泰安新泰市地下水化學特征研究

韓 鋒 ，陳田華

（1.外生成礦與礦山環境重慶市重點實驗室，重慶地質礦產研究院，重慶 400042；2.四川省核工業地質調查院，成都 610061）

新泰市位于山東省中部，魯中山區的西緣，泰沂腹地，北依五岳獨尊的泰山，南臨孔子故里曲阜，東接山東半島沿海城市。地形總的趨勢是東北高，西及西南低。新泰是全國60個重點產煤縣市之一，現已探明的原煤儲量16億噸。依托豐富的礦產資源新泰市經濟發展迅速，經濟實力位居山東省30強縣市。隨著經濟的快速發展，對水資源需求日益增大，產生了地下水過度開采和環境污染等一系列問題，迫切需要對區域內的地下水資源進行綜合評價，旨在為新泰市維護生態環境穩定提供依據。

研究工作在新泰市地質及水文地質資料的基礎上，利用抗旱所打水井及已有老井，系統的采集水樣對新泰市地下水中的主要離子含量進行了相關分析和因子分析，了解其水化學特征及其成因。

1 地質背景

1.1 地層

新泰市地處魯中南中低山地貌區。地層自太古界、古生界、中生界至新生界均有出露，基巖出露的面積約占全區的2/3以上，多沿各斷塊呈北西—南東向展布。第四系主要分布于新泰—樓德山間盆地一帶。

1.2 構造

新泰市屬于中朝準地臺的一部分。東西向斷裂有泰安大斷裂、新蒙大斷裂和蒙山大斷裂。在斷塊凸起的周圍，呈放射狀發育一些派生構造。區內褶皺不甚發育，主要有蒙山倒轉背斜的一部分。

1.3 巖漿巖

受燕山晚期巖漿活動的影響，區內巖漿巖發育，既有太古代基性巖，又有中生代酸性侵入巖分布。

2 水文地質概況

新泰市在區域上屬于“魯中南中低山丘陵、山前沖洪積平原地下水資源區，魯山背斜北翼單斜構造地下水資源亞區”。其地下水的賦存條件及分布規律受地層、地貌、構造及水文氣象等自然件所控制[1]。

按照含水介質巖性，自上而下劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和基巖裂隙水四種類型。松散巖類孔隙水主要賦存于第四系沖積、沖洪積及殘坡積層中；碎屑巖類孔隙裂隙水含水巖組主要由石炭系、侏羅系、白堊系及下第三系的砂巖、砂頁巖、礫巖及少量灰巖組成；碳酸鹽巖類裂隙巖溶水含水巖組主要由寒武系、奧陶系灰巖及灰巖夾頁巖組成；基巖裂隙水含水巖組主要由泰山群變質巖及各期巖漿巖（閃長巖、花崗巖）風化帶網狀裂隙水組成。

3 地下水化學特征分析

3.1 樣品采集

水化學樣品主要在抗旱找水打井施工的水文鉆孔中與附近已有老井中并采用分層止水采集，共采集樣品32件，主要在灰巖裂隙含水層中采取的裂隙水。所有樣品進行了水化學組分分析,其中主要離子的含量采用滴定法測試。

3.2 地下水化學特征

地下水化學組分中陽離子以Ca2+為主，陰離子以HCO為主，其次為 SO、Cl-，這完全符合碳酸鹽地區地下水的一般特點。地下水的TDS介于374.73～933.41mg/L之間,地下水化學類型較單一，基本為HCOCa型。在新泰市劉杜鎮北寨村一帶分布HCO3·SO4-Ca·Mg型,在劉杜鎮東趙村一帶分布有小片 HCO3·SO4-Ca型。在放城鎮郗家峪村分布有小片HCOCa·Mg型。

通過對所采樣品進行主要離子參數分析，得到地下水主要離子特征（表1）。

從表 1 中可以看出在陽離子（Ca2+、Mg2+、K+、Na+）中Ca2+的含量相對較高，平均為87.95mg/L，K+的含量最低，平均為1.37mg/L；陰離子HCO的平均值達到了266.18mg/L，標準差為 71.35，兩值均較大，變異系數較小，反映HCO在地下水中的絕對含量較高，為地下水中的主要陰離子。K+、Na+、Cl-、SO、F-、NO的變異系數均較大，表明其在地下水中的含量變幅較大，它們是地下水中隨環境變化的敏感因子，是決定地下水鹽化作用的主要變量。HCO和Ca2+的變異系數相對較小，表明它們在地下水中的含量相對比較穩定。

表1 地下水主要離子特征表

4 水化學成因分析

地下水的化學成分是地下水在流動過程中經過漫長的地質歷史時期形成的，是多種因素綜合作用的結果，受流經巖石成分、地層結構、水動力場、沉積環境、人類活動等多種因素的影響。通過地下水的樣品分析，了解了水中各化學組分的含量及分布變化特征。下面通過所取得的分析數據進行相關分析和因子分析，進一步探討水化學成因特征[2～4]。

表2 地下水化學成分相關系數表

通過因子分析得到了4個主要因子,其累計方差貢獻率達到86.657%,即這4個因子可以反映總體水化學樣本86.657%的水化學信息量，單因子的方差貢獻率大小也側面反映了因子對水化學特征影響程度的大小。從表4可見：

1）第一因子F1的方差貢獻率為 41.185%,主要由 Ca2+、HCO和TDS構成,且三者之間的相關程度高，所取地下水含水層的主要巖性為為灰巖，裂隙及巖溶多為鈣質泥質膠結,這表明孔隙巖溶水主要是受到巖石礦物溶解的影響,而且 Ca2+、HCO與pH皆呈負相關,也表明在開放條件好徑流通暢的地區受大氣降水混合作用的影響,加速灰巖的溶解,在水位埋藏較淺徑流滯緩的地區受潛水蒸發濃縮作用的影響,使離子濃度增高。

表3 地下水水化學成分相關矩陣的特征值和方差貢獻率表

2）第二因子F2的方差貢獻率為24.126%,主要由Na+、SO、Cl-和 N0組成，Na+、SO、Cl-與 N0的相關程度較高。一方面由于碳酸巖鹽或其他氯化物的溶解與巖漿巖中含氯礦物的風化溶解；另一方面，由于NO不是地下水的天然化學組分，受人類活動的影響，大量的生活污水、工業廢水的排放，使其成為主要來源；同時工業、生活污水及糞便中的大量C1也是使Cl-濃度升高的因素。因研究區內煤系地層發育，煤系地層中常含有很多黃鐵礦（硫鐵礦），在氧化環境下煤系地層中的硫化物易被氧化，使流經這類地層的地下水以SO為主，也反映出氧化環境對水化學成分的影響。同時煤等化石燃料排放的大量含硫氣體被雨水吸附而進入地下水生成SO離子，也是造成SO濃度升高的因素。

表4 地下水水化學成分的方差極大旋轉因子載荷矩陣表

3）第三因子F3的方差貢獻率為11.805%，主要由Na+、Mg2+、HC0和TDS組成,HC0和TDS相關程度較高，Mg2+與HC0、TDS中等程度相關；一方面由于各種硫酸鹽、重碳酸鹽和氯酸鹽的溶解，同時地下水徑流條件通暢,水交替積極,在溶濾作用下形成低礦化的地下水；另一方面，裂隙水與巖溶水產生聯系，在局部地段使部分離子濃度升高。

4）第四因子F4的方差貢獻率為9.540%,主要由K+構成，它與其他化學組分的相關程度都很低,這主要是由巖漿巖和變質巖中含鉀礦物的風化溶解，使K+濃度升高所致。

5 結論

通過上述分析，可以得出以下結論：

1）研究區地下水中陽離子Ca2+的含量相對較高，陰離子HCO含量最高，表明研究區范圍內地下水中主要離子為HCO和 Ca2+且 HCO和Ca2+含量相對穩定，說明該區地下水水質類型主要為HCO3—Ca型。

2）研究表明,該區地下水水化學特征主要受含水層巖石礦物成分、蒸發濃縮作用、大氣降水和裂隙水與巖溶水混合作用及人類活動的影響。

[1] 梅必貴，陳運偉, 等.山東省泰安新泰市抗旱找水打井工程竣工報告[R].2011：8～55.

[2] 孫斌，邢立亭.濟南市區附近地下水化學特征研究[J].中國農村水利水電，2010，0(11)：33～37.

[3] 張翼龍，王麗娟.呼和浩特市淺層地下水水化學特征演變規律[J].南水北調與水利科技，2010，8(6)：14～17.

[4] 章光新，鄧偉.中國東北松嫩平原地下水水化學特征與演變規律[J].水科學進展，2006，17(1)：20～28.

[5] 沈照理，朱苑華.水文地球化學基礎［M］.北京：地質出版社，1993.