摘 要：

以濟(jì)南西部沖積平原孔隙水和巖溶水為研究對(duì)象，采用 Gibbs 圖解法、飽和指數(shù)法、離子比值法、鈉吸附比值法、離子相關(guān)性分析法、因子分析法等研究方法對(duì)水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，旨在摸清濟(jì)南西部沖積平原巖溶水和孔隙水的水文地球化學(xué)過程。結(jié)果顯示: 濟(jì)南西部沖積平原孔隙水和巖溶水水文地球化學(xué)過程主要受水巖相互作用和人類活動(dòng)控制，既存在聯(lián)系，也存在差異?？紫端蛶r溶水水化學(xué)類型以 HCO3-Ca 為主，孔隙水離子空間分布離散性大于巖溶水。根據(jù) Gibbs 圖，孔隙水與巖溶水的水化學(xué)成分的形成主要受巖石風(fēng)化控制，孔隙水還受到一定的蒸發(fā)濃縮作用。飽和指數(shù)、離子比例系數(shù)圖和離子相關(guān)性分析顯示，Ca2+、Mg2+和 HCO3-大多來自于方解石和白云石的溶解，蒸發(fā)巖的溶解對(duì) Na+和 Cl-、Ca2+和 SO42-有貢獻(xiàn)，Cl-、SO42-、NO3-和 Ca2+存在人類活動(dòng)造成的外源輸入。因子分析顯示孔隙水水化學(xué)組分受到巖溶水補(bǔ)給和人類活動(dòng)的雙重影響; 巖溶水水化學(xué)組分主要受水巖相互作用控制，同時(shí)也受到一定的人類活動(dòng)影響。目前濟(jì)南西部孔隙水受人類活動(dòng)影響較大，而巖溶水水化學(xué)組分主要受水巖作用控制。濟(jì)南西部是濟(jì)南市重要的水源地，今后應(yīng)該重視對(duì)研究區(qū)地下水環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和保護(hù)。

關(guān)鍵詞：

沖積平原;地下水;水文地球化學(xué)特征;水巖作用;

作者簡(jiǎn)介：

賈超(1976—),男，教授，博士，從事工程可靠度風(fēng)險(xiǎn)分析及工程地質(zhì)、水文地質(zhì)方面的研究。

*劉森(1989—),男，助理研究員，博士，主要從事海洋地質(zhì)、海岸帶水文地質(zhì)海洋近岸沉積與環(huán)境效應(yīng)。

基金：

河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“一帶一路”水與可持續(xù)發(fā)展科技基金面上基金(201992011);

山東大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(人才引進(jìn)與培養(yǎng)類專項(xiàng))(62420079614087);

引用：

賈超，王叢，劉森，等． 濟(jì)南西部沖積平原地下水水文地球化學(xué)特征研究［J］. 水利水電技術(shù)( 中英文) ，2022，53( 3) : 49-60.

JIA Chao，WANG Cong，LIU Sen，et al． Study on hydrogeochemical characteristics of groundwater in the alluvial plain of western Jinan［J］ . Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2022，53( 3) : 49-60.

0 引 言

濟(jì)南地處我國(guó)北方碳酸鹽巖巖溶發(fā)育區(qū)，區(qū)內(nèi)巖溶水資源豐富，是我國(guó)北方典型的巖溶泉域。濟(jì)南泉域主要分布于市區(qū)中心地帶，形成趵突泉、黑虎泉、五龍?zhí)逗驼渲槿拇笕?。巖溶水賦存在可溶性巖層的溶蝕裂隙和溶洞中，主要用于生活供水，同時(shí)巖溶水還是濟(jì)南泉水重要的補(bǔ)給源；孔隙水賦存在黃河沖積平原松散沉積物孔隙中，主要用于工農(nóng)業(yè)供水。20世紀(jì)70年代以來，由于地下水的開采力度加大、降水量減少和地表水入滲補(bǔ)給的減少，“四大泉”出現(xiàn)經(jīng)常性斷流,而人類活動(dòng)的加劇，使地下水的水質(zhì)也發(fā)生了惡化，尤其是西郊水源地的水質(zhì)變差會(huì)直接導(dǎo)致缺水問題。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者針對(duì)濟(jì)南泉域開展了大量研究，研究過程主要包括水文地球化學(xué)演化過程、補(bǔ)給源的確定、水質(zhì)評(píng)價(jià)、水位動(dòng)態(tài)變化、數(shù)值模擬和滲流場(chǎng)。其中，王珺瑜等運(yùn)用水化學(xué)和多元統(tǒng)計(jì)方法分析地下水水化學(xué)特征，探討了補(bǔ)給徑流區(qū)的水質(zhì)影響因素及影響強(qiáng)度，結(jié)果表明研究區(qū)巖溶水水質(zhì)受水巖作用和人類活動(dòng)的雙重影響；管清花等通過分析濟(jì)南市巖溶水的水化學(xué)特征，探討了主要化學(xué)指標(biāo)的時(shí)空變化規(guī)律，結(jié)果表明沿從東南到西北的徑流方向，地下水水化學(xué)類型發(fā)生變化，硝酸根濃度增高，影響水質(zhì)的主要原因是農(nóng)業(yè)和工業(yè)活動(dòng)。這些研究對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)和管理濟(jì)南市地下水具有重要指導(dǎo)意義，但這些研究的研究區(qū)大多分布在濟(jì)南市中部和東部、研究對(duì)象多為巖溶水，對(duì)西部排泄區(qū)和孔隙水的研究較少。

濟(jì)南巖溶水在由山前地區(qū)補(bǔ)給下游過程中，一部分補(bǔ)給下游巖溶水，另一部分補(bǔ)給了孔隙水。通過研究地下水的水化學(xué)組成可以了解地下水的補(bǔ)給、徑流條件，分析地下水化學(xué)演變規(guī)律和形成機(jī)制，進(jìn)而為地下水資源的可持續(xù)開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。本次研究以濟(jì)南西部孔隙水和巖溶水為研究對(duì)象，采用離子相關(guān)性分析法、因子分析法、飽和指數(shù)法、離子比例系數(shù)法、Gibbs圖解法、鈉吸附比值法等研究方法對(duì)水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究孔隙水和巖溶水的水文地球化學(xué)過程，為該區(qū)地下水演化和合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

濟(jì)西地處中緯度地帶，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。其主要?dú)夂蛱卣魇牵杭撅L(fēng)明顯，四季分明；冬冷夏熱，雨量集中。多年平均氣溫14.3 ℃,多年平均降水量665.7 mm, 降水主要集中于7—9月。本研究的濟(jì)南西部第四系覆蓋區(qū)緊靠黃河和玉符河，地貌單元屬于玉符河沖洪積扇，地貌類型單一。研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造處于泰山背斜北翼的濟(jì)南單斜構(gòu)造單元，燕山運(yùn)動(dòng)期內(nèi)以斷裂變動(dòng)為主，斷層與裂隙方向多為NNW(北北西)、NNE(北北東)向，與單斜構(gòu)造的傾向一致，為地下水的運(yùn)動(dòng)與富集創(chuàng)造了條件。地下水運(yùn)動(dòng)條件嚴(yán)格受地質(zhì)、構(gòu)造、地形、地貌、氣象水文等諸因素的控制和影響，地下水流總體由東南向西北流動(dòng)。

研究區(qū)內(nèi)的主要含水層為第四系松散巖類孔隙水含水層(上)和巖溶裂隙水含水層(下)。濟(jì)南市南部低山丘陵區(qū)寒武系、奧陶系灰?guī)r廣泛出露，地表裂隙巖溶發(fā)育，為地下水接受大氣降水和地表水垂直滲漏補(bǔ)給創(chuàng)造了良好的條件；區(qū)內(nèi)裂隙巖溶水除各泉群及開采排泄外，亦通過頂托補(bǔ)給第四系孔隙水含水層排泄和沿著深部基巖風(fēng)化帶繼續(xù)向北徑流排泄(見圖1)。研究區(qū)內(nèi)第四系松散巖類孔隙水含水層厚度約50～140 m, 大氣降水、河流的側(cè)滲及山前裂隙巖溶水的頂托補(bǔ)給是其主要補(bǔ)給來源，排泄方式主要為人工開采和徑流排泄，枯水期垂直蒸發(fā)排泄也是其排泄形式之一。

圖1 濟(jì)南市南北向典型水文地質(zhì)剖面

2 數(shù)據(jù)與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本次工作在研究區(qū)針對(duì)性的采集了12個(gè)地下水樣品，其中包括8個(gè)孔隙水樣品和4個(gè)巖溶水樣品(見圖2),巖溶水取樣深度約為100 m, 取樣時(shí)間為2018年11月。分別對(duì)水樣的7種主要離子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO2?442-、HCO-3)濃度以及主要水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試(見表1),在表1中的YRS05樣品點(diǎn)引用于其他研究,因此進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)是針對(duì)8個(gè)孔隙水樣品點(diǎn)和5個(gè)巖溶水樣品點(diǎn)。采樣前將采水器用待取水樣蕩洗2—3次后再采集水樣，水樣必須注滿采樣瓶，上部不留空間和氣泡，并有水封口，采集完貼上標(biāo)簽，同時(shí)采集平行樣和全程序空白樣，貼上標(biāo)簽，裝入采樣箱中。陽離子Na+、K+、Ca2+和Mg2+濃度和陰離子Cl-、NO-3和SO2?442-采用美國(guó)賽默飛Dionex Aquion IC離子色譜儀進(jìn)行測(cè)定；HCO-3采用鹽酸滴定的方法進(jìn)行測(cè)定。

圖2 研究區(qū)地理位置及采樣點(diǎn)分布

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

本次研究使用AqQA軟件繪制Piper三線圖；利用水文地球化學(xué)模擬軟件PHREEQC3.1.1計(jì)算石膏、方解石、白云石和巖鹽四種礦物的飽和指數(shù)；利用SPSS25.0進(jìn)行離子相關(guān)性分析和因子分析；使用Origin2017進(jìn)行離子比例系數(shù)圖的繪制。

2.2.1 飽和指數(shù)計(jì)算分析

飽和指數(shù)(Saturation Index, SI)可用于判斷和研究礦物相對(duì)于地下水的飽和狀態(tài)。水溶液相對(duì)礦物的飽和指數(shù)計(jì)算公式為

式中，IAP表示礦物所含組分在水溶液中的離子活度積；K表示礦物溶解反應(yīng)時(shí)的平衡常數(shù)。當(dāng)SI<0時(shí)，表示礦物相對(duì)于水溶液不飽和；當(dāng)SI=0時(shí)，表示礦物與水溶液環(huán)境處在平衡狀態(tài)；當(dāng)SI>0時(shí)，表示礦物相對(duì)于水溶液環(huán)境是過飽和狀態(tài)。

2.2.2 Pearson相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是表征變量間線性相關(guān)程度強(qiáng)弱的一種常用統(tǒng)計(jì)方法。根據(jù)變量之間的不同情況，相關(guān)性分析根據(jù)變量間的不同情況分為線性相關(guān)分析、偏相關(guān)分析和距離相關(guān)分析。線性相關(guān)分析研究?jī)蓚€(gè)變量間的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)是描述這種線性關(guān)系程度和方向的統(tǒng)計(jì)量，SPSS軟件默認(rèn)的相關(guān)系數(shù)計(jì)算方法是Pearson相關(guān)系數(shù)計(jì)算法,計(jì)算公式為

式中，r為相關(guān)系數(shù)；xˉxˉ、yˉyˉ分別是變量x、y的均值；xi、yi分別是變量x、y的第i個(gè)觀測(cè)值。若r為正值即為正相關(guān)，若r為負(fù)值則為負(fù)相關(guān)。

2.2.3 因子分析

因子分析是把一些具有復(fù)雜關(guān)系的變量歸結(jié)為少數(shù)幾個(gè)無關(guān)的新綜合因子的一種多變量統(tǒng)計(jì)分析方法，其基本思想是根據(jù)相關(guān)性大小對(duì)變量進(jìn)行分組，使得同組內(nèi)的變量之間相關(guān)性較高，不同組的變量相關(guān)性較低。每組變量代表一個(gè)基本結(jié)構(gòu)，因子分析中將之稱為公共因子。

假設(shè)觀測(cè)系統(tǒng)有k個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，n個(gè)觀測(cè)單位，因子分析的數(shù)學(xué)模型就是把n個(gè)觀測(cè)單位分別表示為p<k個(gè)公共因子和一個(gè)獨(dú)特因子的線性加權(quán)和，即

式中，F(xiàn)1,F2,…Fp為公因子，它是各個(gè)指標(biāo)中共同出現(xiàn)的因子，因子之間通常是彼此獨(dú)立的，εi是各對(duì)應(yīng)變量Xi所特有的因子，稱為特殊因子，通常假定εi～N(0,σ2ii2),系數(shù)αij是第i個(gè)變量在第j個(gè)公共因子上的系數(shù)，稱為因子負(fù)荷量，它揭示了第i個(gè)變量在第j個(gè)公共因子上的相對(duì)重要性。

3 結(jié)果與討論

3.1 水化學(xué)特征

研究區(qū)地下水水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所列，孔隙水pH在7.36～7.64之間，巖溶水pH在7.61～8.19之間，整體呈弱堿性，巖溶水的堿性略強(qiáng)于孔隙水。根據(jù)淡水(TDS<1 g·L-1)、微咸水(TDS為1～3 g·L-1)和咸水(TDS>3 g·L-1)的分類,孔隙水(TDS為0.26～0.6 g·L-1)與巖溶水(TDS為0.14～0.33 g·L-1)均屬于淡水，孔隙水的TDS大多高于巖溶水?？紫端麟x子含量均值反映為Ca2+>Na+>Mg2+>K+,HCO-3>SO2?442->CI->NO-3;巖溶水表現(xiàn)為Ca2+>Mg2+>Na+>K+,HCO-3>SO2?442->CI->NO-3,孔隙水和巖溶水的主要陽離子均為Ca2+,主要陰離子均為HCO-3。在水化學(xué)組分特征上，孔隙水與巖溶水表現(xiàn)出一定的相似性。變異系數(shù)(cv)是標(biāo)準(zhǔn)差與相應(yīng)平均值的商值，其用來衡量數(shù)據(jù)的離散程度。從表2可以看出，孔隙水的NO-3變異系數(shù)為1.57(>1),表明期含量在空間上的變化程度很大，孔隙水的K*、Cl-、SO2?442-的變異系數(shù)分別為0.85、0.60、0.81(處于0.5～1之間),表明空間分布具有一定的離散性，其余離子空間上變化程度不大；巖溶水的SO2?442-和NO-3變異系數(shù)分別為0.65和0.94(處于0.5～1之間),表明巖溶水中這兩種離子在空間上的分布有一定的離散性，總體來看，孔隙水離子表現(xiàn)出的空間離散性比巖溶水強(qiáng)。研究區(qū)地下水Piper三相圖(見圖3)顯示研究區(qū)地下水水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca型。通過舒卡列夫分類法將研究區(qū)地下水的13個(gè)采樣點(diǎn)的水化學(xué)類型進(jìn)行分類(見表3),個(gè)別孔隙水樣品點(diǎn)(KXS04、KXS06和KXS08)水化學(xué)類型發(fā)生變化，即KXS04和KXS08樣品點(diǎn)SO2?442-和CI-的比重增大，KXS06樣品點(diǎn)Mg2+比重增大，人類活動(dòng)的加劇會(huì)對(duì)淺層地下水的演化過程和水文地球化學(xué)特征產(chǎn)生影響，孔隙水水化學(xué)類型的變化可能是受到了人類活動(dòng)的影響,YRS03和YRS05樣品點(diǎn)均反應(yīng)出Mg2+比重增大的特點(diǎn)，巖溶水經(jīng)歷不同的水文地球化學(xué)過程，水化學(xué)組分會(huì)產(chǎn)生一定差異,同時(shí)巖溶區(qū)地表和地下連通性較好，人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染物容易進(jìn)入地下水系統(tǒng),巖溶水樣品點(diǎn)水化學(xué)類型發(fā)生變化可能是由于碳酸鹽巖的溶蝕差異或受到人類活動(dòng)的影響。

圖3 孔隙水與巖溶水Piper圖

3.2 水巖相互作用

3.2.1 飽和指數(shù)

本次研究利用PHREEQC3.1.1對(duì)研究區(qū)地下水主要化學(xué)相的飽和指數(shù)(SI)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表4所列。礦物的飽和指數(shù)(Saturation Index, SI)可以指示各礦物與地下水之間的水化學(xué)演化過程,從而進(jìn)一步反映影響地下水水化學(xué)演化的控制因素。根據(jù)表4的計(jì)算結(jié)果可以看出，孔隙水的白云石和方解石的飽和指數(shù)均大于零，說明這兩種礦物在孔隙水中都已達(dá)到飽和狀態(tài)，部分巖溶水中的白云石和方解石還未達(dá)到飽和；而孔隙水和巖溶水中的巖鹽和石膏均處于不飽和狀態(tài)，未來還將繼續(xù)溶解?？紫端姆N礦物的飽和指數(shù)平均值均大于巖溶水，說明孔隙水的溶濾作用比較強(qiáng)烈。

3.2.2 地下水離子比例分析

Gibbs圖常用來推斷自然水的水文地球化學(xué)過程，該圖中的3個(gè)單元分別為蒸發(fā)—結(jié)晶、巖石風(fēng)化和大氣降水。大氣降水作用控制區(qū)具有較低的溶解性總固體濃度(<10 mg·L-1),較高的Na+/(Na++Ca2+)和Cl-/(Cl-+HCO-3)比值，一般在0.5～1,該區(qū)分布在Gibbs圖的右下角；巖石風(fēng)化作用區(qū)位于左中部，TDS值一般在70～300 mg·L-1之間，Na+/(Na++Ca2+)和Cl-/(Cl-+HCO-3)的比值一般均小于0.5;蒸發(fā)結(jié)晶控制區(qū)在圖的右上角，該區(qū)具有較高的TDS(>300 mg·L-1),Na+/(Na++Ca2+)和Cl-/(Cl-+HCO-3)的比值也較高(0.5～1)[39,40,41]。根據(jù)Gibbs圖(見圖4)的反映，孔隙水和巖溶水都主要受到巖石風(fēng)化的控制作用，但是部分孔隙水的TDS大于300 mg·L-1,受到了一定的蒸發(fā)濃縮作用。根據(jù)圖5(a),大部分樣品點(diǎn)均位于HCO-3∶(SO2?442-+Cl-)=1∶1線的上方，說明地下水水化學(xué)形成的主要作用是方解石和白云石礦物的溶解。

圖4 孔隙水與巖溶水Gibbs圖

圖5 孔隙水和巖溶水離子比值

Na+主要來源于硅酸鹽和蒸發(fā)巖的風(fēng)化溶解，Cl-在地下水中相對(duì)穩(wěn)定，主要來源于蒸發(fā)巖的風(fēng)化溶解，若地下水中的Na+和Cl-全部來源于含水層中巖鹽的風(fēng)化溶解，則γNa+/γCl-的比值應(yīng)該等于1。根據(jù)圖5(b),樣品點(diǎn)的分布整體比較分散，尤其是孔隙水，而巖溶水的樣品點(diǎn)都較靠近y=x,反映出巖鹽的風(fēng)化溶解對(duì)巖溶水Na+和Cl-的控制。部分孔隙水樣品點(diǎn)的分布較為分散，表明孔隙水中Na+和Cl-除巖鹽溶解的貢獻(xiàn)外均存在其他輸入。

為了進(jìn)一步探明碳酸巖的溶解情況，研究了Ca2+,Mg2+,HCO-3,SO2?442-之間相關(guān)性。一般來說，巖溶地區(qū)地下水中的Ca2+和Mg2+濃度主要受方解石和白云石的溶蝕影響,二者的主要溶蝕過程為CaCO3(Calcite)+H2CO3=Ca2++2HCO-3,CaMgCO32Dolicite+2H2CO3=Ca2++Mg2++4HCO-3

從上述反應(yīng)方程中可以看出，當(dāng)白云石和方解石溶蝕后，溶液中的Ca2+∶HCO-3和(Ca2++Mg2+)∶HCO-3當(dāng)量比應(yīng)為1∶1。根據(jù)圖6(a)和(b),多數(shù)樣品點(diǎn)都偏離Ca2+∶HCO-3=1∶1線和(Ca2++Mg2+∶HCO-3)=1∶1線，圖6(c)顯示，樣品點(diǎn)基本都落在(Ca2++Mg2+)∶(HCO-3+SO2?442-)=1∶1的當(dāng)量線附近，反映了不同來源的SO2?442-對(duì)孔隙水和巖溶水水化學(xué)成分的控制。

圖6 孔隙水和巖溶水Ca2+,Mg2+,HCO-3,SO2-4關(guān)系

為了區(qū)分碳酸巖和石膏溶解產(chǎn)生的Ca2+,進(jìn)而探索碳酸巖和石膏的溶解情況，分別計(jì)算只來自碳酸巖溶解產(chǎn)生的鈣離子量和只來自石膏溶解產(chǎn)生的鈣離子量，只來自碳酸巖溶解產(chǎn)生的鈣離子可以通過Ca2+-SO2?442-計(jì)算，只來自石膏溶解產(chǎn)生的鈣離子通過Ca2+-0.33HCO-3計(jì)算。如圖5(c)所示，1∶4和1∶2平衡線分別代表白云石和方解石的溶解平衡，大部分樣品點(diǎn)都位于1∶4和1∶2平衡線之間，部分孔隙水出現(xiàn)偏差，說明碳酸巖的溶解控制了大部分區(qū)域的地下水化學(xué)過程。圖5(d)可以看出Ca2+-0.33HCO-3和SO2?442-濃度都較低時(shí)，樣品點(diǎn)分布于1∶1線附近，隨著濃度的升高，逐漸有樣品點(diǎn)分布于1∶1線之上。圖6(c),圖5(c)和圖5(d)部分孔隙水樣品點(diǎn)都顯示有非水巖相互作用產(chǎn)生的Ca2+,說明了有其他水體或者污染物的混入，受到影響的主要是孔隙水。

3.2.3 鈉吸附比值

鈉吸附比值(Sodium Adsorption Ratio, SAR)的定義是Na+含量與Ca2+、Mg2-含量平均值的平方根的比值。可用來判斷地下水中Ca2+/Mg2+與Na+的交換作用，SAR值越大，固相表面對(duì)Na+的吸附趨勢(shì)越強(qiáng)，陽離子交換作用越強(qiáng)。巖溶水和孔隙水的SAR值統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所列?？紫端年栯x子交替吸附作用比巖溶水要強(qiáng)烈。這可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)位于沖洪積扇，孔隙水含水層內(nèi)部含有大量黏土礦物，地表水下滲過程中，就會(huì)用地下水中的鈣鎂離子置換黏土礦物中的鈉離子?？紫端腟AR值比巖溶水要大，所以孔隙水的陽離子交替吸附作用比巖溶水要明顯。但是整體來看，孔隙水和巖溶水的SAR值都不高，說明陽離子交替吸附作用雖存在但并不強(qiáng)烈，不是控制濟(jì)南西部地下水水化學(xué)組分的主要因素。

3.3 影響因素

相關(guān)性分析常用來研究水化學(xué)演化中的離子來源，同一來源的組分相關(guān)性較強(qiáng)，否則相關(guān)性較差,孔隙水和巖溶水的各水化學(xué)指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果如表6所列?？紫端甌DS與Ca2+、Mg2+之間表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，與CI-、SO2?442-之間表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)；巖溶水TDS與Ca2+之間表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)，與SO2?442-和NO-3表現(xiàn)出顯著正相關(guān)?？紫端蠯+與NO-3表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，這兩種離子可能具有相同的來源，孔隙水和巖溶水的CI-與SO2?442-分別表現(xiàn)出極顯著正相關(guān)和顯著正相關(guān)，研究區(qū)農(nóng)田和村莊廣泛分布，地下水樣品采集區(qū)人類活動(dòng)密集，Cl-和NO-3常被用于示蹤生活污水和農(nóng)業(yè)化肥等人類活動(dòng)對(duì)地下水的影響,而SO2?442-來自人類活動(dòng)輸入有機(jī)質(zhì)的分解作用?？紫端蠯+與NO-3之間的相關(guān)性反映孔隙水受到了農(nóng)業(yè)活動(dòng)輸入的復(fù)合肥(硝酸鉀)的影響，孔隙水和巖溶水CI-與SO2?442-的相關(guān)性表示孔隙水和巖溶水受到人類活動(dòng)輸入的影響。巖溶水的Na+與CI-表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，說明兩者有共同的來源，一般是來自蒸發(fā)巖溶解；巖溶水Ca2+與HCO-3之間顯著正相關(guān)反映碳酸鹽巖溶解的作用。孔隙水和巖溶水Ca2+與NO-3之間顯示顯著正相關(guān)，根據(jù)離子比值，孔隙水中存在非水巖相互作用產(chǎn)生的Ca2+,孔隙水Ca2+與NO-3的共同來源是其他水體或者污染物的混入，巖溶地下水常處于氧化環(huán)境，發(fā)生的硝化作用和碳酸巖溶解會(huì)使Ca2+與NO-3濃度升高，具體反應(yīng)式為NH+4+2O2+CaMg(CO3)2=NO-3+Ca2++Mg2++2HCO-3+H2O,NH+4+2O2+CaMg(CO3)2=NO-3+Ca2++Mg2++2HCO-3+H2O

根據(jù)研究對(duì)象的不同，因子分析可分為R型和Q型。在水文地球化學(xué)研究中，R型因子分析可以去除水化學(xué)指標(biāo)中重復(fù)的成分，提取出來的每一個(gè)主因子都指示一種水化學(xué)特征的成因，R型因子分析可以解釋水化學(xué)組分之間的復(fù)雜關(guān)系。本次研究利用SPSS軟件分別對(duì)研究區(qū)的孔隙水和巖溶水樣品的九個(gè)水化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行R型因子分析。

孔隙水的因子分析結(jié)果如表7所列，根據(jù)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率提取3個(gè)主因子，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)93.217%。第一主因子F1以SO2?442-、Cl-、TDS和Mg2+為主，其方差貢獻(xiàn)率為48.105%。隨著人類活動(dòng)的加劇，孔隙水作為上層地下水，其離子含量極易受到影響。其中，SO2?442-和Cl-除蒸發(fā)巖的溶解外，還有部分來源于人類活動(dòng)的輸入等，Mg2+主要來自于巖溶水的補(bǔ)給作用。因此，F(xiàn)1主要反映生活污水等對(duì)接受巖溶水補(bǔ)給后的孔隙水水化學(xué)成分的影響。第二主因子F2以NO-3、K+和Ca2+為主，其方差貢獻(xiàn)率為28.105%,NO-3和K+同時(shí)表現(xiàn)出較強(qiáng)相關(guān)性，其主要來源于農(nóng)業(yè)化肥，Ca2+主要來自于巖溶水的補(bǔ)給作用，所以F2主要反映農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)接受巖溶水補(bǔ)給后的孔隙水水化學(xué)成分的影響。第三主因子F3以HCO-3、Mg2+和Na+為主，方差貢獻(xiàn)率為16.657%,F3主要反映巖溶水的補(bǔ)給作用對(duì)孔隙水水化學(xué)組分的影響。

巖溶水方差貢獻(xiàn)率、累積方差貢獻(xiàn)率和旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣如表8所列，根據(jù)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率提取3個(gè)主因子，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)99.788%。第一主因子F1以HCO-3、Ca2+、TDS、NO-3和SO2?442-為主，其方差貢獻(xiàn)率為62.731%,HCO-3和Ca2+主要來源于方解石的溶解，SO2?442-除蒸發(fā)巖溶解產(chǎn)生外，與NO-3同樣存在外源輸入，因此，F(xiàn)1主要反映人類活動(dòng)影響下的灰?guī)r水巖相互作用。第二主因子F2以Cl-、Na+和SO2?442-主，其方差貢獻(xiàn)率為23.743%,根據(jù)離子比值和離子相關(guān)性，巖鹽的溶解控制巖溶水的水化學(xué)成分，F(xiàn)2主要反映受到人類活動(dòng)影響下的巖鹽水巖相互作用。第三主因子F3以Mg2+和K+為主，方差貢獻(xiàn)率為13.314%,Mg2+主要來源于白云石的溶解，負(fù)相關(guān)的K+因子荷載為-0.805,但K+的含量較低，因此F3主要反映白云石的溶解對(duì)水化學(xué)組分的影響。王珺瑜等針對(duì)濟(jì)南泉域采用因子分析的方法進(jìn)行了研究，其提取的4個(gè)主因子分別反映了灰?guī)r水巖作用的影響、工業(yè)和生活污染的影響、白云巖水巖作用的影響、農(nóng)牧業(yè)和生活污染的影響，說明在大區(qū)域范圍內(nèi)影響地下水水化學(xué)組分的因素相似，但是每個(gè)因素對(duì)水化學(xué)組分的影響程度不同。

4 結(jié) 論

(1)研究區(qū)孔隙水、巖溶水的TDS均<1 g/L,但屬于淡水；pH在7.09～8.23之間，整體呈弱堿性?？紫端腡DS較大，巖溶水的pH較高。孔隙水和巖溶水陽離子和陰離子主要為Ca2+和HCO-3。地下水化學(xué)類型以HCO3-Ca為主，符合巖溶區(qū)高鈣弱堿性特征。根據(jù)變異系數(shù)，孔隙水的NO-3、K+、Cl-、SO2?442-空間分布具有一定的離散性，其余離子總體變化不大；巖溶水的SO2?442-和NO-3濃度在空間分布上變化較大。孔隙水離子空間分布離散性整體大于巖溶水，這些離子對(duì)環(huán)境變化敏感，受到人類活動(dòng)的影響。

(2)根據(jù)Gibbs圖，孔隙水與巖溶水的水化學(xué)成分的形成主要受巖石風(fēng)化控制，孔隙水還受到一定的蒸發(fā)濃縮作用。飽和指數(shù)、離子比例系數(shù)圖和離子相關(guān)性分析顯示，主要離子Ca2+、Mg2+和HCO-3大多來自于方解石和白云石的溶解，蒸發(fā)巖的溶解對(duì)Na+和Cl-、Ca2+和SO2?442-有貢獻(xiàn)，Cl-、SO2?442-、NO-3和Ca2+存在人類活動(dòng)造成的外源輸入，目前濟(jì)南西部接受巖溶水補(bǔ)給的孔隙水受人類活動(dòng)影響較大。

(3)孔隙水的因子分析共提取3個(gè)主因子，第一主因子F1反映生活污水等對(duì)接受巖溶水補(bǔ)給后的孔隙水水化學(xué)成分的影響，其方差貢獻(xiàn)率為48.105%;第二主因子F2反映農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)接受巖溶水補(bǔ)給后的孔隙水水化學(xué)成分的影響，其方差貢獻(xiàn)率為28.105%;第三主因子F3反映巖溶水的補(bǔ)給作用對(duì)孔隙水水化學(xué)組分的影響，方差貢獻(xiàn)率為16.657%。巖溶水的因子分析共提取3個(gè)主因子，第一主因子F1反映人類活動(dòng)影響下的灰?guī)r水巖相互作用，其方差貢獻(xiàn)率為62.731%;第二主因子F2反映受到人類活動(dòng)影響下的巖鹽水巖相互作用，其方差貢獻(xiàn)率為23.743%;第三主因子F3反映白云石的溶解對(duì)水化學(xué)組分的影響，方差貢獻(xiàn)率為13.314%。

(4)孔隙水與巖溶水受到不同程度的溶濾作用、陽離子交替吸附作用和人類活動(dòng)影響。孔隙水的溶濾作用、陽離子交替吸附作用、以及受到人類活動(dòng)影響都比巖溶水更為明顯?？刂蒲芯繀^(qū)地下水水化學(xué)成分的主要因素是水巖相互作用和人類活動(dòng)影響。由于研究區(qū)孔隙水主要用于灌溉，巖溶水用于飲用，地表水和孔隙水之間、孔隙水和巖溶水之間在該研究區(qū)內(nèi)水力聯(lián)系復(fù)雜密切。

水利水電技術(shù)（中英文）

水利部《水利水電技術(shù)（中英文）》雜志是中國(guó)水利水電行業(yè)的綜合性技術(shù)期刊（月刊），為全國(guó)中文核心期刊，面向國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行。本刊以介紹我國(guó)水資源的開發(fā)、利用、治理、配置、節(jié)約和保護(hù)，以及水利水電工程的勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理和科學(xué)研究等方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)為主，同時(shí)也報(bào)道國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)。期刊主要欄目有:水文水資源、水工建筑、工程施工、工程基礎(chǔ)、水力學(xué)、機(jī)電技術(shù)、泥沙研究、水環(huán)境與水生態(tài)、運(yùn)行管理、試驗(yàn)研究、工程地質(zhì)、金屬結(jié)構(gòu)、水利經(jīng)濟(jì)、水利規(guī)劃、防汛抗旱、建設(shè)管理、新能源、城市水利、農(nóng)村水利、水土保持、水庫移民、水利現(xiàn)代化、國(guó)際水利等。