泰莱盆地地下水化学特征分类及成因分析

田明刚; 徐建; 赵耘; 郑梦琪; 徐秋林; Ming-gang TIAN; Jian XU; Yun ZHAO; Meng-qi ZHENG; Qiu-lin XU

节水灌溉 ›› 2021 ›› (8) : 78-82.

泰莱盆地地下水化学特征分类及成因分析

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Classification and Cause Analysis of Groundwater Chemical Characteristics in Tailai Basin

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摘要

泰莱盆地地下水类型丰富，水化学特征复杂，传统的水化学方法不适合大量数据的客观归类研究，复杂特征的地下水成因缺少全面认知。利用聚类分析对大量枯水期地下水数据分成ABC三大组，再细分成10小组，并结合含水层岩性分析水化学特征。利用Gibbs图分析得出三组地下水主要受岩石控制，同时也受不同程度的蒸发作用。利用离子比值端元图得出ABC三组分别以溶滤硅酸岩、硅酸盐及碳酸盐、硅酸盐及蒸发岩控制为主。最后通过质量平衡模拟10小组类型水中多种矿物质成分的溶解量，发现人类活动对地下水Cl^-含量影响较大。研究加深了研究区地下水复杂水化学特征分析及成因的认识。

Abstract

The Taylor Basin has rich types of groundwater and complex hydro-chemical characteristics. Traditional hydro-chemical methods are not suitable for the objective classification of large amounts of data. The formation of complex characteristics of groundwater lacks a comprehensive understanding. This paper used cluster analysis to divide a large amount of groundwater data during low-water periods into three major groups，ABC，and then subdivided into 10 groups， combined with the lithology of the aquifer to analyze the water chemical characteristics. Through using the Gibbs diagram analysis，it was concluded that the three groups of groundwater were mainly controlled by rocks，but also subjected to different degrees of evaporation. Through using the ion ratio end-member diagram，it was concluded that the three groups of ABC were mainly controlled by leaching silicate，silicate and carbonate，silicate and evaporite. Finally，the mass balance was used to simulate the dissolution of various mineral components in 10 groups of water，and it was found that human activities had a greater impact on the Cl^- content of groundwater. This study deepens the understanding of the complex hydro-chemical characteristics and causes of groundwater in the study area.

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田明刚 , 徐建 , 赵耘 , 郑梦琪 , 徐秋林. 泰莱盆地地下水化学特征分类及成因分析[J].节水灌溉, 2021(8): 78-82

Ming-gang TIAN , Jian XU , Yun ZHAO , Meng-qi ZHENG , Qiu-lin XU. Classification and Cause Analysis of Groundwater Chemical Characteristics in Tailai Basin[J].Water Saving Irrigation, 2021(8): 78-82

地下水化学特征空间分布规律蕴含了地下水在循环过程中的赋存环境、径流途径，能量质量交换等重要信息。地下水在演变过程中受到蒸发、降雨、水岩相互作用、人为因素等影响，其组分在不断的发生变化。分析水化学特征，揭示控制因素，可为地下水资源保护和可持续开发提供科学依据^[1-4]。

泰莱盆地位于鲁中地区，区域内工农业发达，矿产资源丰富，但水资源相对短缺，成为制约当地经济发展的重要因素。随着环保力度不断加大，合理利用水资源对地区可持续发展具有重要意义。盆地四周多火成岩山地，地下水以基岩裂隙水为主，盆地中部深层岩溶发育，地下水以岩溶水和裂隙岩溶水为主，近地表为第四系孔隙水^[5]。相比地表水，盆地内地下水可利用性更高。2017年，李贵恒等利用丰水期水化学数据，结合数理统计、piper三线图等方法，对泰莱盆地地下水进行了特征分类和水质评价，指出该地区地下水具有很高的利用价值^[6]。冯建国等针对该地区孔隙水进行了细化研究，分析得出水化学组分主要受水-岩作用控制，以硅酸盐岩溶解为主，并伴随碳酸盐溶解。在南、北部基岩区还受裂隙水和岩溶水补给影响^[7]。该地区农业发达，地下水除受岩性控制以外还受种植施肥、喷洒农药等人为因素的控制^[8]，为减少控制因素，此研究在枯水期取样测试，研究盆地各类地下水水化学特征及其控制因素。

1 研究区概况

1.1 自然概况

研究区位于山东省中南部，包括泰安市、莱芜市、新泰市及下属区县，面积8 173 km²，属温带季风大陆性气候，平均气温在11~13 ℃之间。多年平均降水量为765.3 mm，多年平均蒸发量为1 664.2~1 927.0 mm。研究区北依泰山，南至蒙山，主要地貌为山地、丘陵、盆地、平原。地势四周高，中间低，成盆地状，盆地整体向东南方倾斜。区域内多水系，主要为汇河、康王河、大汶河及附属支流等，最后由东南注入东平湖^[9]，如图1所示。

图1 交通位置及取样分布图

Fig.1 Traffic location and sampling distribution

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1.2 水文地质条件

研究区内地下水类型主要为第四系孔隙水、碳酸岩类岩溶裂隙水、碳酸岩类岩溶水、岩浆岩与变质岩类裂隙水。研究区四周被高山丘陵环绕，尤其在北、东、南部地区，有大范围泰山群火成岩和变质岩出露，风化程度弱，裂隙发育一般，富水性差，地下水类型为岩浆岩与变质岩类裂隙水。地下水来源主要是大气降雨，排泄方式主要是蒸发和向岩溶水、孔隙水径流。受地势影响，地下水由高向低径流，但岩层渗透性差，运移能力弱。在研究区的西部和中间深部为寒武—奥陶系地层，岩性以灰岩为主，其中掺杂白云岩、页岩、砂岩等。该区域岩溶发育，富水性强，地下水类型为碳酸盐岩类岩溶水和岩溶裂隙水。地下水补给主要来自降雨入渗、河流渗漏、孔隙水入渗，排泄方式主要是蒸发、向西南径流、越流补给孔隙水和人工开采。该区域发育的岩溶和断层对局部地下水流场有一定影响，但整仍受地形控制，由高往低径流。研究区中部浅层是坡积、残坡积、洪坡积形成的第四系沉积物，其成分主要是片麻岩、角闪岩、灰岩碎屑与泥沙形成的混合物，地下水类型是第四系孔隙水。在河谷两侧，含水层厚度50 m左右，富水性强，水位埋深在1~7 m，年变幅为1~3 m。随着距河流越远，水位埋深也逐渐增大。孔隙水主要受大气降雨、河流渗漏、岩溶越流补给。地下水流运移主要受地形控制，整体呈现由地势高向地势低洼的河谷地区径流，最后排泄到大汶河和其支流的下游^[5]。

2 样品采集与测试

为揭示泰莱盆地地下水类型及成因，避开了受降雨影响较大的雨季，选取《山东省地下水水资源地调查与评价——泰莱盆地》项目中枯水期有效数据。如图1所示，取样点均匀分布于泰莱盆地，其中地下水点95个（G01-G95），河水点5个（H1-H5）。井水在采样前，需先抽水数分钟，得到含水层中最新的地下水。在取样过程中，样品瓶先用去离子水清洗三次，再用样品原液润洗3次，保证所取水样能代表含水层中水体的真实水化学特征。对本次所取水样进行测试项目包括地下水常规离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-、Cl^-、SO₄ ^2-）和pH值、温度、电导率，其中pH值、温度、电导率、HCO₃ ^-和CO₃ ^2-为野外现场测试；Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺测试方法为电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP AES-6000)；Cl^-、SO₄ ^2-测试方法为离子色谱法(ICS-900)。

3 聚类分析

研究区地质条件复杂，地下水类型行丰富，传统的分组方法会受主观干扰，此次研究利用Q型聚类分析法研究泰莱盆地地区地下水水化学参数^[10-13]。首先，在聚类分析之前需要对样本数据（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-、Cl^-、SO₄ ^2-、pH值）进行“对称性”检验，经过检验发现样本除pH值以外均有较大偏度。为满足数据接近对称性分布，利用零均值法对样本数据进行了数学变换^{[4, 15]}。最后对100个样本的9个数据参数进行聚类分析，得到分析结果如图2所示。为了直观地对样品进行分组，方便不同组之间的分析，此次研究将现象线设定为9和21，当现象线为9时，取样点被分为ABC三大组，当现象线为21时，取样点被分为10小组（A1、AR、A3、B1、B2、B3、B4、C1、C2、C3）。ABC三组的位置分布和盆地岩性分布如图3所示，A组除河水AR外，其余分布在泰山群火成岩地区，该地区地下水以基岩裂隙水为主；B组主要分布在碳酸盐出露及下伏地区，地下水类型以碳酸盐岩溶水为主；C组分布于第四系较厚的河谷地区，地下水类型以第四系孔隙水为主。由此可知聚类具有一定的分组效果，可用于进一步分析研究。

图2 聚类结果树状图及化学成分Stiff图

Fig.2 Clustering result dendrogram and chemical composition Stiff diagram

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图3 地质岩性及分组位置图

注：1-第四系；2-新进系；3-古近系；4-白垩系；5-二叠系；6-石炭系；7-奥陶系；8-寒武系；9-泰山岩群；10-研究区边界；11 -A1A2；12 -AR；13- B组；14 -C组。

Fig.3 Geological lithology and component distribution map of grouping location

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4 结果与讨论

4.1 水化学类型

Stiff图是一种可以将地下水中主要离子组分的含量进行直观表示的水化学成分图示法^[16]。对每组离子平均值绘制stiff图，用于区分不同组分之间的水化学类型，如图2(b)所示。在A组中A1和A2组分相似，相同的是阳离子运移Ca²⁺为主要组分，不同的是A1阴离子以HCO₃ ^-为主，A2以SO₄ ^2-为主。与之相比AR各离子含量明显高于A1、A2，阳离子以Na⁺+K⁺为主，阴离子以SO₄ ^2-和Cl^-为主。地下水演化过程中，地下水由中主要阴离子HCO₃ ^-转变为SO₄ ^2-和Cl^-[17]，表明SO₄—Ca类型的A2的演化过程晚于HCO₃—Ca类型的A1。SO₄·Cl—Na类型AR为河水，蒸发作用和溶滤作用远远大于A1和A2。结合图3，A1、A2全部位于裂隙水分布区域，溶滤作用和蒸发作用较弱。B组中B1、B3、B4组分十分相似，阳离子和阴离子均以Ca²⁺、HCO₃ ^-为主，为HCO₃—Ca类型水，只是矿化度略有不同。与之相比B2略有差异，阴离子以HCO₃ ^-和SO₄ ^2-为主，为HCO₃·SO₄—Ca类型水。B组内部差异不明显。结合图3，B组通常位于岩溶水或下伏岩溶水分布区，水化学类型主要受溶滤作用控制，受蒸发影响较弱。C组中C1、C2、C3间组分差异大，其主要体现在阴离子含量上，C1、C2、C3的阴离子主要成分分别为：Cl^-和SO₄ ^2-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-，阳离子主要成分均为Ca²⁺，其水化学类型分别为Cl·SO₄—Ca，HCO₃·SO₄—Ca，HCO₃—Ca。由图3可知C组主要分布在第四系较厚地区，地下水来源复杂，受蒸发作用和溶滤作用强烈，导致了复杂的水化学类型。

4.2 控制因素分析

研究区内的地下水主要来自于大气降水，但在长期演化过程中受多重水化学作用的影响。Gibbs图可以有效反映出蒸发控制、岩石控制、降雨控制的作用程度^[18]。如图4所示，A1、A2位于岩石控制区间内，水化学成分主要受溶滤作用控制，AR介于岩石控制和蒸发控制之间，这主要是由于河水蒸发更加强烈所致；如图5所示，B组均位于岩石控制区域，B1~B4之间区分并明显，这由于B组主要以岩溶水和裂隙岩溶水为主，埋深大，受蒸发和降雨作用弱；相比B组，C组具有偏向蒸发控制的趋势（图6），这是由于C组以第四系潜水为主，相比深层岩溶水，受蒸发作用影响更为强烈。通过C2位置可以得出，C2具有远高于C1和C3的矿化度，但并不是由蒸发造成的，而是由蒸发或溶滤沉积岩共同导致。本次研究未了避免降雨干扰，选取了研究区枯水期水样，所以三组样品受降雨控制均较弱。

图4 A区水化学Gibbs图

Fig.4 Gibbs diagram of water chemistry in area A

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图5 B区水化学Gibbs图

Fig.5 Gibbs diagram of water chemistry in area B

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图6 C区水化学Gibbs图

Fig.6 Gibbs diagram of water chemistry in area C

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通过Gibbs图可知，枯水期研究区地下水主要受岩石控制，进一步分析控制岩石的类型可利用Ca²⁺/Na⁺、Mg²⁺/Na⁺与HCO₃ ^-/Na⁺离子比值端元图^[19]。由图7(a)、图7(b)可知，A1A2主要受硅酸盐控制，AR受蒸发岩控制，A1A2主要位于泰山群火成岩地区，硅酸盐成分占主导，AR为河水，蒸发作用强烈，受蒸发岩控制；由图7(c)、图7(d)可知，相比A组，B组地下水受碳酸盐控制更多，B1~B3受碳酸盐岩控制更加明显，这是由于B组地下水位于碳酸岩岩溶发育区；以第四系潜水为主的C组，并未表现出强烈的蒸发岩控制，而是更倾向于硅酸盐控制。

图7 离子比值端元图

Fig.7 Endmember diagram of ion ratio

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4.3 基于质量平衡模拟研究水岩相互作用

研究区内地下水来源是大气降水，其水化学类型主要受岩石控制，该地区主要发生溶解作用的矿物有方解石、白云石、芒硝、岩盐和石膏。为进一步确定矿物成分对地下水成因的影响，此次研究选取研究区雨水作为端源，在经过矿物溶解作用后形成现有地下水化学组分，在此基础上建立质量平衡模型^{[20, 21]}，定量分析水化学成因，如表1所示。陈晨等在研究中发现研究区农业发达，化肥和农药用量较高，城镇化建设，水泥路铺设都会导致地下水中Cl^-含量明显提高^[6]。结合此次研究，尤其是在B、C组分布区域，增设Cl^-其他来源。同时自然条件下，石膏和芒硝具有共生和相同形成条件，我们默认A、B、C组地区石膏和芒硝的比值相同，比值由A组计算结果近似得出。

表1 A、B、C三组质量平衡计算 (mmol/L)

Tab.1 Mass balance calculation of A， B， C three groups

组分	A组		B组				C组			降水
组分	A1	A2	B1	B2	B3	B4	C1	C2	C3	降水
Na⁺	1.05	1.45	1.42	0.89	0.65	1.37	4.00	4.02	2.51	0.04
Ca²⁺	1.65	1.88	3.40	3.69	2.98	2.74	4.41	7.48	5.24	0.06
Mg²⁺	0.56	0.61	1.12	1.44	0.75	0.94	1.47	2.07	1.38	0.02
Cl^-	0.84	1.09	1.29	1.34	0.85	1.63	4.96	5.62	4.01	0.03
SO₄ ^2-	0.82	1.23	1.21	2.03	0.98	1.01	2.52	5.33	1.94	0.06
HCO₃ ^-	2.31	2.06	5.55	4.32	4.27	4.03	4.17	5.11	5.47	0.16
反应性矿物	化学计量数
反应性矿物	Na⁺		Ca²⁺	Mg²⁺		Cl^-	SO₄ ^2-			HCO₃ ^-
方解石			1							1
白云石			1	1						2
CO₂										1
岩盐	1					1
石膏			1				1
芒硝	2						1
污染Cl						1
质量平衡方程
A	y _Na=2 x _芒硝+x _岩盐			y _Ca=x _方解石+x _白云石+x _石膏			y _Mg=x _白云岩
A	y _Cl=x _岩盐			y _SO $_{4}$ =x _石膏+x _芒硝			y _HCO $_{3}$ =x _方解石+2 x _白云石+x _CO $_{2}$
B、C	y _Na=2 x _芒硝+x _岩盐			y _Ca=x _方解石+x _白云石+x _石膏			y _Mg=x _白云岩
	y _Cl=x _其他Cl+x _岩盐			y _SO $_{4}$ =x _芒硝+x _芒硝			y _HCO $_{3}$ =x _方解石+2 x _白云石+x _CO $_{2}$
	x _石膏/x _芒硝=6

经计算A、B、C组的平衡质量模型，得到由雨水演变成现有地下水的过程中，各物质的溶解量见表2。根据计算结果，A组矿物溶解矿物较B、C组少，A1和A2相比，在形成过程中A1溶解了更多的方解石，吸收了更多的CO₂，但是A2却溶解了更多的岩盐、石膏和芒硝，其溶解量将近A1的一倍。由于A组所处的位置均为泰山群组火成岩地区，不应存在自生沉积岩，固推测岩盐、石膏、芒硝等矿物来自所在区域的风积物，而A2溶解的岩盐、石膏、芒硝更多，是因为A2所在的区域海拔较低，靠近河谷，风积物较多。B组相比A组白云石、方解石的溶解量和CO₂的吸收量明显增高，与离子端元分析结果一直，其主要原因是B组位于碳酸盐岩溶区，碳酸岩溶解量较大，白云石最大达到1.42 mmol/L。B1~B4之间各部分溶解的量各有不同，其中B2石膏、芒硝和其他来源Cl^-溶解量偏高。C组受蒸发作用影响大，但其水化学成分仍来自于矿物溶解。相比B组，C组岩盐、石膏、芒硝以及其他来源Cl^-溶解量明显增高，C2的白云石、岩盐、石膏、芒硝、其他来源Cl^-的溶解量均为最大值，但CO₂的吸收量是零，这表第四系潜水对方解石的溶解减弱，对易溶盐溶解量较高。C组水具有老水的特征，在枯水期第四系潜水更多来自下伏含水层的越流补给。

表2 矿物质溶解计算结果 (mmol/L)

Tab.2 Calculation results of mineral dissolution

编号	方解石	白云石	CO₂	盐岩	石膏	芒硝	其他Cl
A1	0.40	0.54	0.68	0.81	0.66	0.10
A2	0.24	0.59	0.49	1.05	1.00	0.18
B1	1.26	1.10	1.93	1.05	0.99	0.17	0.21
B2	0.52	1.42	0.80	0.29	1.69	0.28	1.02
B3	1.40	0.73	1.25	0.35	0.80	0.13	0.46
B4	0.95	0.92	1.07	1.06	0.82	0.14	0.54
C1	0.80	1.45	0.33	3.26	2.11	0.35	1.66
C2	0.86	2.05	0	2.47	4.52	0.75	3.11
C3	2.20	1.36	0.39	1.93	1.62	0.27	2.04

5 结论

（1）利用聚类分析对泰莱盆地枯水期地下水化学成分进行分类，可排除主观干扰得到A、B、C三组，其分别对应泰山群火成岩裂隙水、碳酸盐岩溶水、第四系潜水。在此基础可细分成10小组，便于样品数量多、地下水类型复杂地区水化学特征分类及成因分析研究。

（2）通过Gibbs图分析枯水期ABC三组地下水主要受岩性控制，其中C组和地表水AR也受蒸发作用影响。通过离子比值端元图分析得出A组主要受硅酸盐控制，其中地表水受蒸发岩影响；B组受硅酸盐和碳酸盐控制；C组主要受硅酸盐控制。

（3）通过质量平衡模拟计算出10小组的不同矿物溶解量。该地区地下水溶滤过程中，除方解石、白云石矿物外，蒸发岩类溶解量占有一定比例。离子比值端元图中未显示出蒸发岩具有明显的控制作用，是因为蒸发岩溶解过程中石膏和芒硝占据相当大的比例，岩盐并不占据对优势。除此之外，研究区内人类活动导致地下水Cl^-增加明显。

参考文献

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收稿日期	出版日期
2021-02-02	2021-08-10
发布日期
2021-08-10

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