泰安市城区岩溶地下水水化学特征及成因分析

李晓波，赵新村*，李明毅，郄亮，李星辰，杨宝萍，王延岭，孙大伟

(1.山东省地矿局岩溶塌陷防治重点实验室，山东 泰安 271000；2.山东省第五地质矿产勘查院，山东 泰安 271000)

0 引言

岩溶水是我国许多大城市工农业生产、生活的主要供水水源[1]。在我国北方地区由于气候原因，地表水资源相对匮乏，地下水尤其是岩溶地下水在农田灌溉、城市供水中地位显得尤为重要[2-7]。目前，对泰安市岩溶水的研究多集中于地下水水质及地下水开采引起的地质环境问题上，汝亮、焦玉国、王祥永等[8-10]就泰安市城区塌陷成因机理、影响因素及灾害防治等内容进行了研究；刘元晴[11]对过量开采岩溶地下水产生的地质环境问题进行了分析；邓启军、潘晓东等[12-13]对泰安市岩溶水文补、径、排条件，岩溶发育特征等进行了介绍；李肖兰、马振民[14-15]等对区内地下水污染现状、水质变化情况进行了分析，但对该地区岩溶水水文地球化学特征分析及形成机制研究极少报道。本文以泰安市城区岩溶水为研究对象，通过地下水样品采集，运用数理统计分析、水文地球化学图解、矿物饱和指数等方法，分析岩溶水的水化学特征，在此基础上研究岩溶水水化学成分的形成机制，以期为泰安市城区岩溶地下水开发利用及环境保护提供水化学依据。

1 研究区概况

研究区面积约308km2。属暖温带季风大陆型性气候，四季分明，春旱多风，夏热多雨，秋旱少雨，冬寒少雪，多年平均气温为12.8℃，多年平均降水量为957.24mm(1960—2021年)。地貌类型为泰山山前冲洪积平原，地势总体由西北向东南倾斜，地形坡度小于1/1000。受大气环流、季风和地形条件影响，降水量时空变化较大，呈现降水量年内分配不均、年际间变化较大和降水具有连丰、连枯交替出现的特点。区内地表水体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，均为发源于泰山山谷的雨源性季节性河流[16-17]。

寒武-奥陶纪碳酸盐岩类裂隙岩溶水是研究区的主要含水岩组，分布于研究区的大部分区域，岩性为灰岩、白云质灰岩、白云岩、灰质白云岩和泥灰岩为主。除区内南部有零星露头外，其余均隐伏于第四纪地层之下，地下水赋存条件较好，岩溶较发育，含水层厚度在70～80m，单位涌水量为1.30～18.18L/(s·m)，是区内工农业供水主要目的层，泰安市曾将其作为城区水源地供水层位。区内岩溶水主要补给来源有两类：一是第四系水“天窗”补给；二是区外基岩裂隙水含水层侧向径流补给。受构造影响径流方向为由北西向南东径流，与地形坡度及第四系流向基本一致，排泄方式为人工开采、径流排泄及托顶补给第四系孔隙水。

2 材料与方法

1—灰岩埋藏区；2—灰岩裸露区；3—变质岩区；4—水系；5—地下水流向；6—断裂；7—采样点及编号图1 研究区采样点分布

3 结果与讨论

3.1 主要水化学指标统计分析

通过对地下水中各化学成分进行数理统计，可以分析其变化规律[18]。研究区地下水水化学成分分析结果见表1。由表1可知，地下水中的pH变化范围为6.7～7.7，平均值为7.3，均为中性水(6.5450mg/L)。

变异系数(Cv)可衡量各个组分变异程度，从而进一步说明地下水化学组分形成的复杂程度，当Cv≥1，表示其变异性较强；当0.1

表1 地下水水化学参数分析结果表 单位：mg/L

3.1.1 水化学类型及分布特征

Piper 图是由一个等边平行四边形及2个等边三角形的组成，浓度单位为当量百分数，Piper三线图通常用来进行水化学成分分类、水化学成分演化等研究[21-22]。从图2左下三角形区域可以知道，研究区地下水阳离子主要以Ca2+为主，毫克当量百分数在60%～90%之间，主要分布于菱形区1区，表明碱土金属Ca2+、Mg2+含量大于碱金属Na+、K+含量，Ca2+、Mg2+为研究区地下水中主要阳离子。

图2 研究区岩溶地下水Piper 三线图

3.1.2 水化学相关性分析

图3 研究区岩溶水TDS与主要阴阳离子关系图

表2 研究区岩溶地下水主要化学组分相关系数矩阵

3.2 地下水水化学形成作用分析

3.2.1 地下水水化学成因类型分析

Gibbs图常用于研究水—岩相互作用对地下水化学演化机制的影响。它将天然水化学组分的控制因素分为大气降水控制型、水岩相互作用控制型和蒸发-浓缩控制型3种[24-25]。

RWD—岩石风化作用；ECD—大气降水作用；APD—蒸发结晶作用图4 研究区岩溶地下水水化学Gibbs分布图

3.2.2 离子比值分析

离子比值法可以进一步判断地下水水化学组分的控制因素与成因[26]。

Na+与Cl-之间的毫克当量比值关系可以反映Na+和Cl-的来源[27-28]。当Na+与Cl-毫克当量比值等于1(式1)，表明岩盐是地下水中Na+的主要来源；当Na+与Cl-毫克当量比值大于1时，表明地下水中Na+除岩盐溶解外还有其他来源，可能是硅酸盐溶解如钠长石(NaAlSi3O8)(式2)；当Na+与Cl-毫克当量比值小于1时，表明地下水可能存在着人为污染导致Cl-含量增加或者存在反向阳离子交换作用导致地下水中Na+减少(式3)。

NaCl→Na++Cl-

(1)

2NaAlSi3O8+2CO2+11H2O→Al2Si2O5(OH)4+

(2)

2Na++ CaX2→Ca2++2NaX

(3)

由图5(a)可知，研究区地下水样主要分布在Na+/Cl-=1附近，说明研究区岩盐溶解是地下水中Na+、Cl-主要来源，部分点位Na+/Cl-=1下方，表明研究区地下水可能存在阳离子交换作用或者存在人为污染导致Cl-含量增加。

图5 研究区地下水离子比值

(4)

(5)

(6)

氯碱指数可以进一步确定地下水中阳离子交替吸附作用发生的方向及强度[34]。当CAI-1和CAI-2均为负值时，表明地下水中的Ca2+将含水层矿物中的Na+交换出来，即发生正向阳离子交替吸附作用，反之，当CAI-1和CAI-2均为正值时，即发生逆向阳离子交替吸附作用，导致地下水中Na+减少，Ca2+含量增加。

3.3 饱和指数分析

计算岩溶含水层中岩盐(NaCl)、石膏(CaSO4·2H2O)、方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)等矿物的饱和指数(SI)，可进一步确定研究区地下水是否产生了溶滤作用[35-36]。利用PHREEQC软件计算研究区地下水不同矿物的SI，当SI<0时，表明该矿物在水溶液中未达到饱和状态，矿物将发生溶解；当SI=0，表明该矿物在水溶液中正好处于平衡状态；当SI>0，表明该矿物在水溶液处于饱和状态，矿物将发生沉淀。由于水质分析、矿物平衡常数和离子活度计算中存在一定的误差，导致SI的计算结果存在一定的不确定性，当SI的变化范围在0±0.5时，可认为矿物相对水溶液处于平衡状态[37]。

由地下水中主要矿物SI与TDS关系(图6)可知，研究区岩溶含水层中盐岩SI变化范围为-8.18～-6.12，均值为-6.92；方解石的SI变化范围为-0.75～0.42，均值为0.19；白云石的SI变化范围为-1.50～0.48，均值为-0.04；石膏的SI变化范围为-2.38～-0.83，均值为-1.28。地下水中石膏(CaSO4·2H2O)和岩盐(NaCl)的SI均小于0，表明其呈溶解状态；方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)的SI在0附近，呈溶解/沉淀状态，且可以看出随着TDS增大，各矿物SI均呈现上升趋势。综上所述，进一步证实碳酸盐岩矿物中的方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)，以及蒸发岩矿物中的石膏(CaSO4·2H2O)、岩盐(NaCl)是研究区地下水的主要离子来源。

图6 地下水中主要矿物SI与TDS关系

3.4 人为活动影响

图7 研究区地下水与Cl-关系图

4 结论

(2)研究区岩溶水水化学类型以HCO3-Ca型、HCO3·SO4-Ca 型、HCO3·SO4·Cl-Ca型为主，研究区地下水化学成因主要受到岩石风化作用的控制，而大气降雨和蒸发结晶的影响相对微弱，主要以碳酸盐岩、硫酸盐类矿物的风化溶解为主，局部伴随着硫酸盐矿物的溶解，其中岩盐、石膏尚处于不饱和状态，方解石、白云石已达到沉淀/溶解平衡状态。区内地下水化学成分除受水岩相互作用外，还受阳离子交替作用、人为活动的影响，导致地下水化学成分发生显著变化。