滕州市淺層地下水質量評價與成因分析

劉華峰 汪繼學 王增輝 張學松 張貴麗 紀汶龍 李雙

摘要：淺層地下水是陸地水資源的重要組成部分，與人類生產生活密切相關。基于生態地球化學調查項目，按照1點/16km2的密度對滕州市淺層地下水進行調查，共采集地下水樣品95件，分析Fe、Mn等35項指標。結果表明，研究區淺層地下水質量總體較好，pH、CN、Cr6+、溶解性總固體等21項指標含量基本符合《地下水質量標準》（GB／T 14848-2017）中Ⅲ類地下水規定的閥值，適用于集中式生活飲用水水源及工農業用水。影響研究區淺層地下水質量的主要因子是Fe和總硬度，由原生地質環境及人類活動引起。研究結果可為研究區經濟社會發展和用水安全提供基礎性資料和決策依據。

關鍵詞：地下水；質量評價；成因分析；滕州市

中圖分類號：P641.8????文獻標識碼：A????doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.02.003

引文格式：劉華峰，汪繼學，王增輝，等.滕州市淺層地下水質量評價與成因分析［J］.山東國土資源，2024，40（2）：1522. LIU Huafeng， WANG Jixue， WANG Zenghui， et al. Environmental Quality Evaluation and Origin Analysis of Shallow Groundwater in Tengzhou City［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（2）：1522.

0?引言

地下水是保障我國城鄉居民生活用水、支持社會經濟發展的重要戰略資源，在維持陸地生態系統安全和生態環境建設方面具有重要作用［12］。地下水水質評價在水資源評價及其合理開發利用管理中是一項十分重要的任務，可為水資源開發利用管理及城市可持續發展提供重要依據［3］。

滕州市農業灌溉和居民飲用水主要以淺層地下水為主，淺層地下水對農業灌溉和居民飲用水起到了重要的供給作用。工業化以來，農業生產和人類活動產生的“三廢”無限制排放，特別是化肥、農藥的施用以及含磷等生活廢水的排放造成了嚴重的淺層地下水環境污染［45］，近年來隨著相關環保措施落實，地下水質量持續向好。本文依托山東省中南部農業生態地球化學調查項目，對滕州市淺層地下水開展精細調查，分析了淺層地下水元素指標基本含量狀況，同時進行了淺層地下水環境質量評價與超標原因分析，以期為地區經濟社會發展和用水安全提供基礎性資料。

1?研究區自然地理與水文地質概況

滕州市位于山東省南部，隸屬于棗莊市，市境東西45 km，南北46 km，面積1495 km2。東鄰棗莊市山亭區，南鄰棗莊市薛城區，西瀕微山湖、接濟寧市微山縣，北鄰濟寧市鄒城市。滕州市地處魯中南山區西南麓延伸地帶，屬黃淮沖擊平原的一部分，北、東、南三面環山，西臨南四湖，地形由東北向西南傾斜，全市可分為3個地貌區：低山丘陵區、平原區、濱湖區（即湖退區）［6］。河流屬淮河流域京杭大運河水系，大都發源于滕州市東、北部的山丘地帶，由東北流向西南，注入微山湖。滕州市屬暖溫帶季風氣候，年平均氣溫13.6℃，年降水量為773.1mm，年日照時數為2383 h。

研究區處于滕州潛凹陷區，屬于魯西北平原松散巖類水文地質區，淺層地下水類型為松散巖類孔隙水。地下水是地質歷史時期水循環的產物，以含水介質為核心的地下水系統必然隨氣候、地質、構造、水文和生態等自然環境變化以及人類活動的影響而演變［79］。研究區為第四系松散堆積物形成的廣闊平原，含水層為沖積、洪積、湖積粉細砂、中細砂及中粗砂礫石層。垂向上一般由淺、中、深3個含水巖組組成，深度一般為60m以上、60～140m及140m以下，全為地下淡水區。深層含水層補給條件差，透水性弱，不宜大規模開采。淺層地下淡水相對易采易補，是本區主要開采層。山前沖洪積平原亞區淺層潛水、微承壓水，含水層巖性以中粗砂為主，厚5～30m，地下水位埋深一般4～8m，含水層單井出水量500～1000m3/d，局部可達1000～3000m3/d；除可作為農田灌溉用水外，在古河道帶的有利部位可形成大、中型水源地（圖1）。

2?樣品采集與分析

2.1?淺層地下水樣品采集

在研究區按照1點/16km2的密度均勻布設淺層地下水采樣點，共采集淺層地下水樣品95件。地下水樣品主要來自民井和農田灌溉井水樣，深度為20m以淺，實際樣點位置如圖1所示。

淺層地下水樣品采集嚴格按照《生態地球化學評價樣品分析技術要求》（DD2005—03）執行，野外使用便攜式GPS定點，取樣時間為雨季（2012年7—8月份），采樣選擇在井徑大、水位高的民用水井。采樣前先抽水一段時間，去除井中滯留水，采樣時盡量不擾動水體，采用瞬時采樣法，把裝樣瓶沉入水下30～50cm處取樣。樣品容器均為聚乙烯塑料壺，取樣前用水樣清洗3次再取水樣，并根據不同的測試指標，加入相應的保護劑。野外每一個采樣點同時采集3組樣品：①測定Hg，采樣體積為1000 mL，先在塑料壺內加入50 mL濃HNO3及10 mL5％K2Cr2O7溶液，再注入所采集的1000 mL水樣；②測定氰化物，采樣體積為1000mL，水樣中加入2g固體氫氧化鈉，保證水樣的pH≥12，用石臘密封，陰涼處存放；③其他指標，不加試劑，采樣體積為1000mL。所有樣品保證24 h內送到實驗室分析。

2.2?淺層地下水樣品測試分析

淺層地下水樣品測試分析由具有國家認證資質的中國冶金地質總局山東局測試中心完成，主要測試Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、Cd、Hg、As、Pb、Se、Ni、Be、Ba、Co、Sr、Th、U、總N、總P、K、Cr（Cr6+）及總硬度、溶解性總固體（TDS）、氯化物、亞硝酸鹽、氟化物、碘化物、氰化物、pH等共計35項指標，測試分析方法按照《地下水質檢驗方法》（DZ／T 0064-1993）規范執行。其中，pH采有離子電位法，TDS采用重量法，總硬度采用滴定法，總N采用硫氰酸鉀消解后比色法，As和Hg采用原子熒光光譜法（AFS），Ca2+、Mg2+、硫酸根、化學耗氧量、氯化物采用容量法，Cr6+、氟化物、氰化物、碘化物、總磷、NO2采用分光光度比色法，其他17種元素指標采用電感耦合等離子體質譜法（ICPMS）。樣品各項指標檢出限見表1。

3?淺層地下水質量評價及主要超標因子成因分析

3.1?淺層地下水元素指標含量特征

研究區淺層地下水樣品中35項指標的含量及參數見表2。由表可見，研究區淺層地下水全部樣品的氰化物、碘化物、Cr6+和As等4項指標含量未達到檢出限，Be、Cd大部分樣品未檢出，其余29項指標均有不同程度檢出。通過變異系數分析，pH、氯化物、Ca2+、Mg2+、SO24、F、Be、B、Cr、Fe、Co、Ni、Sr、Cd、Ba、溶解性總固體（TDS）、總硬度、總N變異系數小于1，表明研究區地下水這些指標分布變化較小，分布相對均勻；總P、Hg、Se、Mo、Th、U變異系數大于1，表明研究區地下水這些指標變化較大；亞硝酸鹽、K、Mn、Cu、Zn、Pb變異系數大于2，表明研究區地下水這些指標雖然背景值較低，但在局部地段會形成高值區，從而影響淺層地下水質量。通過常規離子濃度分析，淺層地下水陽離子主要是Ca2+，陰離子主要是SO24；研究區淺層地下水溶解性總固體（TDS）在248～1888mg／L之間，主要屬于淡水（<1 g／L）、微咸水（1～3 g／L）。

通常地下水中pH的大小直接影響碳酸存在的形態，在偏酸、偏堿及中性水中HCO3含量占優勢，而研究區淺層地下水pH范圍在6.83～8.26之間，為中性和偏堿性水，因此研究區地下水中表現為HCO3含量占優的特征。

3.2?淺層地下水水質評價

3.2.1?評價因子選擇

影響淺層地下水質量的因子眾多，包括構成地下水質量的各項指標。本文根據《地下水質量標準》（GB／T 14848-2017），選擇NO2、氰化物等26項指標對研究區淺層地下水進行單因子質量評價。

3.2.2?評價標準與方法

地下水質量評價主要是基于目標組分的檢出進行評價［1012］。本文以研究區淺層地下水調查數據為基礎，進行單因子質量評價，并按照《地下水質量標準》（GB／T 14848-2017）中所列分類指標劃分為5類，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，當不同類別標準值相同時，從優不從劣［13］，超出Ⅳ類限值的指標為超標因子。

3.2.3?評價結果

根據《地下水質量標準》（GB／T 14848-2017）所規定的元素指標含量分級限值，對地下水進行單因子評價，統計研究區淺層地下水各樣品評價分類，統計結果見表3。

由表3可見，研究區淺層地下水中超標因子共有10個，分別為Cl、SO24、COD、Mn、Fe、Ni、Se、Pb、溶解性總固體和總硬度。其中鐵和總硬度超標率最高，在64％以上；溶解性總固體次之，超標率為16％；Cl、SO24、COD、Mn、Ni、Se、Pb的超標率最低，在1％～8％之間。

研究區淺層地下水中pH、CN、Cr6+、F、I、As、Be、Co指標含量均滿足Ⅰ類地下水水質標準，NO2、COD、Hg、Mn、Cu、Zn、Se、Mo、Cd、Pb指標含量以Ⅰ類為主，Ni、Ba、溶解性總固體指標含量以Ⅲ類為主，Fe元素含量以Ⅳ類為主，總硬度以Ⅳ、Ⅴ類為主。研究區淺層地下水中pH、CN、Cr6+、F、I、As、Be、Co、NO2、COD、Hg、Mn、Cu、Zn、Se、Mo、Cd、Pb、Ni、Ba、溶解性總固體等21項指標含量基本符合《地下水質量標準》（GB／T 14848-2017）中Ⅲ類規定的閥值，適用于集中式生活飲用水水源及工農業用水。影響研究區淺層地下水質量的主要指標是Fe和總硬度，出現較多超過Ⅳ類和Ⅴ類閥值的樣點，研究區淺層地下水為高鐵地下水（圖2）。

3.3?主要超標因子（鐵和總硬度）成因分析

3.3.1?鐵（Fe）

一般認為鐵過多對人體無害，在我國鐵只作為感觀性狀指標看待，然而水中含鐵量過多也會造成危害。據測定，當水中含鐵量為0.5 mg/L時，色度可達30度以上，含鐵量達到1.0 mg/L時，不僅色度增加而且會有明顯的金屬味。有研究表明，人體中鐵過多對心臟有影響，甚至比膽固醇更危險。因此，高鐵水必須經過凈化處理才能飲用［14］。

1—松散巖類孔隙含水巖組（1000～3000m3/d）；2—松散巖類孔隙含水巖組（500～1000m3/d）；3—松散巖類孔隙含水巖組（<500m3/d）；4—碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組（1000～3000m3/d）；5—碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組（500～1000m3/d）；6—碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組（<500m3/d）；7—碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組隱伏于松散巖層之下的（>5000m3/d）;8—碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組隱伏于松散巖層之下的（1000～3000m3/d）;9—變質巖類裂隙及巖溶裂隙含水巖組（<100m3/d）；10—碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙水（500～1000m3/d）；11—碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙水（<500m3/d）;12—Ⅰ類水；13—Ⅱ類水；14—Ⅲ類水；15—Ⅳ類水；16—Ⅴ類水。圖2?淺層地下水單因子質量評價圖（Fe）

研究區淺層地下水鐵（Fe）離子含量范圍為0.029～3.475mg／L，均值為1.354mg／L。鐵以Ⅳ類水和Ⅴ類水為主，占總樣品的98％，超標樣品分布在研究區西北和西南部區域。鐵是地殼最豐富的元素之一，鐵元素屬地下水原生指標，主要受地質背景控制［1517］。研究區前新近紀地層絕大部分為隱伏地質體，上被廣泛發育的第四紀地層覆蓋，僅在東部零星出露長清群、九龍群地層［18］，隱伏地質體風化形成的土壤及成土過程控制淺層地下水鐵的含量背景。造成研究區鐵超標一方面由于地質環境造成。滕州西部分布較多的煤礦，比如級索煤礦、蔣莊煤礦等，煤礦區域環境為還原環境，這種地質環境下鐵與大量的硫化物結合，形成硫化鐵，很容易進入地下水中，從而使地下水中鐵含量增高。有較多報道表明，地下水鐵含量主要受自然因素控制［19］。另一方面工業生產和人類活動造成的污水進入地下水中激發地層中的鐵和某些組分發生交換也會使鐵含量升高［2021］。研究區西北部超標區主要為農田、居民區，地勢相對較低，受到地表上游工業廢水和生活污水的地表傳輸，在下游下滲積累，造成淺層地下水中鐵含量升高（圖2）。

同時，鐵在地下水中的存在形式除受氧化還原環境的影響外還受pH的影響，當pH為6～8時，有利于Fe2+的溶解富集［2223］。研究區鐵超標地下水樣品pH介于6.83～7.39之間，有利于地下水對巖土層中二價鐵的氧化物起溶解作用，鐵由巖土層進入到地下水中，造成地下水中鐵含量較高。

3.3.2?總硬度（TDS）

地下水硬度較高影響地下水使用，在使用過程將產生一定的問題，如人體長期飲用硬地下水，會導致腎結石發病率升高，工業使用高硬度水會造成生產設備管道水垢及堵塞等問題。研究區淺層地下水總硬度含量范圍為139.36～1303.66mg／L，均值為546.34mg／L，以Ⅳ類水和Ⅴ類水為主，占總樣品的63％。總硬度空間分布主要受地形地貌控制，超標點主要集中在西部平原區和濱湖區，東部丘陵區無超標樣點（圖3）。

1—松散巖類孔隙含水巖組（1000～3000m3/d）；2—松散巖類孔隙含水巖組（500～1000m3/d）；3—松散巖類孔隙含水巖組（<500m3/d）；4—碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組（1000～3000m3/d）；5—碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組（500～1000m3/d）；6—碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組（<500m3/d）；7—碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組隱伏于松散巖層之下的（>5000m3/d）;8—碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組隱伏于松散巖層之下的（1000～3000m3/d）;9—變質巖類裂隙及巖溶裂隙含水巖組（<100m3/d）；10—碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙水（500～1000m3/d）；11—碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙水（<500m3/d）;12—Ⅰ類水；13—Ⅱ類水；14—Ⅲ類水；15—Ⅳ類水；16—Ⅴ類水。圖3?淺層地下水單因子質量評價圖（TDS）

引起地下水總硬度超標的因素較多，地表污水滲入、生活垃圾排放、含水層水動力條件改變，均是造成淺層地下水中總硬度較高的原因［2426］。研究區分布大面積灰巖地層，巖石土壤中的鈣、鎂離子經雨水沖刷隨地下徑流遷移至地勢低洼的西部平原區，導致淺層地下水中的總硬度含量增高。研究區農業種植過程化肥農藥使用量較大，易造成污染載體與包氣帶和含水圍巖之間發生一系列的水文地球化學作用，促使土壤及其下層沉積物的鈣鎂易溶鹽、難溶鹽及交換性鈣鎂由固相向水中轉移，從而使淺層地下水硬度增高［27］。研究區西部有煤礦區域，多座煤炭礦山企業產生的污廢水也與地下水硬度偏高有著密切關系。采煤排出的污廢水為pH很低的酸性水，酸性廢水的排放使某些鹽類進入含水層發生鹽效應，促使土體中難溶的方解石、白云石溶解，使鈣鎂離子溶解于水中，造成淺層地下水總硬度偏高。因此人類生產活動因素也是地下水中總硬度增高的主要原因［28］。

4?結論

（1）滕州市淺層地下水質量總體較好，pH范圍在6.83～8.26之間，主要為淡水和微咸水，總P、Hg、Se、Mo、Th、U含量在研究區變化范圍較大。

（2）單因子環境質量評價表明，滕州市淺層地下水中pH、CN、Cr6+、F、I、As、Be、Co、NO2、COD、Hg、Mn、Cu、Zn、Se、Mo、Cd、Pb、Ni、Ba、溶解性總固體等21項指標含量基本符合Ⅲ類水規定的閥值，適用于集中式生活飲用水水源及工農業用水。地下水未產生重金屬污染，影響研究區淺層地下水水質的主要因子是Fe和總硬度。

（3）研究區西部平原區淺層地下水水質較差，鐵超標成因與西部煤礦分布區域所處的還原地質環境、生活污水排放及有利于巖土層鐵溶解的pH密切相關。

（4）研究區淺層地下水總硬度超標是多重因素引起，灰巖地層土壤中的鈣、鎂離子經雨水沖刷隨地下徑流遷移積累、農業化肥施用導致含水層水動力條件改變及西部煤礦酸性廢水排放導致的難溶礦物鈣鎂離子溶解等因素導致。

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Environmental Quality Evaluation and Origin Analysis of Shallow Groundwater in Tengzhou City

LIU Huafeng1， WANG Jixue2， WANG Zenghui1， ZHANG Xuesong1， ZHANG Guili1，JI Wenlong1，LI Shuang1

（1. Shandong Geological Surveying Institute， Shandong Ji'nan 250014， China; 2.Geophysical Prospecting and Surveying Brigade of Shandong Bureau of Coal Geology， Shandong Ji'nan 250000， China）

Abstract：Shallow groundwater is one of the important water resources. It is closely related to human production and life. Based on ecological geochemical survey project， shallow groundwater in Tengzhou city has been investigated at a density of 1 point in 16km2. 95 groundwater samples have been collected， and 35 indicators， such as Fe and Mn have been analyzed. It is showed that the overall quality of shallow groundwater in the study area is good， and the contents of 21 indicators， such as pH， CN -， Cr6+， and total dissolved solids basically meet the threshold values specified in the "Groundwater Quality Standard" （GB/T 14848—2017） for class Ⅲ groundwater， which is suitable for centralized domestic drinking water sources and industrial and agricultural water use. The main factors affecting the quality of shallow groundwater in the study area are Fe and total hardness， which are caused by the primary geological environment and human activities. The research results can provide fundamental data and decision-making basis for economic and social development and water safety in the study area.

Key words：Underground water; quality evaluation; orgin analysis; Tengzhou city

收稿日期：20230726；修訂日期：20230924；編輯：王敏

基金項目：山東省中南部地區農業生態地球化學調查（魯國土資發〔2011〕96號）

作者簡介：劉華峰（1982—），男，山東鄄城人，正高級工程師，主要從事環境地球化學等方面工作；Email：hfliu88g@163.com?*通訊作者：汪繼學（1989—），男，山東微山人，工程師，主要從事水工環地質工作；Email：516040017@qq.com