山东省巨野县浅层地下水咸化特征及成因

冯国伟 刘本华 徐晶 徐聪 罗杰 王琦

文章编号：1671-3559（2024）03-0257-10DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20240321.001

摘要： 为了深入了解浅层地下水的水化学特征及形成原因， 在山东省巨野县采集20组浅层地下水样品， 采用数理统计、 Durov图、 主成分分析、 离子比值以及矿物饱和指数等方法， 对地下水样检测结果进行统计分析， 研究该地区地下水咸化特征及产生机制。 结果表明： 研究区浅层地下水总体呈弱碱性， 溶解性总固体的质量浓度为1 680～14 000 mg/L，地下水化学类型主要分为SO4·Cl-Na·Mg、 HCO3·SO4·Cl-Na·Ca·Mg、 HCO3·SO4-Na·Mg以及HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型；浅层地下水的咸化程度主要受蒸发浓缩作用影响，水中离子主要来自硅酸盐、 岩盐矿物的溶解，钾盐、 石膏、 岩盐、 硬石膏是溶解性总固体的主要来源，造成研究区地下水咸化的最主要矿物是钾盐、 岩盐。

关键词： 浅层地下水； 咸化； 溶解性总固体； 矿物饱和指数

中图分类号： X523

文献标志码： A

开放科学识别码（OSID码）：

Characteristics and Causes of Shallow Groundwater

Salinization in Juye County， Shandong Province

FENG Guowei， LIU Benhua， XU Jing， XU Cong， LUO Jie， WANG Qi

（School of Water Conservancy and Environment， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China）

Abstract： To gain a deeper understanding of the hydrochemical characteristics and causes of shallow groundwater formation， 20 groups of shallow groundwater samples were collected in Juye County， Shandong Province， and the test results of the groundwater samples were statistically analyzed by methods such as mathematical statistics， Durov diagram， principal component analysis， ion ratio and mineral saturation index， so as to study the characteristics and generation mechanism of groundwater salinization. The results show that the shallow groundwater in the study area is generally weakly alkaline， and the mass concentration of total dissolved solids is 1 680～14 000 mg/L. The chemical types of groundwater are mainly divided into SO4·Cl-Na·Mg， HCO3·SO4·Cl-Na·Ca·Mg， HCO3·SO4-Na·Mg and HCO3·SO4·Cl-Na·Mg. The salinity degree of shallow groundwater is mainly affected by evaporation and concentration. The ions in water mainly come from the dissolution of silicate and rock salt minerals， and potassium salt， gypsum， rock salt and anhydrite are the main sources of total dissolved solids. The main minerals that cause groundwater salinization in the study area are potassium salt and rock salt.

Keywords： shallow groundwater; salinization; total dissolved solids; mineral saturation index

地下水是我國北方地区以及许多大中城市主要供水来源，其水质一般都优于地表水。随着我国人口增长以及经济、社会的快速发展，地下水在自然资源消耗中所占比例愈来愈大。由于内陆地下水咸化，

收稿日期： 2023-02-03          网络首发时间：2024-03-21T19：47：43

基金项目： 国家自然科学基金项目（42007153）

第一作者简介： 冯国伟（1997—），男，山东曲阜人。硕士研究生，研究方向为地下水科学与工程。E-mail： 1301295527@qq.com。

通信作者简介： 刘本华（1967—），男，山东济南人。教授，博士，硕士生导师，研究方向为地下水科学与工程。E-mail： stu_liubh@ujn.edu.cn。

网络首发地址： https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20240321.1119.002

导致部分地区淡水资源稀缺，加之不合理开采和利用，因此影响天然水体的平衡，进一步影响地下水化学特征，甚至引起一系列的水污染问题。近年来，很多学者针对地下水咸化方面展开了大量研究，地下水咸化方面的研究内容在水文地质学中占比越来越大。李海学等［1］利用地下水矿化度和离子的相关性特征， 确定淡水、 微咸水的分布范围、 分布规律及其成因。何锦等［2］对河北省衡水市桃城区浅层地下水咸化成因进行了研究。邢立亭等［3］以山东省济阳县为研究对象，进一步解析浅层地下水的形成机制。刘宏伟等［4］对影响地下水咸化的主要化学指标进行分析，从而得出地下水咸化成因。侯国华等［5］使用离子比、 Piper图和吉布斯图等手段，对地下水中8种主要离子的浓度、 δD和δ18O同位素组成、溴元素和锶元素的浓度等进行研究，以探究地下水的补给来源和盐分来源。孙振宇等［6］通过分析地下水等级分布情况，掌握地下水咸化原因。

山东省巨野县位于鲁西南冲湖积平原区的咸淡水交界区，受地质结构、古地理以及沉积环境影响，导致含水层分布、 埋藏及水力性质等相对复杂。根据以往研究结果，巨野县虽然已经确定为典型的内陆咸水分布区； 但是对于其咸化特征及咸化机制的研究相对较少，因此对该区域浅层地下水展开深入研究，明晰地下水咸化特征及形成机制，对后续进行合理开发，解决农作物减产、 优质含水层被污染等问题具有重要意义。本文中采用多种水化学分析方法对巨野县浅层地下水状况进行综合判断，为当地地下水资源管理、 防治地下水进一步咸化提供科学参考。

济南大学学报（自然科学版）第38卷

第3期冯国伟，等：山东省巨野县浅层地下水咸化特征及成因研究

1  研究区概况

巨野县位于半湿润的暖温带，气候具有明显的季节变化，夏季炎热，春、 秋季干燥，冬季寒冷，主要风向为东南风。区域内河流纵横成网，主要有洙赵新河、 洙水河、 郓巨河（见图1）。降水年际变化大，时间分配不均匀，丰、枯水年交替出现。近几十年来，研究区年平均降水量为662 mm，年平均蒸发量为900～1 800 mm，多年平均气温为13.6 ℃，月平均最低气温为 -5.2 ℃，月平均最高气温为32.4 ℃。

研究区浅层地下水水文地质构造如图2所示。影响研究区地下水补给、 径流、 排泄的主要因素是气象水文、 地形地貌、 地层岩性与人为活动。地下水补给的主要途径是大气降水入渗，降水量、 降雨强度、 包气带岩性、 地形条件以及地下水位埋深等因素也会影响地下水补给。研究区地下水排泄方式

主要分为潜水蒸发和人工开采，另有部分地下水通过地下径流向下游地区排泄，地下水整体流向为自西向东。

2  材料与方法

2.1  地下水采样与测试

2022年8月在研究区采集浅层地下水样品20组，取样点位置见图3。井深均不大于50 m，采集水样的地下水类型均为孔隙水。由于采样点较为分散，因此分2个小组同时进行采样，采样时间控制在2 d内。采集金属样品时，采用孔径0.45 μm滤膜过滤。现场测试参数包括水位、 水温、 pH、 电导率、 浑浊度、 氧化还原电位、 颜色等。

pH的测定采用电极法， K+、 Na+、 Ca2+、 Mg2+

测定采用电感耦合等离子体发射光谱法， HCO-3测定采用酸碱指示剂滴定法， SO2-4、 NO-3 、 Cl-测定采用离子色谱法， 总硬度测定采用乙二胺四乙酸（EDTA）滴定法，溶解性总固体 （TDS）测定采用重量法。

2.2  数据处理

研究区地下水检测数据采用Excel软件进行数理统计，采用统计产品与服务解决方案软件（SPSS）进行因子分析，采用ArcMap 10.6软件绘制地下水取样点位置图，采用Origin 2022绘制Durov图、 吉布斯图以及离子比值图，采用GS+软件分析研究区地下水空间变异特性，采用AquaChem 3.7软件Phreeqc模块计算矿物饱和指数。

地下水咸化系数Cs计算公式为

Cs=ρ（Cl-）ρ（HCO-3）+ρ（CO2-3）

式中： ρ（Cl-）、 ρ（HCO-3）、 ρ（CO2-3）分别为地下水中Cl-、 HCO-3、 CO2-3的质量浓度。

3  结果与分析

3.1  地下水化学特征

表1为研究区地下水化学参数测试结果。由表可见：研究区地下水的pH为7.1～7.9，平均值为7.5， 总体为弱碱性； TDS的质量浓度为1 680～14 000 mg/L，平均值为5 034.5 mg/L，表明研究区咸水面积占比较大，微咸水、 盐水的面积较小［7］； 地下水中的优势离子为Na+、 Mg2+、 Cl-、 SO2-4， 初步判断地下水溶解可溶盐， 使得离子含量增加， 相应的矿化度也增大。

研究区地下水Durov图如图4所示。 由图可以看出： 研究区地下水阴离子中， SO2-4含量與HCO-3-CO2-3含量变化呈反比关系，SO2-4含量减少则HCO-3-CO2-3含量增加； Cl-含量与pH相关性密切。 阳离子中Mg2+含量与Na+-K+含量变化也呈反比关系， Mg2+含量增加则Na+-K+含量减少； Ca2+含量基本不变化。 此外， 研究区内大多数采样点的地下水中的

阴离子分布在HCO-3-CO2-3轴与Cl-轴之间， 偏向于HCO-3-CO2-3轴， 少数采样点的阴离子分布在SO2-4轴。 研究区地下水中的阳离子基本分布在Mg2+轴与Na+-K+轴中间， 少数采样点的阳离子分布在Mg2+轴。 不同采样点间的pH、 TDS含量存在明显差异， 且TDS含量与Na+-K+含量关系密切， TDS含量和Na+-K+含量均呈现上升趋势。 根据舒卡列夫分类法确定调查区地下水化学类型［8］， 研究区地下水化学类型分别是SO4·Cl-Na·Mg、 HCO3·SO4·Cl-Na·Ca·Mg、 HCO3·SO4-Na·Mg以及HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型，在采样点中的占比分别是55%、 15%、 10%和20%。

3.2  地下水咸化程度

图5为研究区地下水主要指标等值线图。从图中可以看出，研究区东北部、 东南部、 西南部地下水中TDS含量较大，中部、 西北部地下水中TDS含量较小，且Cs值的分布规律与TDS含量的分布规律基本一致，由此可以判断本文中对研究区地下水咸化程度的分析符合当地地下水现状。根据Cs判断地下水咸化程度［9］， Cs≤1时为未咸化水，1< Cs≤ 2时为微咸化水，Cs＞2时为咸化水。由研究区地下水咸化系数分布（见表2）可知，微咸化水和咸化水的采样点的比例分别为25%、 20%。

3.3  地下水咸化空间变异特性

对浅层地下水Cl-、 SO2-4、 TDS含量的检测结果进行正态检验，结果表明，这3种离子不符合正态

分布， 经过对数转换后， 其显著性检验P值（柯尔莫戈洛夫-斯米诺夫检验、 夏皮洛-威尔克检验）均超过了显著性水平0.05， 说明经过对数转换后， 3种离子服从正态分布， 满足半变异函数计算条件。 研究区地下水中3种主要离子的半变异函数模型及相关参数如表3所示。 從表中可见， 研究区地下水的Cl-、 SO2-4、 TDS含量均采用高斯模型， 在各向异性的条件下， 通过2个指标的决定系数R2和最小残差平方和（RSS）判断拟合度， R2、 RSS的值约等于1、 0， 表明它们满足拟合要求［10］。 块金效应为块金值与基台值的比值， 用于衡量变量空间自相关性程度。 块金效应小于或等于0.25 时， 空间自相关性较强； 块金效应为>0.25～0.75， 空间自相关性呈现中等强度； 块金效应大于0.75时， 空间自相关性较弱［11-12］。研究区地下水中3种离子的块金效应为>0.25～0.75， 说明Cl-、 SO2-4、 TDS呈现中等强度的空间自相关性。

3.4  地下水咸化成因

3.4.1  主成分分析

采用SPSS分析研究区地下水样品中的9项化学指标，检测结果的Kaiser-Meyer-Olkin（KMO）检验统计量为0.624，巴特利特球形度检验显著性水平小于0.01，各变量的公因子方差均大于0.5，表明检测数据的相关性较好，且每个变量都能被成功表达，符合主成分分析相关要求［13-14］。依据特征值大于1 的原则，选择3个主要成分，累积贡献率达到90.011%，主要成分与变量的相关性强弱，用载荷的绝对值表示，载荷为0.30～0.50时呈弱相关，载荷为0.50～0.75时呈中等相关，载荷大于0.75时呈强相关［15］。

表4为研究区地下水化学组分的初始特征值及成分矩阵。根据主成分分析结果可知：在第一主成分中， Ca2+、 Mg2+、 Na+、 K+、 Cl-、 SO2-4、 TDS、 TH为主要荷载，说明地下水的咸化主要受水文地质因素控制，大量矿物被溶解于地下水中。结合研究区地质构造，被溶解矿物可能有白云石（Ca2+、 Mg2+）、 钾盐（K+）、 石膏（Ca2+ 、SO2-4）、 岩盐（Na+、 Cl-）等［15］。在第二主成分中，HCO-3为主要荷载，说明碳酸盐、 硅酸盐类矿物以及二氧化碳（CO2）的溶解对地下水影响明显。此外在第二主成分中的NO-3含量能够反映人为活动对地下水的影响［16］，但结合研究区各采样点的NO-3浓度，NO-3的平均质量浓度远小于天然限值10 mg/L［17］，因此可以判断研究区地下水咸化基本不受人为活动影响。第三主成分与pH值的相关性较强，说明地下水水环境的酸碱度对地下水咸化也有一定影响［17］，HCO-3和第三主成分具有中等强度的负相关性。HCO-3主要由碳酸盐矿物溶解于地下水而产生，能够调节地下水水环境的酸碱度［18］。

3.4.2  蒸发浓缩作用

Gibbs图［19］通过反映TDS与ρ（Cl-）/ρ（Cl--HCO-3）、 ρ（Na+）/ρ（Na+-Ca2+）的关系，分析地下水中各组分的起源（大气降水、 岩石风化、 蒸发浓缩）。研究区地下水Gibbs图如6所示。从图中可以看出：几乎所有采样点的ρ（Cl-）/ρ（Cl--HCO-3）、ρ（Na+）/ρ（Na+-Ca2+）都在蒸发浓缩作用控制的范围内，少数采样点落在岩石风化作用控制的范围内，

且有小部分采样点在Gibbs模型以外，说明研究区地下水成分主要受蒸发浓缩作用控制，部分区域地下水受岩石风化作用影响，且本文中的研究区域的浅层地下水基本不受人为因素影响［20］。

3.4.3  阳离子交替吸附作用

研究区地下水中的离子浓度比例关系如图7所示。图7（a）中的K+-Na+浓度与Cl-浓度的关系可以揭示研究区浅层地下水中产生Na+、 K+的主要途径［21-22］， 而Cl-的性质相对稳定， 一般不与其他物质发生化学反应， 所以它在地下水中的含量也较为稳定。 全部采样点的K+-Na+浓度点全部位于平衡线的上方， 表明地下水中的碱离子的主要来源是硅酸盐、 岩盐矿物的溶解。 由图7（b）可知， 90%的采样点位于平衡线的下方，Ca2+-Mg2+与SO2-4-HCO-3的

物质的量浓度比小于1， 表明地下水中Ca2+、 Mg2+、 SO2-4、 HCO-3的主要来源是硅酸盐矿物、 蒸发岩盐矿物的溶解， 大部分采样点中Ca2+-Mg2+的浓度小于SO2-4-HCO-3的浓度， 表明Ca2+、 Mg2+ 2种阳离子不足以平衡阴离子， 还需要其他阳离子平衡， 可能是硅酸盐矿物溶解补充或离子交换作用使得Ca2+、Mg2+含量减少所致。阳离子交替吸附作用的反应方向由氯碱指数（ICA=［c（Cl--Na+-K+）/c（Cl-）］， c（·）为离子的物质的量浓度）和TDS含量的关系图进行表征［见图7（c）］， 浅层地下水取样点中ICA值全部小于0， 表明研究区地下含水介质的离子交换方向为正向［23］。 从图7（d）可知， Na+-K+与总阳离子的物质的量浓度比随TDS含量增加而增加，Ca2+-Mg2+与总阳离子的物质的量浓度比随TDS含量增加而减小，表明研究区地下含水介质中的阳离子发生了交替吸附作用，Na+、 K+被释放进入含水介质，Ca2+、 Mg2+被固相吸附，导致地下水中TDS含量呈增大趋势［24］。

3.4.4  矿物溶解作用

研究区内K+、 Ca2+、 Na+、 Mg2+、 SO2-4、 Cl-等离子的来源主要是矿物溶解，矿物溶解通常需要消耗大量的CO2、 HCO-3，研究区内水系发育较好，水系附近的地下水与地表水交替明显，地表水中的CO2、 HCO-3补给地下水，为矿物溶解提供物质基础［25］。

为了更好地了解研究区地下水中主要溶解矿物的情况， 使用Phreeqc软件计算地下水的矿物饱和指数Is， 依据计算的饱和指数确定地下水中各类矿物的饱和状态［26］。Is＜0时， 地下水中矿物属于未饱和状态， 矿物继续溶解；Is＞0时， 地下水中矿物属于饱和状态， 矿物从地下水中析出沉淀［27］。 研究区地下水中的Is与TDS的关系如图8所示。 由图可以看出： 研究区各采样点的CO2的Is均小于0［见图8（a）］， 说明地下水中的CO2持续溶解；白云石［图8（b）］、 方解石［图8（c）］、 文石［图8（f）］的Is均大于0， 表明这3种矿物已经达到饱和状态，不再溶解，并析出白云石、 方解石和文石沉积； 钾盐［图8（d）］、 石膏［图8（e）］、 岩盐［图8（g）］、 硬石膏［图8（h）］的Is均小于0， 且随着TDS含量增大而逐渐增大， 说明地下水中的TDS主要来自于钾盐、 石膏、 岩盐、 硬石膏的溶解， 此外石膏、 硬石膏的Is的增长趋势小于钾盐、岩盐的，说明对地下水咸化贡献更大的是钾盐、 岩盐的溶解。

4  结论

本文中采用多种水化学分析方法对山东省巨野县浅层地下水状况进行综合判断，得到如下结论：

1）研究区内地下水总体上属于弱碱性， TDS的质量浓度为1 680～14 000 mg/L，水化学类型为SO4·Cl-Na·Mg、 HCO3·SO4·Cl-Na·Ca·Mg、 HCO3·SO4-Na·Mg以及HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型。根据咸化系数结果可知，研究区微咸化水、 咸化水的占比为45%。地下水中Cl-、 SO2-4、 TDS 3种离子含量经对数转换后，符合正态分布，且3种离子的空间自相关性呈现中等强度。

2）SPSS软件因子计算结果表明，检测数据相关性较好，变量都能被成功表达，可以进行主成分分析。根据主成分分析相关原则，选取了3个主要因子，分别表示矿物溶解作用、碳酸盐以及地下水水环境酸碱度对地下水咸化的影响，且研究区地下水咸化基本不受人为活动影响。

3）研究区地下水咸化主要受到蒸发浓缩作用控制，地下水中离子的主要来源是硅酸盐、 岩盐矿物溶解，地下含水介质中发生阳离子交替吸附作用和正向的离子交换。从地下水中各类矿物饱和指数判断研究区内白云石、 方解石、 文石产生了沉积，且钾盐、 石膏、 岩盐、 硬石膏的溶解是TDS的主要来源，造成地下水咸化的最主要矿物是钾盐、 岩盐。

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（责任编辑：于海琴）