煤炭資源型城市淺層地下水化學特征及成因分析

摘要：在“雙碳”目標背景下，地下水化學特征及成因機理對于煤炭資源型城市產業結構演化和轉型發展至關重要。山東省濟寧市是典型的礦城一體化城市，選取濟寧市都市區為研究區，通過對比研究區內淺層地下水水化學特征，對其形成機制和控制因素進行分析。結果表明：研究區地下水整體為偏堿性硬水，水化學類型傾向于由HCO3-Ca·Mg和HCO3-Na·Ca向HCO3·SO4-Ca、HCO3·Cl-Ca·Mg、HCO3-Na·Ca·Mg、HCO3·Cl-Na·Ca轉變。研究區水化學組分的主控因素為水巖作用，其水化學特征主要受碳酸鹽巖溶濾作用、農業生產和含氟礦物溶濾作用的影響，淺層地下水化學特征受當地工業制造業和采礦業影響逐漸增強。研究結果可為當地地下水保護和合理開發利用提供借鑒。

關 鍵 詞：淺層地下水； 水化學特征； 影響因素； 多元分析； 煤炭資源型城市

中圖法分類號： P641.1 文獻標志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.02.007

0 引 言

資源型城市作為中國重要的能源資源戰略保障基地，是國民經濟持續健康發展的重要支撐。其中，以礦產為主的資源型城市的資源開采、加工等活動，將對地下水資源造成不同程度的污染，直接影響人民身體健康和生活質量［1-3］。通過對城市地下水水化學特征的分析研究，可以了解地下水與周邊環境的相互作用機理［4］，科學查明并揭示地下水化學特征，在此基礎上使用科學方法對其成因進行分析，能夠追溯地下水歷史演化過程，對指導城市地下水資源開發利用和保護，促進資源型城市可持續發展具有重要意義［5-6］。

近年來，眾多學者已經開展了資源型城市的水化學特征及成因機制的研究，如：吳曉麗等［6］通過多種方法分析得出朔州市平朔礦區淺層地下水在采礦擾動下與深層地下水存在一定程度的水力聯系；張春潮等［7］通過對比分析山西省晉城市三姑泉域水資源化學特征，得出采礦活動對地下水和地表水均造成了不同程度的污染；殷曉曦等［8］對安徽省淮北市礦區多層地下水的研究中也同樣指出，在采礦活動影響下不同層位地下水化學特征變化明顯。

濟寧市作為中國東部煤炭資源型城市的典型代表，多年的煤礦開采和地下水開發利用引發了不同程度的水質惡化、采煤塌陷等地質環境問題［9-11］。截至目前，對濟寧市地下水的研究方向多集中在水位變幅［12］、地下水脆弱性［13］、地面沉降［14］、礦坑水［15］等方面，仍缺少對濟寧市地下水化學特征的深入分析，尤其在人口密集和工業發達的主城區，區域性水化學特征的成因尚未明確，亟需補充完善。因此，本文利用濟寧市人口密集的都市區28個淺層地下水水樣點進行水化學特征研究，借助數理統計、Piper三線圖、舒卡列夫分類、因子分析、聚類分析等多種方法揭示該地區淺層地下水化學特征與成因機理，重點探討了人類活動對淺層地下水化學特征的影響，為研究區化解礦產資源開采和水環境保護的矛盾提供重要地質依據。

1 研究區概況

研究區位于濟寧市中部，地理坐標：北緯35°19′～35°36′，東經116°30′～116°50′，涵蓋了整個濟寧市都市區，屬于濟寧市發展的中心地帶，區內交通便利，人口密集。研究區屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區，氣候溫和，四季分明，年平均氣溫13.6℃，降雨集中于夏季，年平均降水量664.8 mm，年際間常表現為春旱夏澇，晚秋又旱的氣候特點。

研究區屬淮河水系南四湖流域，區內水系豐富，多為季節性河流，其中主要有京杭運河、泗河、洸府河、楊家河、蓼溝河等。研究區處于魯南泰沂低山丘陵與魯西南黃淮海平原交界地帶，地質構造上屬華北地區魯西南斷塊凹陷區，地形以平原洼地為主，地勢東高西低。當地地下水主要補給來源為大氣降水補給，其運移方向與地表水流向基本吻合，由東北向西南流動。

第四系松散堆積物在研究區廣泛分布，該松散層由東北向西南增厚，根據其含水性質和阻水特征淺層地下水可劃分為淺層潛水-微承壓水含水亞組和中深層承壓水含水亞組。本次主要研究對象為淺層潛水-微承水壓含水亞組，其埋深在60 m以內，含水層以粉細砂、中細砂為主，分選性、磨圓度較好，砂層分布不均勻，一般2～3層，單層厚度0.8～8.5m，連續性差，多為砂層透鏡體，累計厚度在10 m左右，最大可達24 m，含水層單井涌水量1 300～1 700 m3/d。

2 樣品采集與測試方法

2.1 樣品采集與測試方法

2020年10月在濟寧市中部人口密集都市區共采集淺層地下水樣品28份，采樣點井深均小于50 m，屬于第四系淺部砂層孔隙水，采樣點分布見圖1。

本次取樣使用清潔、干燥的2.5 L聚乙烯塑料桶，取樣前使用潔凈蒸餾水潤洗3次，對采樣井預抽水20 min后，使用待測水樣潤洗取樣容器3次后再盛裝樣品，24 h內送至山東省魯南地質工程勘察院實驗測試中心進行檢測化驗。測試方法依據DZ/T 0064-1993《地下水質檢驗方法》，其中：K+、Na+采用火焰發射光譜法測定，Ca2+、Mg2+采用乙二胺四乙酸二鈉滴定法測定，Cl-、SO2-4、F-采用離子色譜法測定，HCO-3采用鹽酸容量法測定，H2SiO3采用硅鉬黃比色法測定，TDS通過105 ℃烘干重量法測定，pH值通過玻璃電極法測定。

2.2 樣品布設依據及可靠性分析

根據濟寧市土地利用規劃，研究區東部和北部地區以耕地為主，西部和南部是住宅和工業分布區，尤其是高新區沿廖溝河一帶，是濟寧市工業聚集區。農業用地范圍內人口稀疏，地下水化學特征影響因素單一，采樣密度低；工業用地和住宅區人口稠密，地下水化學特征影響因素復雜，采樣密度高。同時，采樣點沿泗河、楊家河等淺層地下水分水嶺和側向徑流方向布設，能夠充分說明研究區淺層地下水隨徑流方向的水化學特征變化，化驗檢測數據可以較好地代表各功能區淺層地下水化學特性。

本次研究在工礦業集中分布區域取樣密度大，對采樣前后一段時間內的研究區淺層地下水化學特征描述較為可靠。但淺層地下水與地表水體的水力聯系密切，各類工礦業在一段時期內的產能和排污量變化能夠對淺層地下水化學特性造成影響。因此，僅依靠本次研究不足以準確說明區內長期水化學特征的變化情況。

2.3 數據處理

運用SPSS軟件對所有水樣數據進行分析，統計地下水主要化學指標的最大值、最小值、標準偏差、平均值和變異系數，并采用因子分析和聚類分析方法綜合研究水化學組分關系和來源；繪制Gibbs圖分析地下水水化學組分的主要控制因素，采用Origin繪制Piper三線圖；通過MapGIS等專業軟件繪制其他研究區圖件。

3 結果與討論

3.1 地下水水化學特征

3.1.1 化驗指標統計特征

對全部水樣的水化學指標數據進行統計（見表1），通過統計分析可以大致了解研究區地下水中各化學成分的富集和變動規律。根據統計結果：研究區地下水pH范圍為7.2～7.9，平均值7.53，整體呈弱堿性。TDS范圍為392.75～1 320.75 mg/L，平均值770.92 mg/L。總硬度范圍為145.07～663.19 mg/L，平均值360.54 mg/L，根據硬度分類［16］，地下水多為硬水。

3.1.2 水化學類型

本次研究利用Piper三線圖分析地下水離子的組成特征，該方法可以在圖中直觀反映樣品的水化學類型和各類離子的相對含量［17］。由圖2可以看出：研究區地下水中陰離子以HCO-3為主，其次為SO2-4和Cl-；陽離子以Ca2+為主，其次為Na+。其中HCO-3和Ca2+含量較高，說明水中化學成分主要來源于碳酸鹽礦物質風化溶解。研究區淺層地下水水化學類型主要為HCO3-Ca·Mg、HCO3-Na·Ca、HCO3·SO4-Ca、HCO3·Cl-Ca·Mg、HCO3-Na·Ca·Mg、HCO3·Cl-Na·Ca。從整體分布情況看，隨地下水徑流方向，水化學類型傾向于由HCO3-Ca·Mg和HCO3-Na·Ca向HCO3·SO4-Ca、HCO3·Cl-Ca·Mg、HCO3-Na·Ca·Mg、HCO3·Cl-Na·Ca轉變。

3.2 地下水水化學特征成因分析

3.2.1 地下水化學成分來源分析

Gibbs模型圖解可以識別地下水中各類離子的起源，在分析水化學成分與氣候和地質特征之間的關系中效果顯著［18］，能夠將地下水水化學特征劃分為大氣降水作用、水巖作用和蒸發結晶作用3種類型。本次研究中將所有水樣數據進行處理后繪制于Gibbs圖中，如圖3所示，研究區地下水cNa+/c（Na++Ca2+）的值為0.1～0.6，cCl-/c（Cl-+HCO-3）分布更集中，主要在0～0.3之間，TDS濃度大部分在200～1 300 mg/L范圍內，說明本區域地下水水化學組分主要受水巖作用控制，其次受到較弱的蒸發結晶作用控制，而大氣降水作用不是本研究區地下水化學控制因素。

3.2.2 因子分析

對地下水中不同組分的相關性分析，可以了解組分之間的相互關系，能夠初步揭示地下水中各類離子來源的差異性與一致性［19-20］。通過表2可以得出：TDS與Na+、Ca2+、Cl-、HCO-3的相關系數均達到0.8以上，屬于強相關關系，表明以上幾種組分是決定研究區地下水水化學類型的主控成分，進一步印證了水巖作用是濟寧都市區淺層地下水水化學特征的主控因素。K+與NO-3正相關性最強，推測與當地農業化肥使用相關。SO2-4與其他組分的相關性均不明顯，說明其分布特征不明顯，可能與工業設施等人為因素有關。

基于表2數據對本次取樣測試的14項化驗指標進行因子分析，并以特征值大于1為原則得到3個主因子，其累計方差貢獻率為72.966%，表明3個主因子可以較好地代表研究區地下水水化學特征。主因子載荷矩陣如表3所列。由表3可得：

（1） 因子F1解釋了總方差的31.598%，并且與TDS、TH、Ca2+、HCO-3、Cl-、Na+呈顯著正相關關系，說明碳酸鹽巖溶濾作用是控制研究區地下水水化學成分的主要因素。研究區處于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，全年雨水集中，淺層地下水多受上游地下水徑流補給和地表水側向徑流補給，其上游曲阜、泗水等地第四系厚度小，碳酸鹽巖地層埋深淺并且裂隙巖溶發育，受風化溶濾作用明顯，致使Ca2+、HCO-3濃度較高。

（2） K+與NO-3為因子F2的主要正相關指標，解釋了總方差的27.975%，其主要來源為農業生產中鉀肥和氮肥的使用。研究區周邊農業種植作物主要為小麥、玉米、大豆、花生等，灌溉方式以噴灌和漫灌為主，極易使肥料滲入地下水導致K+和NO-3濃度升高。從水樣化驗結果來看，NO-3濃度嚴重超標的樣品為JNS-9、JNS-10、JNS-11、JNS-13、JNS-20、JNS-23，均位于農業種植區且多數處于靠近地表水系的下游附近，進一步說明農業生產是影響K+和NO-3濃度的主要原因。

（3） 因子F3與F-和pH呈正相關，特征值1.875，解釋了總方差的13.393%，其主要反映了螢石等含氟礦物的溶解控制作用［21］。魯西南地區淺層地下水中的F-濃度主要與地質背景有關，第四系含水巖組中黃河、泗河沖洪積物的含氟礦物含量較高，為地下水提供了穩定的氟源，大氣降水等垂向入滲作用能夠淋濾溶濾礦物中的氟，進而影響淺層地下水中的F-濃度。

3.2.3 聚類分析

將研究區淺層地下水水樣進行R型聚類分析，形成樹狀圖（見圖4），當類距為15時可將各指標分為C1、C2、C3、C4四類，其中C1、C3、C4三類與因子分析中的3個主因子相對應，C2分類中僅有SO2-4一個組分，這種情況是個別樣品中的SO2-4濃度異常導致的，對應取樣點為JNS-16和JNS-18，均位于濟寧市高新區西南部，屬于工業廠區集中連片地區，大量工廠排水可能是導致地下水SO2-4濃度偏高的原因之一。另一方面可能與附近煤礦開采有關。為保障井下安全，礦井一般采取疏干排水手段減少突水事故發生，深層礦井水經處理后排入地表水系，雖然滿足排放標準，但經過地表水側向徑流補給后仍會對淺層地下水造成影響。

3.2.4 人類活動影響

地下水的水化學成分受自然過程、人類活動等多種因素影響。濟寧市是全國十大煤炭城市之一，煤炭開采與加工行業發達，其次造紙、石化等產業發展迅猛。同時，濟寧也是農牧業大市，全市糧食產量約占山東省總產量的9%，淡水水產品產量居全省第一。研究區位于濟寧市中部，人口密集，人類活動對淺層地下水化學類型的影響極大。

cSO2-4/cCa2+與cNO-3/cCa2+的比值關系可以揭示人類活動對地下水水化學組分的影響程度。當cSO2-4/cCa2+大于cNO-3/cCa2+時，說明工礦活動對地下水的影響較大，反之則說明農牧業活動和居民生活污水排放的影響較大。根據樣品測試數據繪制cSO2-4/cCa2+和cNO-3/cCa2+的關系圖如圖5所示。

由圖5可知，大部分樣品中cSO2-4/cCa2+比值大于cNO-3/cCa2+，說明研究區淺層地下水受工礦活動影響較大；根據比值大小和分布情況可以看出，研究區中部和西南部淺層地下水主要受工礦活動影響，比值范圍變化較大，說明其影響方式復雜，東南部和西北部等地區受農牧業和生活污水影響較大；JNS-9、JNS-10、JNS-15、JNS-16、JNS-17、JNS-21和 JNS-23均位于工業區與居民區的交界位置，其比值關系分布在對角線附近，說明兩種因素對淺層地下水影響程度相當。以上情況與研究區工農業分布特點基本吻合。

4 結 論

（1） 濟寧市都市區地下水陽離子濃度呈Ca2+gt;Na+gt; Mg2+gt; K+的關系，陰離子濃度呈HCO-3gt;SO2-4gt;Cl-gt;NO-3gt; F-，pH均值為7.53，整體呈弱堿性。總硬度平均值360.54 mg/L，地下水以硬水為主。

（2） 根據piper三線圖和Gibbs圖得出研究區地下水水化學類型較為復雜，隨地下水徑流方向由HCO3-Ca·Mg型和HCO3-Na·Ca型向HCO3·SO4-Ca、HCO3·Cl-Ca·Mg、HCO3-Na·Ca·Mg、HCO3·Cl-Na·Ca轉變，水化學組分主控因素為水巖作用控制。

（3） 利用因子分析提取出3個主因子，累計貢獻率72.966%，反映出研究區地下水水化學特征主要受水巖作用控制，Ca2+、HCO-3濃度與其密切相關，農業生產和含氟礦物溶濾作用也對地下水中的K+、NO-3和F-濃度造成影響；聚類分析將組分指標分為4類，其中C1、C3、C4三類與因子分析的3個主因子對應，C2分類與SO2-4濃度對應，主要與研究區工業和采礦業分布有關。cSO2-4/cCa2+與cNO-3/cCa2+的比值關系分析結果與因子分析和聚類分析基本一致，研究區中部和西南部淺層地下水主要受工礦活動影響，東南部和西北部等地區主要受農牧業和生活污水影響。

總的來說，濟寧市都市區淺層地下水水化學特征受人類活動影響較大，研究區煤礦開采區域與SO2-4濃度分布具有強相關性，然而，由于實際條件的局限性，本次研究只選取了28處具有區域代表性的地點進行采樣分析。不同的工礦業活動對地下水化學特征的影響不盡相同，需要更加精細化的監測和多樣化的研究方法。

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（編輯：劉 媛）

Hydrochemical characteristics and genetic analysis of shallow groundwater

in coal resource-based citiesZHENG Huiming ZHANG Feng SHI Qipeng TONG Lu MENG Jia1，2

（1.Shandong Provincial Lunan Geology and Exploration Institute（Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources No.2 Geological Brigade），Jining 272100，China； 2.Shandong Engineering Research Center of Geothermal Energy Exploration and Development，Jining 272100，China）

Abstract： Under the background of carbon peak and carbon neutrality，the hydrochemical characteristics and genesis of groundwater are crucial for the evolution and transformation of industrial structures in coal resource-based cities.Jining City，Shandong Province is a typical city integrating mining and urban spaces.This study analyzes the hydrochemical characteristics of shallow groundwater in the urban areas of Jining City and its formation mechanism and control factors.The results showed that the overall groundwater was alkaline hard water，and the hydrochemical types tended to transform from HCO3-Ca·Mg and HCO3-Na·Ca to HCO3·SO4-Ca，HCO3·Cl-Ca·Mg，HCO3- Na·Ca·Mg，HCO3·Cl-Na·Ca.The main controlling factor of hydrochemical composition in the study area was water-rock interaction，and its hydrochemical characteristics were mainly affected by carbonate karst filtration，agricultural production，and fluorine bearing mineral leaching.The impact of industrial and mining distribution on shallow groundwater in the study area was gradually increasing.This study can provide some reference for the reasonable development and utilization of local groundwater.

Key words： shallow groundwater；hydrochemical characteristics；influencing factors；multivariate analysis；coal resource-based city

收稿日期：2023-03-28；接受日期：2023-08-29

基金項目：2022年度山東省地質礦產勘查開發局科技攻關項目（KY202221）；山能集團2022年重點項目（SNKJ2022BJ02-R03）

作者簡介：鄭慧銘，男，工程師，碩士，主要從事地熱地質及水工環地質方面的研究。E-mail：857222549@qq.com

通信作者：孟 甲，男，工程師，主要從事地熱地質及水工環地質方面的研究。E-mail：mdajia@qq.com