泰安新泰市地下水化学特征研究

韩 锋 ，陈田华

（1.外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室，重庆地质矿产研究院，重庆 400042；2.四川省核工业地质调查院，成都 610061）

新泰市位于山东省中部，鲁中山区的西缘，泰沂腹地，北依五岳独尊的泰山，南临孔子故里曲阜，东接山东半岛沿海城市。地形总的趋势是东北高，西及西南低。新泰是全国60个重点产煤县市之一，现已探明的原煤储量16亿吨。依托丰富的矿产资源新泰市经济发展迅速，经济实力位居山东省30强县市。随着经济的快速发展，对水资源需求日益增大，产生了地下水过度开采和环境污染等一系列问题，迫切需要对区域内的地下水资源进行综合评价，旨在为新泰市维护生态环境稳定提供依据。

研究工作在新泰市地质及水文地质资料的基础上，利用抗旱所打水井及已有老井，系统的采集水样对新泰市地下水中的主要离子含量进行了相关分析和因子分析，了解其水化学特征及其成因。

1 地质背景

1.1 地层

新泰市地处鲁中南中低山地貌区。地层自太古界、古生界、中生界至新生界均有出露，基岩出露的面积约占全区的2/3以上，多沿各断块呈北西—南东向展布。第四系主要分布于新泰—楼德山间盆地一带。

1.2 构造

新泰市属于中朝准地台的一部分。东西向断裂有泰安大断裂、新蒙大断裂和蒙山大断裂。在断块凸起的周围，呈放射状发育一些派生构造。区内褶皱不甚发育，主要有蒙山倒转背斜的一部分。

1.3 岩浆岩

受燕山晚期岩浆活动的影响，区内岩浆岩发育，既有太古代基性岩，又有中生代酸性侵入岩分布。

2 水文地质概况

新泰市在区域上属于“鲁中南中低山丘陵、山前冲洪积平原地下水资源区，鲁山背斜北翼单斜构造地下水资源亚区”。其地下水的赋存条件及分布规律受地层、地貌、构造及水文气象等自然件所控制[1]。

按照含水介质岩性，自上而下划分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水和基岩裂隙水四种类型。松散岩类孔隙水主要赋存于第四系冲积、冲洪积及残坡积层中；碎屑岩类孔隙裂隙水含水岩组主要由石炭系、侏罗系、白垩系及下第三系的砂岩、砂页岩、砾岩及少量灰岩组成；碳酸盐岩类裂隙岩溶水含水岩组主要由寒武系、奥陶系灰岩及灰岩夹页岩组成；基岩裂隙水含水岩组主要由泰山群变质岩及各期岩浆岩（闪长岩、花岗岩）风化带网状裂隙水组成。

3 地下水化学特征分析

3.1 样品采集

水化学样品主要在抗旱找水打井施工的水文钻孔中与附近已有老井中并采用分层止水采集，共采集样品32件，主要在灰岩裂隙含水层中采取的裂隙水。所有样品进行了水化学组分分析,其中主要离子的含量采用滴定法测试。

3.2 地下水化学特征

地下水化学组分中阳离子以Ca2+为主，阴离子以HCO为主，其次为 SO、Cl-，这完全符合碳酸盐地区地下水的一般特点。地下水的TDS介于374.73～933.41mg/L之间,地下水化学类型较单一，基本为HCOCa型。在新泰市刘杜镇北寨村一带分布HCO3·SO4-Ca·Mg型,在刘杜镇东赵村一带分布有小片 HCO3·SO4-Ca型。在放城镇郗家峪村分布有小片HCOCa·Mg型。

通过对所采样品进行主要离子参数分析，得到地下水主要离子特征（表1）。

从表 1 中可以看出在阳离子（Ca2+、Mg2+、K+、Na+）中Ca2+的含量相对较高，平均为87.95mg/L，K+的含量最低，平均为1.37mg/L；阴离子HCO的平均值达到了266.18mg/L，标准差为 71.35，两值均较大，变异系数较小，反映HCO在地下水中的绝对含量较高，为地下水中的主要阴离子。K+、Na+、Cl-、SO、F-、NO的变异系数均较大，表明其在地下水中的含量变幅较大，它们是地下水中随环境变化的敏感因子，是决定地下水盐化作用的主要变量。HCO和Ca2+的变异系数相对较小，表明它们在地下水中的含量相对比较稳定。

表1 地下水主要离子特征表

4 水化学成因分析

地下水的化学成分是地下水在流动过程中经过漫长的地质历史时期形成的，是多种因素综合作用的结果，受流经岩石成分、地层结构、水动力场、沉积环境、人类活动等多种因素的影响。通过地下水的样品分析，了解了水中各化学组分的含量及分布变化特征。下面通过所取得的分析数据进行相关分析和因子分析，进一步探讨水化学成因特征[2～4]。

表2 地下水化学成分相关系数表

通过因子分析得到了4个主要因子,其累计方差贡献率达到86.657%,即这4个因子可以反映总体水化学样本86.657%的水化学信息量，单因子的方差贡献率大小也侧面反映了因子对水化学特征影响程度的大小。从表4可见：

1）第一因子F1的方差贡献率为 41.185%,主要由 Ca2+、HCO和TDS构成,且三者之间的相关程度高，所取地下水含水层的主要岩性为为灰岩，裂隙及岩溶多为钙质泥质胶结,这表明孔隙岩溶水主要是受到岩石矿物溶解的影响,而且 Ca2+、HCO与pH皆呈负相关,也表明在开放条件好径流通畅的地区受大气降水混合作用的影响,加速灰岩的溶解,在水位埋藏较浅径流滞缓的地区受潜水蒸发浓缩作用的影响,使离子浓度增高。

表3 地下水水化学成分相关矩阵的特征值和方差贡献率表

2）第二因子F2的方差贡献率为24.126%,主要由Na+、SO、Cl-和 N0组成，Na+、SO、Cl-与 N0的相关程度较高。一方面由于碳酸岩盐或其他氯化物的溶解与岩浆岩中含氯矿物的风化溶解；另一方面，由于NO不是地下水的天然化学组分，受人类活动的影响，大量的生活污水、工业废水的排放，使其成为主要来源；同时工业、生活污水及粪便中的大量C1也是使Cl-浓度升高的因素。因研究区内煤系地层发育，煤系地层中常含有很多黄铁矿（硫铁矿），在氧化环境下煤系地层中的硫化物易被氧化，使流经这类地层的地下水以SO为主，也反映出氧化环境对水化学成分的影响。同时煤等化石燃料排放的大量含硫气体被雨水吸附而进入地下水生成SO离子，也是造成SO浓度升高的因素。

表4 地下水水化学成分的方差极大旋转因子载荷矩阵表

3）第三因子F3的方差贡献率为11.805%，主要由Na+、Mg2+、HC0和TDS组成,HC0和TDS相关程度较高，Mg2+与HC0、TDS中等程度相关；一方面由于各种硫酸盐、重碳酸盐和氯酸盐的溶解，同时地下水径流条件通畅,水交替积极,在溶滤作用下形成低矿化的地下水；另一方面，裂隙水与岩溶水产生联系，在局部地段使部分离子浓度升高。

4）第四因子F4的方差贡献率为9.540%,主要由K+构成，它与其他化学组分的相关程度都很低,这主要是由岩浆岩和变质岩中含钾矿物的风化溶解，使K+浓度升高所致。

5 结论

通过上述分析，可以得出以下结论：

1）研究区地下水中阳离子Ca2+的含量相对较高，阴离子HCO含量最高，表明研究区范围内地下水中主要离子为HCO和 Ca2+且 HCO和Ca2+含量相对稳定，说明该区地下水水质类型主要为HCO3—Ca型。

2）研究表明,该区地下水水化学特征主要受含水层岩石矿物成分、蒸发浓缩作用、大气降水和裂隙水与岩溶水混合作用及人类活动的影响。

[1] 梅必贵，陈运伟, 等.山东省泰安新泰市抗旱找水打井工程竣工报告[R].2011：8～55.

[2] 孙斌，邢立亭.济南市区附近地下水化学特征研究[J].中国农村水利水电，2010，0(11)：33～37.

[3] 张翼龙，王丽娟.呼和浩特市浅层地下水水化学特征演变规律[J].南水北调与水利科技，2010，8(6)：14～17.

[4] 章光新，邓伟.中国东北松嫩平原地下水水化学特征与演变规律[J].水科学进展，2006，17(1)：20～28.

[5] 沈照理，朱苑华.水文地球化学基础［M］.北京：地质出版社，1993.