济南市先行区浅层地下水水文地球化学特征

成世才 董妍 宋永芬 亓协全 孟祥鑫 卢兆群

摘 要：地下水化学特征可以反映地下水的历史演变过程。根据济南新旧动能转换先行区水质分析结果，研究了浅层地下水化学类型、离子相关性、水化学类型平面分布和剖面演化特征，结果表明：研究区浅层地下水阴离子以HCO3型为主;济南段黄河水阴离子为HCO3·SO4型，由于黄河水侧渗补给研究区浅层地下水，因此研究区HCO3·SO4型地下水大面积分布;垃圾渗滤液、生活污水、工业废水下渗，导致地下水SO2-4、Cl-质量浓度升高;禽畜养殖、农药化肥施用是导致先行区浅层地下水出现HCO3·NO3型水的重要因素;研究区浅层地下水化学类型复杂是蒸发作用、溶滤作用、混合作用及人类活动等多种作用复合的结果。

关键词：水文地球化学特征;黄河水入渗;离子相关性;济南新旧动能转换先行区

中图分类号：P641.3;TV211.1+2   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.017

引用格式：成世才，董妍，宋永芬，等.济南市先行区浅层地下水水文地球化学特征[J].人民黄河，2021，43（12）：86-90，99.

Abstract： The chemical characteristics of groundwater can reflect its historical evolution. Based on the analysis results of groundwater samples in the study area， and analyzed the groundwater chemistry types， ion correlation， water chemistry type plane distribution and profile evolution， we conclude that shallow groundwater anions are HCO3 mainly in study area. The water anion of the Yellow River in Jinan section is HCO3·SO4， the Yellow River water infiltrates and supplies the shallow groundwater， leading to large area distribution of HCO3·SO4 type groundwater in the study area. Landfill leachate， domestic sewage and industrial wastewater infiltration lead to a further increase of SO2-4and Cl-in shallow groundwater; poultry and livestock breeding， pesticide and chemical fertilizer application are important factors leading to the appearance of HCO3·NO3 type in shallow groundwater. The formation of hydrogeochemical characteristics of shallow groundwater is a combination of evaporation， leaching and mixing in study area.

Key words： hydrogeochemical character; Yellow River water infiltration; ion correlation; Jinan Pioneering zone

淺层地下水化学特征受控于地形地貌、气象水文、地层岩性、人类活动等因素，可以反映地下水的历史演变过程，是研究地下水环境变化的重要手段[1]。袁春鸿等[2]根据浅层地下水的水流特征等，采用因子分析法对济南北跨地区浅层地下水化学特征进行了研究，认为黄河沿岸浅层孔隙水的形成经历了蒸发浓缩作用、混合作用和溶滤作用;杨海博等[3]认为，水岩作用是肥城盆地地下水化学组分的主要控制因素;成世才等[4]对济南市济西水源地地下水化学特征进行研究，发现间接补给区→补给径流区→径流排泄区地下水化学类型演化过程为SO4·HCO3型→HCO3·SO4型→HCO3型，岩石风化及溶解作用是研究区地下水化学演化的主导因素;刘立才等[5]对不同比例混合溶液进行水质检测发现，丹江口水库地表水与南水北调调蓄池附近浅层地下水的混合主要为物理混合作用，混合溶液存在与碳酸平衡相关的化学变化。

加快新旧动能转换是党中央、国务院的重大决策部署，是山东省委、省政府的重大战略安排，是济南经济社会发展的重大机遇、重大责任。2018年1月国务院批复《山东新旧动能转换综合试验区建设总体方案》，要求高水平规划建设济南新旧动能转换先行区（简称先行区）。先行区处于联通南北的战略位置，是环渤海经济区的重要节点，也是山东半岛与华东、华北和中西部地区连接的重要门户。2020年山东省人民政府批复了《济南新旧动能转换先行区发展规划（2020—2035年）》，规划将先行区由原来传统的农业种植区转变为以装备制造、现代物流、食品饮料、文化旅游为特色的产业集群。“城市建设，地质先行”，因此笔者对先行区浅层地下水水文地球化学特征进行了研究，以期为评价研究区资源环境承载力和国土空间开发适宜性提供依据。

1 研究区概况

（1）地形地貌。先行区地貌类型为山前冲积洪积平原和黄河冲积平原，大部分属黄河冲积平原。地势平坦，总体南高北低，地表水、地下水总体自南向北流动。

（2）气象水文。研究区属暖温带半湿润大陆性季风气候区，四季变化明显，地下水溶滤、蒸发作用较强烈。黄河为区内主要客水水源，黄河水引入鹊山水库，经大寺河、牧马河、跺石河、邢家渡引黄总干渠引出。研究区耕地面积占研究区总面积的72.55%，绝大多数为水浇地。研究区主要灌溉水源为黄河水。

（3）地层构造。区内广泛分布全新世黄河冲积物，为一套灰黄色粉砂土、粉质亚砂土、红棕色-红褐色亚黏土组合。岩性类型决定了研究区表层土壤防污性能为差-较差。

（4）浅层含水层及其补给、径流、排泄关系。研究区主要为松散岩类孔隙含水岩组，垂向上分为浅层潜水-微承压含水亚组、中层承压含水亚组和深层承压含水亚组3类亚组。根据矿化度可划分为浅层淡水、中层咸水和深层淡水，本次研究对象为浅层潜水（30 m以浅），以下称浅层地下水。研究区浅层地下水广泛分布，咸淡水界面埋藏较浅，主要补给来源为地表水和降水入渗，向下游径流和蒸发排泄[6]。

（5）地下水动态特征。地下水年水位动态变化特點：季节性强，曲线形态单峰单谷、陡升缓降（见图1）。形成原因为，丰水期降水集中，潜水水位迅速回升;平水期及枯水期降水量少，蒸发量多，潜水水位呈持续下降状态，尤其是农灌季节，地下水位下降明显。该类型水埋深一般为2～4 m，年水位变化幅度为1～2 m。黄河冲积形成的粉质黏土、粉土组合入渗较迅速，有利于污染物扩散。

2 样品采集与测试

采样点布设原则：污染企业聚集区、垃圾填埋场周边、人类生活聚集区、城市规划区加密布设，农用地稀疏布设。针对重点污染源，沿地下水流向根据实际情况布设采样剖面，以查明地下水水文地球化学特征。

水样采集按照《水质采样 样品的保存和管理技术规定》（GB 12999—91）进行。样品委托中国冶金地质总局山东局测试中心，依据《地下水质检验方法》（DZ/T 0064.1—93）、《食品安全国家标准 饮用天然矿泉水检验方法》（GB 8538—2016）、《水质 挥发性有机物的测定 吹扫捕集/气相色谱-质谱法》（HJ 639—2012）进行水质分析。

3 浅层地下水化学特征

3.1 地下水化学类型

区内浅层地下水化学类型在Piper三线图上较为分散，以HCO3-Ca·Mg型为主，其次为HCO3·SO4-Na·Ca、HCO3·Cl-Na·Ca、SO4·Cl-Na·Mg型，地下水化学类型复杂多样，见图2。陶志斌等[7]分析山东烟台大沽夹河中下游地区1987—2017年地下水水质监测数据发现，该地区地下水主要离子含量呈上升趋势，水化学类型由HCO3-Ca、HCO3·Cl-Ca·Na型向HCO3·SO4-Ca·Na、HCO3·Cl·SO4-Ca·Na型转变，与本研究区浅层地下水情况较为类似。调查还发现，研究区唐王街道农业大棚区采样结果显示NO3毫克当量百分比超过25%，按舒卡列夫分类原则NO3应参与命名。李政红等[8]研究表明，呼和浩特市托克托县有Cl·NO3-Mg·Ca、Cl·NO3-Mg型的硝酸型地下水出现。

3.2 主要离子含量特征

从图3（a）浅层地下水主要离子质量浓度Schoeller图上可以看出，Na+、SO2-4、Cl-波动幅度大。从图3（b）浅层地下水主要离子毫克当量浓度Schoeller图上可以看出，Na+、Mg2+、SO2-4、Cl-均出现大幅度波动。同一种地下水化学类型各离子含量在Schoeller图上应该是近似平行的，而研究区浅层地下水主要离子含量大小对比明显，可见浅层地下水并非一种类型，而是多种化学类型的复合，或者说研究区浅层地下水化学类型的形成受到多种因素的影响。

3.3 平面分布特征

从平面分布来看，研究区浅层地下水阴离子以HCO-3为主，沿地下水流向总体呈现HCO3·SO4型、SO4·Cl型、HCO3·Cl型间隔分布特征，见图4。HCO3型为研究区内基础地下水类型，广泛分布。HCO3·SO4型地下水主要分布在桑梓店至大桥一带。大桥为煤矿开采区。秦文婧等[9]研究柳江煤矿对当地地下水水质的影响发现，地下水中SO2-4主要来自煤系地层中硫化矿物的氧化作用。安茂国[10]以兖州煤田某典型煤矿煤矸石为研究对象，研究煤矸石在自然降水淋滤过程中敏感性元素的淋出特征发现，F、As具有较强的淋出活性，其淋出率分别为2.60%、1.06%，淋出液浓度均超出了地下水质量标准Ⅳ类水限值。因此，推测大桥地区煤矿开采排出的废物是导致周边浅层地下水中SO2-4质量浓度上升的主要原因。HCO3·Cl型地下水主要分布在孙耿垃圾处理场及居民聚集区，呈孤岛状分布，垃圾渗滤液和经年累月的生活污水下渗是这些地区浅层地下水中Cl-质量浓度上升的主要原因。汪美华等[11]研究发现，安徽南部山区不同水体受农村生活污水渗透污染后，地下水化学类型演变出了多种类型。刘志涛等[12]发现，广饶县浅层地下水呈由HCO3型转变为HCO3·Cl型的趋势，且矿化度、Cl-质量浓度普遍有升高趋势。于大潞等[13]发现，济南南部山区垃圾填埋场渗滤液主要污染成分为COD、Cl-，其质量浓度分别为1 850.67、1 830.00 mg/L。SO4·Cl型地下水主要分布在靳家至崔寨一带，包括孙耿垃圾处理场的南部，为南部HCO3·SO4型水与北部HCO3·Cl型水的缓冲过渡带。

3.4 剖面演化特征

本次选择6处采样点，沿地下水流向（大桥—靳家—孙耿垃圾处理场—孙耿—辛集—二太平6处），根据主要离子的发展变化绘制出水化学剖面，见图5、图6。由图5、图6、表1可见，该剖面沿地下水流向，地下水化学类型演化：HCO3-Ca型→SO4·Cl-Na·Mg型→HCO3·Cl-Na·Mg型→HCO3-Na·Mg型。TDS总体呈现先升高后降低的单峰值特征，引起此种变化的主要阴离子为SO2-4、Cl-，阳离子主要为Na+、Mg2+。

结合平面图分析，研究区南部大桥周边HCO3-Ca型浅层地下水在向南流动的过程中，至新阳煤矿处地下水SO2-4、Cl-质量浓度逐渐升高，至孙耿垃圾处理场及东西盐场周边地下咸水出露处到达高值，浅层地下水化学类型演变为SO4·Cl-Na·Mg型，至辛集周边TDS恢复到平均水平，浅层地下水化学类型演变为HCO3·Cl-Na·Mg型，至二太平TDS恢复到原始水平，地下水化学类型恢复到HCO3-Na·Mg型。

4 分析讨论

4.1 地下水形成作用分析

对于地下水演化的自然影响因素，Gibbs[14]根据世界河流、湖泊及海水TDS与ρ（Na+）/ρ（Na++Ca2+）（ρ表示质量浓度）、TDS与ρ（Cl-）/ρ（Cl-+HCO-3）的关系，分析出大气降水、岩石风化和蒸发浓缩作用影响天然水化学成分的起源机制，目前Gibbs图已成为定性判断大气降水、蒸发浓缩作用及区域岩石风化作用对水化学影响的一种重要手段，Gibbs图解法不但可以分析河水的离子起源，而且可以分析地下水的离子起源[15]。研究區浅层地下水Gibbs图，见图7。

从阴离子所在的投影位置来看，研究区浅层地下水主要受溶滤作用影响;从阳离子投影位置来看，除溶滤作用外，蒸发浓缩作用也影响着研究区浅层地下水的水化学特征。阴、阳离子在Gibbs图上投影位置的偏差正是研究区复杂地下水水文地球化学特征的表现。

4.2 主要离子相关性分析

地下水中化学组分的相关性可以揭示水化学组分间的一致性与差异性[16]。对研究区浅层地下水主要离子与TDS的相关性进行分析，见表2。与TDS相关性较高的离子为Na+、Mg2+、Cl-、SO42+，相关性系数分别为0.96、0.93、0.94、0.95。这几种离子对TDS的贡献率较高，为影响地下水水质的主要离子。Na+与SO2+4的相关系数为0.93，分析认为黄河济南段水化学类型为HCO3·SO4-Na·Ca型，而黄河水为研究区地下水主要入渗补给水源，因此Na+、SO2+4显示出较高的相关性。黄河作为研究区地形、地质演化的主导地质营力，已成为控制该地区浅层地下水水文地球化学特征的主导因素。Mg2+、Cl-相关性较高，相关系数为0.93。如果将含有大量Na+、SO2+4的黄河水作为该地区浅层地下水化学类型形成的自然因素，那么Mg2+、Cl-可以看作是人类活动对研究区地质环境的一种外源输入。

4.3 混合作用分析

（1）黄河水入渗混合。研究区浅层地下水的基础类型为HCO3-Ca·Mg型，而最大的客水水源黄河水化学类型为HCO3·SO4-Na·Ca型。研究区自20世纪五六十年代大规模引黄灌溉，导致HCO3·SO4型地表水与HCO3型浅层地下水混合，浅层地下水逐渐由HCO3型演变为HCO3·SO4型。刘立才等[5]通过对不同比例混合溶液的连续水质资料进行研究发现，丹江口水库地表水与南水北调调蓄池附近浅层地下水的混合主要为物理混合，体现于Cl-、SO2+4、Na+、Mg2+和HNO-3等化学组分，但Ca2+、HCO-3和pH值的变化较大，表明混合溶液中发生了与碳酸平衡相关的化学反应。

（2）咸水含水层通过天窗顶托补给。研究区中层松散岩类孔隙含水亚组为咸水，其与浅层淡水之间局部存在咸水含水层天窗，天窗的存在可直接导致两者之间的水力联系。研究区中部东、西盐场—王兴家村一带，咸水透镜体直接出露或有较少覆盖，该天窗的存在使微承压的咸水直接补给周边浅层淡水含水层，导致该区域浅层地下水中SO2-4、Cl-质量浓度偏高。郭永海等[17]阐述了河北平原区地下咸水的垂直入侵导致咸淡水混合的水化学机理。侯国华等[18]认为曹妃甸浅层地下水咸化过程主要是晚更新世以来海侵海退时期形成海洋蒸发盐经大气降水和河水溶滤所致。

4.4 污染源分析

研究区主要为农业种植区。调查发现，区内污染源主要包括工业废水、生活污水、固体废物、禽畜养殖、农药化肥。工业废水、固体废物多导致浅层地下水中SO2-4、Cl-质量浓度升高[10-13]，生活污水、禽畜养殖、农药化肥多导致NH4+、NO-3、NO2-质量浓度升高。李扬等[19]运用氮同位素技术对山东东阿典型农业区水文地质单元地下水氮污染来源进行了研究，结果表明浅层地下水中NO-3质量浓度较高，平均质量浓度为27.77 mg/L，δ15N为0.78%～1.20%，认为浅层地下水主要受到生活污水或粪便的污染。简言之，研究区人类活动产生的污染是研究区浅层地下水出现复杂地下水化学类型的另一重要因素。

4.5 综合分析

研究区浅层地下水复杂水化学类型的形成是多方面因素决定的。研究区作为济南岩溶水系统的排泄区，地下水经蒸发、溶滤等作用形成HCO3型基础水化学类型;随着黄河水入渗，黄河水与浅层地下水发生混合，经混合作用及与碳酸平衡相关的化学反应，浅层地下水化学类型由HCO3型演变为HCO3·SO4型;受咸水含水层顶托补给、人类活动污染等因素影响，地下水进一步演化出SO4·Cl、HCO3·Cl型水，甚至HCO3·NO3型水。简言之，研究区浅层地下水复杂水化学类型是蒸发溶滤、混合作用、人类活动等多种作用复合的结果。

5 结 论

研究区浅层地下水水化学类型较为复杂，主要为HCO3-Ca·Mg型水，其次为HCO3·SO4-Na·Ca、HCO3·Cl-Na·Ca、SO4·Cl-Na·Mg型水。黄河水入渗、灌溉等活动导致地表水与浅层地下水混合，浅层地下水由HCO3型水演化为HCO3·SO4型水。咸水透镜体直接出露或有较少覆盖，咸水含水层天窗的存在使微承压的咸水直接补给周边浅层淡水含水层，导致研究区浅层地下水SO2-4、Cl-含量偏高。研究区人类活动产生的污染，如工业废水、生活污水、固体废物、禽畜养殖、农药化肥，是导致复杂地下水化学类型形成的另一重要因素。浅层地下水Gibbs图、主要离子相关性、混合作用、污染源分析结果显示，研究区浅层地下水复杂水化学类型是蒸发溶滤、混合作用、人类活动污染等多种作用复合的结果。

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