东平湖地区地下水化学特征及质量评价

秦娜，成文举，董方营，孙建峰，黄伟荣，程龙，郝光前

(1.山东省第一地质矿产勘查院，济南 250010；2.山东科技大学地球科学与工程学院，青岛 266590；3.山东省物化探勘查院，济南 250013)

地下水作为一种重要的水源，在中国农业、工业、城市居民用水等方面发挥着重要的作用。但由于其流动慢、自我调节周期长等特点，地下水遭受污染后将难以修复[1-2]。东平湖是山东省重要的淡水湖区，其位置介于丘陵区与平原区之间，拥有较丰富的地表水资源和地下水资源[3]。但随着社会经济的迅速发展，采矿、农业种植、旅游造景等各种生产经济活动引起了地下水一系列的环境问题[4]，造成了湖区严重的生态环境问题。因此，对东平湖地区地下水资源进行水化学特征分析及质量评价，对保护周边居民身体健康，推动研究区水资源开发利用及污染治理具有重要的指导意义。

近年来，多方法综合分析逐渐成为一种主流的分析方法，杨芬等[5]利用Gibbs图解法、相关性分析法等方法探讨了信江流域地下水水化学特征；冯杰等[6]利用统计分析、Piper图示、离子比例系数等方法对武隆-广杨地区水化学特征进行了分析。对于水质评价的方法近些年涌现出了较多的新方法，程敏等[7]利用模糊综合评价法对察布查尔县地区地下水水质进行了评价；李科等[8]利用优化混合交叉赋权-联系云模型的方法对安宁河中游太和段地下水质量进行了评价。上述水质评价方法对参数的要求较高，综合评价方法(F值评价法)仍旧是地下水水质评价的主流方法[9]。

目前，对于东平湖地区的研究主要集中于地表水环境及表层沉积物，对于地下水的研究相对较少，仅胡尊芳等[10]对东平湖枯水期的地下水进行了水质评价研究，指出湖区东部水样水质劣于西部。为此，采用离子分析、数理统计法、Piper三线图及Gibbs图等方法对东平湖周边地区地下水离子特征及水化学特征进行研究，并对其影响因素及成因进行分析，利用综合评价法对地下水水质进行评价，并对其时空分布及水质成因进行了简析。为东平湖周边地区水环境特征研究、湖区地表及地下水力联系研究、区域地下水及湖区环境保护及合理利用提供重要依据。

1 研究区概况

研究区位于山东省西部，济宁市北部偏西，属东平湖湖区周边区域(图1)。研究区地层主要属鲁西分区，是华北地层区的重要组成部分。在研究区内，地层由新到老主要为新生代第四纪地层、古生代奥陶纪、古生代寒武纪以及新太古代地层，其中新生代古近纪、新近纪、中生代地层因遭受剥蚀而缺失。

区内岩性多样，其中基岩以太古界片麻岩及片岩为主，出露地层岩性主要为片麻岩、花岗片麻岩，另有基性及酸性岩脉穿插而过；第四系主要为河流冲积层及湖积层，岩性主要为细砂、粉砂、黏土；奥陶纪及寒武纪海相沉积与陆相沉积发育，其中以海相沉积为主，灰岩、泥灰岩、页岩是该时期的主要岩性[11-12]。断裂构造是该地区的主要地质构造，主要受到两条区域性断裂的控制性作用，其中嘉祥断裂是影响湖区的主要断裂，隐伏于湖底。除断裂构造之外，隐伏的基底褶皱以及韧性剪切带在本区域也有所发育。

区内生态地质环境主要受自然因素的影响，但近些年在人类工程活动的促进下，其环境状况变得愈加复杂[13]。特别是20世纪80年代以后，东平湖周边如泰安、莱芜等工业较发达城市规模迅速扩大，成倍增加的大部分生活及工业污水最终顺大汶河流入了东平湖，使得湖区水环境逐日恶化，严重影响了东平湖周边地下水的水质。

2 地下水取样与方法

2.1 地下水取样

在对东平湖周边地区进行了详细的地质调查后，本次对东平湖周边地区的水文地质条件进行了具有针对性的分析和研究，并结合当地的人文地理条件及潜在污染源、污染物排放情况确定了研究区的取样点位置及数目。依据《区域地下水污染调查评价》(DZ/T0288—2015)有关规定，选取了本区地下水枯水期及丰水期样本共86组(其中枯水期43组，丰水期43组)，且枯水期与丰水期的取样点位置相同。其中从本区采集的43个地下水样本中，W48、W49、W52、W56、W57、W58、W59及W60为碎屑岩类孔隙裂隙水，其余水样均为松散岩类孔隙水，所有水样均符合《农田灌溉水标准》(GB 5084—2005)。取样点分布如图1所示。

2.2 地下水检测方法

严格依照《地下水质量标准》(GB/T 14848—1993)、《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)及《地下水环境监测技术规范》(HJ/T 164—2004)等标准及规范的相关要求，对东平湖周边地区地下水样本进行了送检和化验。检测项目主要包括八大离子、溶解性总固体(total dissolved solid，TDS)、总硬度(total hardness，TH)、总碱度(total alkalinity，TA)、酸碱度(pH)等。

3 结果与讨论

3.1 地下水化学特征分析

3.1.1 TDS时空分布

TDS也称为溶解性总固体，它是表示水中溶解物总含量的一种综合性指标，具有一定的代表性，其指示作用表现为TDS值越大，表明水中的溶解物含量越高。通过对研究区枯水期与丰水期的TDS值进行统计与分析，得出TDS统计结果(表1)。由表1可知，枯水期相较于丰水期而言，其最大值与最小值分化程度更强，但平均值相差不大。

表1 研究区TDS统计Table 1 Statistics of TDS in the study area

东平湖地区枯水期和丰水期TDS均值介于954.57～980.75 mg/L，处于600 mg/L水平之上，表明地下水体存在一定的水质问题。张丽等[14]于2018年对东平湖区的TDS值进行了分时段调查分析，近似可以将10月归为枯水期，6、8月归为丰水期，结果显示湖区枯水期和丰水期TDS均值介于709.67～806 mg/L，相较于湖区周边地下水TDS均值小。

通过Sufer软件对东平湖周边地区地下水的TDS值进行插值处理，最终生成枯水期与丰水期的TDS等值线图，通过等值线图(图2)可以直观地显示出：东平湖周边地区地下水的TDS空间分布情况[15]。由图2可知：枯水期TDS值空间差异较大，总体表现为西高东低、北高南低，其中王海村(W50北)与前围村(W36东)附近区域TDS值最低，郭楼村(W69西)附近区域TDS值最高；丰水期TDS值空间差异相对较小，总体表现为东高西低，局部区域TDS值升高，其中石马村(W44北)、李屯(W59北)等周边区域TDS值较低，呈点状分布，郭楼村(W69西)附近区域仍处于TDS最高值区域。

3.1.2 地下水化学组成及类型

横纵坐标数值为地理坐标图2 研究区地下水TDS空间分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of TDS in study area

表2 地下水主要离子分析统计Table 2 Analysis and statistics of main ions in groundwater

为进一步探究东平湖周边地区地下水的水化学特征，利用AquaChem软件绘制Piper三线图(图3)，并依据舒卡列夫分类法对枯水期及丰水期水样的水化学类型进行确定。

图3 地下水水化学Piper三线图Fig.3 Piper diagrams of groundwater hydrochemistry

3.1.3 地下水化学特征影响因素

对于研究区水化学特征的影响因素采用吉布斯图进行分析，分别做出枯水期及丰水期水样的吉布斯(Gibbs)图。由图4可知，枯水期所取水样主要分布在岩石风化作用区，部分在蒸发浓缩作用区，表明东平湖周边地区枯水期地下水水化学特征主要受岩石风化作用控制，部分受蒸发浓缩作用影响；丰水期所取水样在吉布斯图上的分布情况与枯水期相似，但较枯水期而言更加集中，表明丰水期同样主要受岩石风化作用影响，蒸发浓缩作用的影响有所减弱。

图4 研究区地下水Gibbs图Fig.4 Gibbs plots of groundwater in the study area

3.1.4 地下水化学成分来源分析

水化学成分对水化学特征具有直观的体现，其来源具有重要的研究意义，本文利用离子比值法对枯水期及丰水期水化学成分的来源进行分析，定义γ为离子的摩尔当量浓度。

γ(Na++K+)/γCl-的比值关系是对地下水中Na+和K+的来源体现，当它们的比值大于1时，反映岩盐溶解是水化学成分的主要控制因素；当比值小于1时，反映硅酸盐溶解是水化学成分的主要控制因素[24]。由图5(b)可知，丰水期和枯水期水样具有相似的分布规律，在y=x两侧分布相差不多，表明岩盐溶解及硅酸盐溶解均是Na+和K+来源的主要控制因素。

图5 研究区地下水离子比值图Fig.5 Ion ratio diagram of groundwater in the study area

据以上分析，结合水文地质条件可知，研究区地下水样基本为潜水及浅承压水，水动力条件较好，且岩性较丰富，多为易溶解的岩盐、蒸发岩及碳酸盐，水岩相互作用激烈，各离子来源较为多样，水力连通性较好。

3.2 地下水质量评价及时空分布

3.2.1 评价方法及原则

首先进行各单项组分评价，依据《标准》(GB/T 14848—2017)划分组分所属质量类别，对各类别按单项组分评价分值标准表(表3)分别确定各指标单项组分评价分值Fi。

表3 单项组分评价分值标准Table 3 Standard of individual component evaluation scores

最后通过综合评价公式[式(1)、式(2)]运算得出综合评分分值F。

(1)

(2)

3.2.2 地下水质量现状

根据计算综合评分分值F，按照地下水质量级别判定标准表(表4)确定地下水质量级别，如表5所示。

表4 地下水质量级别判定标准Table 4 Groundwater quality level judgment standard

表5 研究区地下水综合评价得分Table 5 Comprehensive evaluation score of groundwater in the study area

由综合评价得分表可知，研究区地下水枯水期各水样质量级别分别为：优良0组，良好19组，较好1组，较差12组，极差11组；丰水期各水样质量级别分别为：优良0组，良好18组，较好1组，较差14组，极差10组。按照水质类别划分，枯水期Ⅱ类水占比44.19%，Ⅲ类水占比2.33%，Ⅳ类水占比27.91%，Ⅴ类水占比25.58%；丰水期Ⅱ类水占比41.86%，Ⅲ类水占比2.33%，Ⅳ类水占比32.56%，Ⅴ类水占比23.26%。枯水期与丰水期水样中Ⅳ类水(较差)及Ⅴ类水(极差)占比均超过了50%，表明研究区地下水环境质量较差，可能存在地下水污染情况。

3.2.3 地下水质量时空分布规律

依据计算得到的综合评分分值F，借助sufer绘图软件，可以做出枯水期及丰水期有研究区地下水质量分布等值线图。由图6(a)可知，枯水期地下水质量较好及良好的区域主要位于研究区东部、东南部及东平湖北侧局部区域，其他区域水质为较差或极差，其中尤以郭楼村(W69西)、石马村(W44北)、大屯村(W52南)、张文远村(W1西)及吕庄(W24南)附近区域水质处于极差等级最为明显。由图6(b)可知，丰水期时水质较好及以上等级区域成面状分布，各区域均有分布，水质较差及极差等级区域主要呈点源状分布，主要分布在宋庄(W71西)、王海(W50北)、辛庄(W42东)及吕庄(W24南)附近区域。

总体而言，研究区丰水期相较于枯水期水质较好及以上等级分布区域更大，水质较差及极差区域分布更为集中。

横纵坐标值为地理坐标图6 研究区地下水质量空间分布特征Fig.6 Groundwater quality distribution in the study area

3.2.4 地下水质特征原因简析

研究区地下水质特征是自然因素及人为因素共同作用的结果，其中自然因素包括地下水补给、地质条件等，人为因素主要包括湖区养殖、南水北调工程、采石、采矿、旅游资源开发等。

东平湖周边地区地貌复杂，平原、丘陵、山地、湖洼交错分布，总体呈现为四周高、中间低的地形特点，致使该区域成为汇水洼地，地下水的补径排条件主要为地表入渗、地下径流等。并且随着该地区经济的不断发展，采矿、取水、农业种植、旅游造景、围湖筑堤等各种生产经济活动都有了长足的发展，但随之产生的工业污水、农业用药、旅游污染等都有可能通过地表入渗的方式对地下水水质产生巨大的影响，导致地下水质量劣化，另外东平湖湖区的水质恶化及富营养化也会直接或间接对地下水水质产生影响[28]。

4 结论

(1)东平湖周边地区地下水TDS值普遍偏高，均值介于954.57～980.75 mg/L，处于600 mg·L水平之上，表明地下水体存在一定的水质问题；枯水期与丰水期空间分布规律差异不大，总体表现为西高东低，局部区域TDS值升高。

(3)东平湖周边地区枯水期地下水化学特征主要受岩石风化作用影响，部分受蒸发浓缩作用影响，离子主要来源为蒸发岩溶解及碳酸盐溶解的共同作用，Na+和K+的主要来源是岩盐溶解及硅酸盐溶解，Ca2+与Mg2+的主要来源是碳酸盐溶解、蒸发岩溶解和硅酸盐溶解均；丰水期主要受岩石风化作用影响，蒸发浓缩作用影响减弱，离子主要来源为碳酸盐溶解，主要阳离子的来源与枯水期阳离子来源一致。枯水期与丰水期均具有较强的阳离子交换作用，且枯水期作用更激烈。

(4)东平湖周边地区地下水质相对较差，枯水期Ⅱ类水占比44.19%，Ⅲ类水占比2.33%，Ⅳ类水占比27.91%，Ⅴ类水占比25.58%；丰水期Ⅱ类水占比41.86%，Ⅲ类水占比2.33%，Ⅳ类水占比32.56%，Ⅴ类水占比23.26%。枯水期与丰水期水样中Ⅳ类水(较差)及Ⅴ类水(极差)占比均超过了50%，但丰水期Ⅱ(良好)、Ⅲ(较好)类水比枯水期同类水分布区域更广。