山东泰安大汶口化工集聚区浅层地下水化学特征及成因分析

寇雅威　徐仲仪　张恒　何冠群　殷东方　任洪玲　吴涛

摘要：为查清山东泰安大汶口化工集聚区浅层地下水环境质量状况，采集地下水样品9组，运用统计分析、相关性分析、因子分析、离子比例关系和饱和指数法，查明研究区浅层地下水化学特征，分析地下水中各离子来源及控制因素。结果表明，研究区浅层地下水为淡水—微咸水，TDS介于0.98～2.40g/L；阳离子以Ca²⁺、Na⁺为主，占阳离子含量的49.57%、38.56%，阴离子以Cl^-、HCO^-₃为主，占阴离子含量的52.81%、25.99%；水化学类型以ClCa·Na为主；浅层地下水化学特征主要受岩石溶滤作用、人类活动因素的影响，二者的贡献率均为40%。在人类活动因素中，工业污染的贡献率达到了31%，说明人类活动因素对地下水环境造成了严重影响，且随着时间的推移，影响程度将更为显著。

关键词：水化学特征；离子来源；成因分析；浅层地下水；大汶口；山东泰安

中图分类号：P66;X141文献标识码：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.06.003

0引言

地下水的化学成分受自然因素（气候、水文地质条件）和人类活动因素（工矿企业活动、农业活动）的影响［12］。随着经济和社会的可持续发展，地下水环境问题日趋严重［34］。因此，研究一个区域地下水化学特征，能够回溯地下水演化过程，阐明离子组分来源，对该地区地下水的开发利用及生态环境保护具有重要的指导意义［58］。

大汶口化工集聚区位于山东省泰安市满庄镇，企业众多，是泰安市工业经济长廊的重要节点。浅层地下水是该地区工农业活动的重要来源［9］。目前，该地区浅层地下水化学特征的研究较少，多集中在深层地下水方面。如徐扬［10］研究了大汶口在盆地东北部地下水化学特征及水质变化趋势。本次研究在大汶口化工集聚区采集浅层地下水样品9件，综合运用数理统计、Piper三线图、Pearson相关性分析、Gibbs图、离子比例关系、饱和指数法和正定矩阵因子分解模型（PMF）研究其地下水化学特征，分析其形成机制，以期为园区下一步地下水资源管理及污染防控提供依据。

1研究区概况

研究区位于大汶口盆地的满庄凹陷和上泉凸起构造单元上［9］。区内出露地层为第四系冲洪积层，下伏古近纪汶口组和奥陶纪马家沟群地层。F6断层以西为汶口组地层，岩性为灰黑色、灰色、灰褐色泥岩、油页岩、泥灰岩、白云岩及石膏岩等组成一套膏盐层系，中夹少量砂岩和泥质粉砂岩；F6断层以东为马家沟群地层，岩性主要为灰岩、豹皮灰岩、白云质灰岩、鲕状灰岩、泥质条带灰岩、砂岩、页岩（图1）。研究区属山前倾斜平原区，总体呈东北高西南低，海拔高度为96.4～108.4m。研究区属温带半湿润大陆性季风气候，年均地温为14.4～16℃。年平均降水量685.6mm，年最大降水量1200mm（1964年）。

研究区浅层地下水主要为第四系松散岩类孔隙水，含水层岩性由较单一的砂砾石层递变为砂土与黏土交互的多层结构，地下水由单一的潜水逐渐过渡为多层结构的潜水—承压水。浅层承压水上覆潜水，与两侧单一潜水含水层组相连，相互有统一的自由水面，有着密切的水力联系［10］。含水层厚度一般为2～5m，水位埋深为1.24～3.47m，平均值为2.31m，稳定水位高程在77.40～81.34m，平均值为78.99m。

第四系松散岩类孔隙水补给途径为上游地下水的径流补给、汛期大气降水、大漕河地表水的侧渗、农田灌溉水的渗入和下部岩溶水的越流补给。研究区F6断层以东区域，寒武奥陶纪九龙群、马家沟群灰岩隐伏于第四系之下（图2），第四系松散岩类孔隙水含水岩组与碳酸盐岩类岩溶裂隙水含水岩组之间无明显的隔水层，地下水体存在比较密切的水力联系，在丰水期岩溶水水位比第四系孔隙水水位高，岩溶水顶托补给孔隙水；在枯水期当岩溶水大量开采时，岩溶水水位降至岩溶含水层顶板以下呈潜水状态岩溶水接受孔隙水补给。地下水动态变化，受季节影响明显。第四系松散岩类孔隙水径流方向在天然条件下多与地形坡向一致，自东北向西南，水力坡度约0.4‰。排泄方式主要为蒸发、向下游径流和人工开采。人工开采多为农田灌溉和企业生产。地下水位年变化幅度在1.0～2.0m左右。

研究区内建有规模化的真空制盐、氯碱及下游深加工产业，企业主要包括德州实华、岱岳制盐、泰汶盐化工、汉威集团、思源生物科技等。结合企业生产工艺以及前期监测数据分析，区内排放的污染物主要为氯化物、重金属、有机类污染物。

2材料与研究方法

2.1样品采集与测试

2021年10月，在研究区地下水监测井采集地下水样品9组，采样点位置见图1。样品采集前，监测井采用小流量潜水泵进行抽水清洗，洗井水体积达到3～5倍滞水体积并且现场测试指标（pH、温度、电导率、溶解氧、氧化还原电位及浊度）达到《地下水环境检测技术规范》（HJ164—2020）要求后进行样品采集。地下水用带控制阀的贝勒管采集，装入500mL聚乙烯样品瓶（取样前样品瓶用待采集水样润洗2～3次）。样品由青岛斯坦德衡立环境技术研究院有限公司测定。K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺采用火焰原子分光光度法测定，Na⁺采用离子体发射光谱法测定，HCO₃^-采用滴定法测定，Cl^-、SO^2-₄、NO^-₃采用离子色谱法测定，pH采用电极法测定，总硬度采用EDTA滴定法测定，溶解性总固体采用称量法测定。使用的仪器包括TAS990F火焰原子吸收分光光度计、Optima 8000电感耦合等离子体发射光谱仪、50mL酸式滴定管、DIONEXAQUION离子色谱仪、SX620 pH酸度計、AUW220D岛津分析天平。

2.2研究方法

对研究区地下水样品检测数据运用统计分析，了解地下水化学组分特征；利用 AquaChem 3.70软件绘制Piper三线图，分析其水化学类型；通过SPSS 软件进行Pearson相关性分析，揭示各离子内在联系；利用Excel绘制Gibbs图和离子关系图、Phreeqc软件计算矿物饱和指数，分析地下水各离子来源及主要控制因素；利用PMF模型分析人类活动对地下水化学组分的影响程度。

3 结果和讨论

3.1地下水化学特征

3.1.1水化学组分特征

为了解研究区浅层地下水中各组分特征，对数据进行统计分析（表1），详见研究区水化学特征统计（表2）。根据表2显示，pH变化范围为6.8～7.8，平均值为7.39，地下水呈中-弱碱性。TDS浓度变化范围为980～2400mg/L，其中仅DW1为淡水，其余采样点位均为微咸水。地下水化学组分中阳离子平均质量浓度关系为Ca²⁺＞Na⁺＞Mg²⁺＞K⁺，平均质量浓度分别为250.00mg/L、223.11mg/L、35.32mg/L、3.13mg/L，说明阳离子以Ca²⁺、Na⁺为主，分别占阳离子总量的49.57%、38.56%。阴离子平均质量浓度关系为Cl^-＞HCO^-₃＞SO^2-₄，平均质量浓度分别为492.56mg/L、417.22mg/L、268.00mg/L，说明阴离子以Cl^-、HCO^-₃为主，分别占阴离子总量的52.81%、25.99%（表2）。

变异系数能够反映地下水化学组分在空间上的变化特征。地下水阳离子Ca²⁺、Na⁺为主，其中Na⁺变异系数为0.49，质量浓度为54.50～388.00mg/L，浓度变化较大，Ca⁺变异系数为0.19，质量浓度为166.00～345.00mg/L，浓度波动不大。阴离子中以Cl^-为主，其次为HCO^-₃，变异系数依次为0.47、0.23，质量浓度分别为120.00～865.00mg/L、340.00～654.00mg/L，Cl^-浓度变化较大，HCO^-₃浓度较为稳定。NO^-₃变异系数为0.50，质量浓度为14.00～106.00mg/L，各采样点浓度差异较大。TDS变异系数为0.26，质量浓度为980.00～2400.00mg/L，变化不大，说明研究区内地下水矿化度变幅较小，均呈现为高矿化度。总体而言，地下水中各组分在空间分布上存在差异性和离散型［1112］。

依据《地下水质量标准（GB14848—2017）》Ⅲ类水标准，地下水综合质量评价结果显示，除DW3为Ⅳ类水外，其余采样点均为Ⅴ类水。根据表2常规指标（Na⁺、Cl^-、SO^2-₄、NO^-₃、TDS、TH）超标情况统计结果显示：研究区内TH普遍超限值（超标率100%）；Cl^-、TDS、Na⁺超标率达到77.78%、88.89%、55.56%，超标点位位于泰汶盐化工、德州实华化工泰安分公司、汉威集团等企业附近，说明研究区内企业生产活动对浅层地下水的水质影响较大；NO^-₃超标率为77.78%，且超标倍数最大，推测是受到农业面源污染、生活污水排放的影响（表3）。

3.1.2水化学类型

根据舒卡列夫分类法，确定各采样点地下水化学类型。由表3可知，研究区浅层地下水以46B（ClCa·Na）、15A（HCO₃·SO₄·ClCa、SO₄·HCO₃·ClCa）型水为主，其他还有15B（Cl·SO₄·HCO₃Ca）、25A（Cl·HCO₃Ca·Na）型水。其中46B型水分布于研究区内部泰汶盐化工、汉威集团、捷普石膏、龙泉水务等企业集聚区，而15A、15B、25A型水分布于研究区外围边缘区域，企业较少（表4）。

Piper三线图可以排除人为因素影响，能够直观反映研究区浅层地下水水化学类型、水化学组分及其演化规律［1314］。由图3可知，在菱形图中，采样点投影位置显示地下水化学性质以碱土金属和强酸为主。在阴、阳离子三角形中，采样点投影位置分区明显，分布特征相似。阳离子在所有采样点中均以（Ca²⁺+Na⁺）为主，含量占阳离子组分的80%～90%，Mg²⁺含量较低。在DW4、DW9中（Cl^-+HCO^-₃）含量占阴离子组分的60%～70%，SO^2-₄含量占比30%～40%；其他采样点阴离子表现出以（Cl^-+HCO^-₃）为主，占阴离子组分的80%～90%，而SO^2-₄含量较低。地下水化学类型呈现以ClCa·Na为主，还包括HCO₃-Ca（DW1）、Cl·HCO₃-Ca（DW9）、HCO₃·Cl·SO₄Ca·Na（DW3、DW4）。从采样点空间位置分析，地下水化学类型自研究区边缘向中心呈现出向ClCa·Na演變的趋势，且TDS随之升高。

天然条件下，Na⁺、Cl^-来源于盐岩矿物的溶解，Ca²⁺、HCO^-₃来源于碳酸盐岩的风化溶解，但通过对比发现，研究区内部采样点Na⁺、Cl^-浓度较高，Ca²⁺、Mg²⁺、HCO^-₃的浓度较低，说明Na⁺、Cl^-还存在其他的来源，推测是来自企业的污染物排放，Ca⁺、Mg²⁺、HCO^-₃的含量降低，推测是由于蒸发浓缩作用，碳酸盐（方解石、白云石）达到饱和并析出。因此研究区内部形成以Cl^-、Na⁺为主的高矿化度地下水。

3.1.3水化学组分相关性分析

地下水化学组分相关性分析能够反映各离子组分的关联性，推测各离子的来源［1516］。从表5研究区各采样点地下水化学参数相关系数矩阵可以看出，Cl^-、Na⁺存在极显著正相关关系（r=0.983，P＜0.01），推测浅层地下水中Cl^-和Na⁺为同一物质来源，可能来源于盐岩溶解。SO^2-₄分别与Ca²⁺、HCO^-₃呈显著正相关关系，相关系数分别为0.867和0.846，说明SO^2-₄和Ca²⁺、HCO^-₃三者有共同来源，可能为蒸发岩和碳酸盐岩风化溶解。TDS与Cl^-、Na⁺为极显著相关关系，与Ca²⁺为较显著相关关系，说明这3种离子是影响研究区地下水高矿化度的主要因子。

3.2地下水化学成因分析

3.2.1地下水化学控制因素分析

3.2.2岩石溶滤作用

3.2.3阳离子交替吸附作用

3.2.4蒸发浓缩作用

3.2.5人类活动影响

4结论

参考文献：

［1］胡爽，武刚，吴彬，等.阜康市平原区近20年地下水化学演变及成因［J］.环境科学学报，2023（2）：110.

［2］姜凤，周金龙，周殷竹，等.巴伊盆地平原区地下水水化学特征及污染源识别［J］.环境科学，2023（2）：115.

［3］刘苏哲，田晨，孙庆华，等.山东省滨州市地下水污染现状研究［J］.山东国土资源，2017，33（1）：4854.

［4］龚亚兵，龚绪龙，许书刚，等.苏南地区地下水化学特征及演化分析［J］.地质论评，2022，68（6）：22072218.

［5］刘元晴，周乐，吕琳，等.牟汶河中上游孔隙水化学特征及控制因素［J］.环境科学，2023，44（3）：14291439.

［6］赵龙，申中华，吴来东.宁阳化工聚集区地下水污染特征及成因分析［J］.河北地质大学学报，2020，43（6）：7176.

［7］屈吉鸿，李潇，张艺锋，等.新乡市化工集聚区地下水化学特征及成因分析［J］.科学技术与工程，2019，19（34）：95102.

［8］韩术鑫，王利红，李剑，等.东营市化工聚集區地下水TOC污染空间分布特性［J］.中国环境监测，2018，34（4）：8594.

［9］李志华，吕华.基于开采性抽水试验的大汶口盆地地下水资源分析［J］.矿冶，2011，20（1）：9295.

［10］徐扬，吕华.泰安大汶口盆地地下水化学特征分析［J］.矿冶，2011，20（1）：9699，103.

［11］赵微，林健，王树芳，等.变异系数法评价人类活动对地下水环境的影响［J］.环境科学，2013，34（4）：12771283.

［12］李晓波，李杭，杨宝萍，等.泰安市旧县水源地水化学特征及成因分析［J］. 环境工程技术学报，2022，12（6）：20022010.

［13］滕跃，张文强，王金晓.淄河流域岩溶地下水化学特征及控制因素分析［J］.环境化学，2022（12）：112.

［14］李亮，龚建师，王赫生，等.安徽省亳州市浅层地下水化学特征及成因机理［J］.华东地质，2023（2）：115.

［15］冯琪，马雷，罗江发，等.顾桥矿二叠系砂岩裂隙水化学特征及其形成作用［J］.合肥工业大学学报（自然科学版），2022，45（12）：16931698.

［16］陶兰初，寸得欣，涂春霖，等.珠江源块泽河流域地表水水化学特征及控制因素［J］.环境科学，2023（2）：113.

［17］韩朝辉，朱一龙，赵超，等.汉中盆地西侧土关铺—大安镇一带山区泉水水化学特征及成因机制［J］.吉林大学学报（地球科学版），2022，52（6）：19962004.

［18］陈京鹏，闫燕，冯颖，等.黄河流域下游德州地区地下水水化学成因及生态环境影响［J］.环境化学，2023，42（1）：125137.

［19］冯建国，季德帅，高宗军，等.山东淄博大武水源地地下水水化学特征及水质评价［J］.长江科学院院报，2020，37（9）：1823.

［20］杨海博，朱文峰，周良，等.肥城盆地区域地下水化学特征及水质评价［J］.山东国土资源，2020，36（2）：5055.

［21］魏善明，丁冠濤，袁国霞，等.山东省东汶河沂南地区地下水水化学特征及形成机理［J］.地质学报，2021，95（6）：19731983.

［22］夏璐，游海池，刘久潭，等.胶东半岛沿海地区地下水水化学特征及水质评价［J］.环境科学与技术，2021，44（10）：110.

［23］刘江涛，蔡五田，曹月婷，等.沁河冲洪积扇地下水水化学特征及成因分析［J］.环境科学，2018，39（12）：54285439.

［24］李晓波，赵新村，李明毅，等.泰安市城区岩溶地下水水化学特征及成因分析［J］.山东国土资源，2022，38（9）：2331.

［25］张涛，何锦，李敬杰，等.蛤蟆通河流域地下水化学特征及控制因素［J］.环境科学，2018，39（11）：49814990.

［26］江军，鲜虎胜，李巧，等.奎屯河流域地下水地球化学特征及其对砷运移的影响［J］.环境化学，2021，40（6）：17751786.

［27］宗信德，赵宏生，彭超，等.凸起凹陷构造控矿及找矿探讨：以泰安市区为例［J］.山东国土资源，2011，27（12）：16.

［28］朱猛，谭现锋，赵季初.山东省大汶口盆地盐类成矿模式讨论［J］.山东国土资源，2016，32（1）：2629.

［29］张东，秦勇，赵志琦.我国北方小流域硫酸参与碳酸盐矿物化学风化过程研究［J］.环境科学学报，2015，35（11）：35683578.

［30］刘丛强，蒋颖魁，陶发祥，等.西南喀斯特流域碳酸盐岩的硫酸侵蚀与碳循环［J］.地球化学，2008（4）：404414.

Hydrochemical Characteristics of Shallow Groundwater and

the Origin Analysis in Dawenkou Chemical Industry

Gathering Area in Tai'an City in Shandong Province

KOU Yawei1， XU Zhongyi1，ZHANG Heng2，HE Guanqun1，YIN Dongfang1，REN Hongling1， WU Tao3

（1.No.801 Hydrogeology and Engineering Geology Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources，Shandong Provincial Groundwater Environmental Protection and Remediation Engineering Technology Research Center，Shandong Ji'nan 250014，China;2.Yantai Jinzheng Environmental Protection Technology Limited Corporation， Shandong Yantai 264000， China;3.No.1 Geological Team of Shandong Provincial Bureau Institute of Geology and Mineral Resources， Shandong Ji'nan 250014，China）

Abstract：In order to find out the environmental quality of shallow groundwater in Dawenkou chemical industry gathering area，9 groups of groundwater samples have been collected， by using statistical analysis， correlation analysis， factor analysis， ion proportional relationship and saturation index method in October 2021. Chemical characteristics of shallow groundwater in the study area has been identified， and the source and control factors of ions in groundwater have been analyzed. It is showed that：shallow groundwater in the study area is fresh water-brackish water， and the TDS is 0.98～2.40g/L. The cations are mainly Ca2+ and Na+， and accounting for 49.57% and 38.56% of the cation content. The anions are mainly Cl-and HCO-3， and accounting for 52.81% and 25.99% of the anion content. Hydrochemical type is mainly Cl-Ca·Na. The formation of chemical characteristics of shallow groundwater is mainly influenced by rock leaching and human activities， both of which contribute 40%. Among human activities， the contribution rate of industrial pollution can reach 31%， second only to the contribution rate of rock leaching. It is indicated that human activities have a serious impact on the groundwater environment.  Accompanying with the passage of time， the impact will be more significant.

Key words：Hydrochemical characteristics; ion source; origin analysis; shallow groundwater；Dawenkou; Tai'an city in Shandong province