(nóng)牧業(yè)和生活污水影響較大；JNS-9、JNS-10、JNS-15、JNS-16、JNS-17、JNS-21和 JNS-23均位于工業(yè)區(qū)與居民區(qū)的交界位置，其比值關(guān)系分布在對角線附近，說明兩種因素對淺層地下水影響程度相當(dāng)。以上情況與研究區(qū)工農(nóng)業(yè)分布特點(diǎn)基本吻合。

4 結(jié) 論

（1） 濟(jì)寧市都市區(qū)地下水陽離子濃度呈Ca2+gt;Na+gt; Mg2+gt; K+的關(guān)系，陰離子濃度呈HCO-3gt;SO2-4gt;Cl-gt;NO-3gt; F-，pH均值為7.53，整體呈弱堿性。總硬度平均值360.54 mg/L，地下水以硬水為主。

（2） 根據(jù)piper三線圖和Gibbs圖得出研究區(qū)地下水水化學(xué)類型較為復(fù)雜，隨地下水徑流方向由HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Na·Ca型向HCO3·SO4-Ca、HCO3·Cl-Ca·Mg、HCO3-Na·Ca·Mg、HCO3·Cl-Na·Ca轉(zhuǎn)變，水化學(xué)組分主控因素為水巖作用控制。

（3） 利用因子分析提取出3個主因子，累計貢獻(xiàn)率72.966%，反映出研究區(qū)地下水水化學(xué)特征主要受水巖作用控制，Ca2+、HCO-3濃度與其密切相關(guān)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和含氟礦物溶濾作用也對地下水中的K+、NO-3和F-濃度造成影響；聚類分析將組分指標(biāo)分為4類，其中C1、C3、C4三類與因子分析的3個主因子對應(yīng)，C2分類與SO2-4濃度對應(yīng)，主要與研究區(qū)工業(yè)和采礦業(yè)分布有關(guān)。cSO2-4/cCa2+與cNO-3/cCa2+的比值關(guān)系分析結(jié)果與因子分析和聚類分析基本一致，研究區(qū)中部和西南部淺層地下水主要受工礦活動影響，東南部和西北部等地區(qū)主要受農(nóng)牧業(yè)和生活污水影響。

總的來說，濟(jì)寧市都市區(qū)淺層地下水水化學(xué)特征受人類活動影響較大，研究區(qū)煤礦開采區(qū)域與SO2-4濃度分布具有強(qiáng)相關(guān)性，然而，由于實(shí)際條件的局限性，本次研究只選取了28處具有區(qū)域代表性的地點(diǎn)進(jìn)行采樣分析。不同的工礦業(yè)活動對地下水化學(xué)特征的影響不盡相同，需要更加精細(xì)化的監(jiān)測和多樣化的研究方法。

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（編輯：劉 媛）

Hydrochemical characteristics and genetic analysis of shallow groundwater

in coal resource-based citiesZHENG Huiming ZHANG Feng SHI Qipeng TONG Lu MENG Jia1，2

（1.Shandong Provincial Lunan Geology and Exploration Institute（Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources No.2 Geological Brigade），Jining 272100，China； 2.Shandong Engineering Research Center of Geothermal Energy Exploration and Development，Jining 272100，China）

Abstract： Under the background of carbon peak and carbon neutrality，the hydrochemical characteristics and genesis of groundwater are crucial for the evolution and transformation of industrial structures in coal resource-based cities.Jining City，Shandong Province is a typical city integrating mining and urban spaces.This study analyzes the hydrochemical characteristics of shallow groundwater in the urban areas of Jining City and its formation mechanism and control factors.The results showed that the overall groundwater was alkaline hard water，and the hydrochemical types tended to transform from HCO3-Ca·Mg and HCO3-Na·Ca to HCO3·SO4-Ca，HCO3·Cl-Ca·Mg，HCO3- Na·Ca·Mg，HCO3·Cl-Na·Ca.The main controlling factor of hydrochemical composition in the study area was water-rock interaction，and its hydrochemical characteristics were mainly affected by carbonate karst filtration，agricultural production，and fluorine bearing mineral leaching.The impact of industrial and mining distribution on shallow groundwater in the study area was gradually increasing.This study can provide some reference for the reasonable development and utilization of local groundwater.

Key words： shallow groundwater；hydrochemical characteristics；influencing factors；multivariate analysis；coal resource-based city

收稿日期：2023-03-28；接受日期：2023-08-29

基金項(xiàng)目：2022年度山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局科技攻關(guān)項(xiàng)目（KY202221）；山能集團(tuán)2022年重點(diǎn)項(xiàng)目（SNKJ2022BJ02-R03）

作者簡介：鄭慧銘，男，工程師，碩士，主要從事地?zé)岬刭|(zhì)及水工環(huán)地質(zhì)方面的研究。E-mail：857222549@qq.com

通信作者：孟 甲，男，工程師，主要從事地?zé)岬刭|(zhì)及水工環(huán)地質(zhì)方面的研究。E-mail：mdajia@qq.com