大汶河流域上游典型剖面地下水水化学特征及其影响因素分析

何雪琴, 高宗军*, 何 锦, 李 伟, 邓启军

(1.山东科技大学地球科学与工程学院，青岛 266590；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，保定 071051)

河流是地球上水文地球化学循环的重要途径，河流体系汇集了流域内地下水中物质组成特征[1-3]，研究其体系的水化学特征极其演化规律，可以了解区域离子时空分布特点及来源、风化成因及人为影响等情况，以此更能科学有效地指导水资源的分配。自20世纪50年代，中外相关学者就开始进行流域水化学研究。Naicker等[4]对南非Berg河流域Sandspruit支流进行了环境同位素和水化学特征的研究，得出地下咸水是由于水分蒸发、盐分溶解和地下水混合作用所致，总溶解固体(total dissolved solids，TDS)的变化随季节性和地下水流方向变化；马丹等[5]研究拉萨河羊八井剖面水化学特征，得出离子成分主要溶滤、阳离子交替吸附作用、脱炭酸作用影响；朱谱成等[6]对黄河中游支流流域-悖牛川地区展开水化学研究，结果表明溶滤作用是控制区域地下水化学组分形成的主要作用，地下水化学组分来源于碳酸盐、铝硅酸盐和蒸发岩的溶解；赵新锋等[7]研究了珠江三角洲闭合型小流域，得出水化学演化规律主要受到三种作用控制，分别为风化-溶滤作用、离子交换作用及海陆交互作用。

大汶河起源于山东省中部的淄博市沂源县沙崖子村，是黄河最末一条大支流，也是中国南水北调东线工程的重要水源。其流域内支流众多，水利工程密布，人口密度大，工(特别是采矿业)农业等社会经济较为发达。近年来，随着城镇化发展的不断加快、流域水资源配置不均衡、水体污染严重、地下水开采程度过高，这无疑对水环境形成了严重的威胁[8-10]。因此对目标区域流域进行相关水化学研究工作能够查明其补给或污染来源，合理有效的开发利用水资源。截至目前，对大汶河流域水化学特征做系统研究较少。陈晨等[11]通过对大汶河流域泰来盆地水化学特征分析，重点讨论硫酸根离子的来源，分析得出硫酸根离子来源不仅是石膏等硫酸盐矿物的溶解，还存在其他来源；周乐等[12]重点研究古近系含水岩组水文地质特征，结果总结出三种地下水富集规律。基于此，选取大汶河流域上游两个典型剖面，并沿着剖面线采集水化学不同类型水化学样品，利用数理统计分析法、离子比例法和同位素分析等方法展开系统研究，重点分析大汶河流域地下水化学特征及补给来源，以期对大汶河流域内地下水资源的规划及水污染的防治提供科学的依据。

1 研究区概况

研究区位于山东省中部，地理坐标在东经116°11′15″～118°0′0″，北纬35°37′30″～36°32′30″。东边以鲁山为界，南以蒙山支脉并与沂河、泗河相邻，西入东平湖与黄河相连，北以泰山山脉并与小清河及北大沙河两条河流作为分支，流域东西跨度175 km，总的流域面积为 9 069 km2。研究区属华北地层大区，晋冀鲁地层区，鲁西地层分区。区内地层发育有太古界前震旦纪泰山岩群变质岩，下古生界寒武纪、奥陶纪碳酸盐岩、页岩，石炭-二叠纪煤系地层，中生界侏罗纪、白垩纪砂岩，新生界古近纪、新近纪砂岩、砾岩、泥岩、泥灰岩、黏土岩及第四纪松散岩等。从水文地质区域划分来看，研究区是以碳酸盐岩类为主的水文地质区[13]。大汶河流域地处中纬度带，气候类型为暖温带大陆性季风气候，据统计观测多年来平均降雨量为(700±20) mm，平均气温为12～14 ℃。

为总结分析大汶河流域水文地球化学特征，明确其物质来源，沿区域地下水流方向，选择了两条典型剖面线进行分析，其中A-A′为田家林-小古城剖面，B-B′为南方下-北王庄剖面(图1、图2)。

图1 研究区采样点位置示意图Fig.1 Schematic diagram of sampling point location in study area

图2 研究区典型剖面水文地质图Fig.2 Hydrogeological map of typical sections in the study area

2 数据来源及方法

2.1 样品采集与分析

2.2 数据处理与分析

在使用实验室测试后所取得的水化学数据进行分析之前，首先需要对采集的水样数据进行可靠性检验，这样才能使得解释的水文地球地球化学问题才更加科学与合理。采用阴阳离子平衡检验法，运用电中性方程检验地下水化学分析中常规离子电荷平衡的误差，阴阳离子电荷平衡误差在5%以内。然后利用Aq·QA软件绘制Piper三线图，对剖面进行简单水化学分类，同时利用SPSS 20.0软件进行聚类分析，放在所绘制的三线图里，通过对比验证说明样品所属水化学类别及相关性。而离子比图、氢氧同位素等图件绘制采用Excel 2010软件，进一步分析地下水中主要的离子来源及补给来源。同时选取两条剖面进行分析验证，使结果更加真实，具有说服力。

3 结果分析

3.1 水化学组分特征及水化学类型

3.1.1 水化学组成特征

表1 研究区水样水化学主要离子含量统计Table 1 Statistics of main ionic content in water chemistry of water samples in the study area

3.1.2 水化学类型

图3 地下水Piper三线图及聚类树状图Fig.3 Piper three-line map and cluster tree map of groundwater

3.1.3 pH及TDS时空分布特征

pH和TDS两个指标的分析是了解该地区水化学特征最快捷和有效的方法[16]。由图4可知，A-A′ 剖面pH为6.6～8，均值为7.33，B-B′剖面pH为7.4～8.1，均值为7.6，pH变化幅度不大，偏弱碱性。同时两个剖面除个别水样，TDS基本小于1 g/L，属于低矿化度水，说明其径流条件较好。从A-A′剖面TDS变化图可知，岩溶水南部补给-径流区随着地势逐渐降低，沿流向随着路径的增加，地下水中溶解的物质越多，Y02～Y06中TDS含量明显呈递进式升高，在南刘家庄TDS含量最高，为771 mg/L。而北部补给-径流区地下水中TDS含量较高，为330～990 mg/L，其中孔隙水除K12外，其TDS沿地下水流向逐渐增高，可能形成区域性水流。中部排泄区主要位于莱芜盆地中部，以河流排泄为主，此处地下水中TDS含量最高，在大汶河处达到最大为 1 200 mg/L。

图4 研究区TDS与pH变化Fig.4 TDS and pH changes in the study area

3.2 主要水化学组分影响因素分析

3.2.1 离子比例关系及主要来源分析

由于水体中离子主要来源于大气降水、岩石风化溶解和人类活动影响，一些离子的比例系数也会存在较为明显的变化，所以一般用水体中各种离子的比值来反推其来源[17-19]。地下水中的K+、Na+一般主要源自于大气降水和岩盐蒸发溶解。在没有受到人类活动的影响下，岩盐溶解是Na+和Cl-的主要来源，而且其离子比值应该位于1∶1等量线附近。从图5可以看出，两个剖面大部分水样点位于Na+∶Cl-=1∶1线附近，说明离子来源于大气降水和岩盐溶解。而岩溶水样Y03位于1∶1线上方，说明Na+含量较高，可能来自硅酸盐的风化溶解。而部分孔隙水样偏离1∶1等量线，位于线下方，说明可能还有其他来源，经上文分析，两个孔隙水可能因为研究区第四系松散沉积物中含有黏土矿物，黏土矿物中的Na+可能与Ca2+发生交换作用。通常氯碱指数(CAI)[20]的变化用来判别地下水中是否发生离子交换作用[21]。若发生正向Ca-Na交换，则两个指数均小于零；当发生反向Na-Ca交换时，两个指数均为大于零。

图5 地下水中离子关系Fig.5 Ion relationship in groundwater

CAI1=[c(Cl-)-c(Na++K+)]/c(Cl-)

(1)

(2)

图6 地下水中相关离子比值关系Fig.6 Relationship between relevant ion ratio in groundwater

3.2.2 地下水补给来源分析

氢氧稳定同位素方法常用来判断地下水的补给来源[24]。根据补给路径可以将图大致分为A、B两个区域，两个区域δD、δ18O变化范围较大，表明地下水有不同补给的来源。从δD、δ18O关系图7中，并对比全球大气降水线(global meteoric water line，GMWL)[25]和当地大气降水线(regional meteoric precipitation line，LMWL)[26]，如图7所示，两剖面水样点都位于降水线附近，并偏离降水线位置右下方，这表明降水在补给地下水过程中存在一定的蒸发。这与周乐等[12]研究结论一致，但在此基础上可以进一步分析得出A区域三个岩溶水样点分布较集中，与地表水距离较远，孔隙水距离较近，补给来源为大气降水和孔隙水的入渗补给，Y03位于硅酸盐作用控制区，水样δD、δ18O 较低，地下水循环深度较大，经历了充分地水岩作用。地表水与孔隙水氢氧同位素特征相似，并且δD为-60‰～-50‰，δ18O为-6‰～-4‰，说明其受到了当地降水二次蒸发补给的影响。也就是说孔隙水和地表水受到大气降水补给并经历了一定的蒸发作用，而岩溶水主要是受到深部断裂带循环水和浅部孔隙水混合补给而成。

图7 研究区典型剖面δD和δ18O的散点关系图Fig.7 Scatter diagram of typical sections of δD and δ18O in the research area

4 结论

(3)流域岩溶水样除Y03位于断裂带附近的深部岩溶水，受硅酸盐风化控制的影响，其他水样受碳酸盐风化控制，孔隙水还受到阳离子交换作用。

(4)根据流域地下水氢氧稳定同位素测试数据分布显示，说明大气降水在入渗补给地下水过程中，蒸发作用对其产生了一定的影响。地表水与孔隙水氢氧同位素特征相似，并且δD为-60‰～-50‰，δ18O为-6‰～-4‰，说明孔隙水和地表水受到大气降水补给并经历了一定的蒸发作用，而岩溶水主要是受到深部断裂带循环水和浅部孔隙水混合补给而成。