張海林， 王 重， 逄 偉， 滕 躍， 齊 歡

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八○一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，濟(jì)南 250014)

0 引言

1 研究區(qū)概況

濟(jì)南趵突泉泉域位于濟(jì)南市中南部，東起東塢斷裂，西至馬山斷裂，北至奧陶系頂板埋深400 m一線，南至地表分水嶺，面積約為1 700 km2，地勢南高北低，是一個(gè)以古生代地層為主的緩向北斜的大型單斜構(gòu)造。大地構(gòu)造屬于魯西隆起區(qū)的二級構(gòu)造單元[6]。區(qū)內(nèi)主要斷裂有NNW向的千佛山斷裂、馬山斷裂和東塢斷裂，NNE走向的港溝斷裂,這些斷裂對研究區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)具有一定的控制作用(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)略圖及采樣點(diǎn)分布Fig.1 Geological sketch and sampling sites in the study area

趵突泉泉域是北方典型的巖溶區(qū)，含水巖層主要是寒武紀(jì)和奧陶紀(jì)灰?guī)r。低山丘陵區(qū)，灰?guī)r直接裸露地表，富水性稍差，單井涌水量一般小于500 m3/d； 單斜構(gòu)造前緣及山前平原，灰?guī)r多被第四系覆蓋，是巖溶水的排泄、富集帶，單井涌水量在1 000～5 000 m3/d，局部地區(qū)大于10 000 m3/d。補(bǔ)給來源主要是大氣降水入滲補(bǔ)給，補(bǔ)給區(qū)為南部山區(qū)，其他補(bǔ)給源是地表水滲漏補(bǔ)給及第四系孔隙水下滲補(bǔ)給。巖溶水的運(yùn)動(dòng)方向與地層傾向基本一致，基本由南向北運(yùn)動(dòng)，巖溶水徑流到北部山前遇到隱伏的火成巖巖體受阻，形成泉水。巖溶水通過泉水、潛流和向河道排泄3種方式排泄。

根據(jù)巖溶水的補(bǔ)給、徑流和排泄特征，將泉域分為間接補(bǔ)給區(qū)、直接補(bǔ)給區(qū)和匯集排泄區(qū)?！叭鞭D(zhuǎn)化的基本特征是： 大氣降水在直接補(bǔ)給區(qū)轉(zhuǎn)化為地下水，在間接補(bǔ)給區(qū)轉(zhuǎn)化為地表水，地表水進(jìn)入直接補(bǔ)給區(qū)，大量滲漏轉(zhuǎn)化為巖溶地下水，地下水向北運(yùn)動(dòng)受阻，形成泉水流出地表，轉(zhuǎn)化為地表水或補(bǔ)給第四系孔隙水。

據(jù)調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)南部山區(qū)工業(yè)企業(yè)污染源較少，主要潛在污染源為農(nóng)業(yè)活動(dòng)和面源生活污染； 山前平原地帶主要潛在的工業(yè)污染源包括石化、冶金、發(fā)電、熱源、制藥以及化工廠等，主要潛在的生活污染源——簡易垃圾堆放點(diǎn)主要集中在山前地帶，這一帶第四系厚度一般較薄，局部地段有灰?guī)r裸露，這極易造成污染物進(jìn)入巖溶水含水層，引起巖溶水污染。

2 樣品采集與測試

根據(jù)野外調(diào)查及資料的分析，在2016年5月底至6月初，采集了4組有代表性污染源的污水及1組大氣降水的S、O同位素，作為確定巖溶水硫酸鹽污染來源的同位素的對比值； 同時(shí)，在A區(qū)與B區(qū)內(nèi)共采集13組巖溶水樣品(圖1，表1)。

表1 2016年枯水期硫酸鹽硫氧同位素測試結(jié)果Tab.1 Test results of sulfur and oxygen isotopes in sulphate during 2016 dry season

樣品沿地下水流向布設(shè)，跨間接補(bǔ)給區(qū)、直接補(bǔ)給區(qū)和匯集排泄區(qū)3個(gè)區(qū)，取樣層位為寒武系、奧陶系灰?guī)r含水層。其中，B區(qū)分布有玉符河、興濟(jì)河等較大的河流、溝谷及山前地帶的第四系，分布面積比A區(qū)廣，耕地分布面積大。

3 硫酸鹽污染分布特征及污染機(jī)理

根據(jù)本次水樣分析測試結(jié)果，可分析得出區(qū)內(nèi)硫酸鹽濃度分布特征(圖2)。

圖2 研究區(qū)硫酸鹽濃度分布圖Fig.2 Sulphate concentration distribution in the study area

硫酸鹽濃度大于150 mg/L的區(qū)域分布較少，主要分布于玉符河沿岸、西市區(qū)西南大澗溝下游沿岸地帶； 硫酸鹽濃度100～150 mg/L的區(qū)域主要分布在市區(qū)周邊及仲宮一帶； 硫酸鹽濃度小于100 mg/L主要分布在研究區(qū)西部及南部大部分區(qū)域。

據(jù)調(diào)查，區(qū)內(nèi)垃圾堆放場相當(dāng)部分垃圾直接堆放在基巖裸露地帶，有的即使有第四系覆蓋，但由于位于山前，第四系厚度較小，顆粒粗，滲透性也較強(qiáng)，這極有利于垃圾滲濾液滲入巖溶水含水層。

區(qū)內(nèi)具有集中供水意義的含水巖組主要為寒武系炒米店組—奧陶系灰?guī)r含水層，其巖性為厚層純灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖和泥質(zhì)灰?guī)r，巖溶裂隙發(fā)育，且彼此連通，導(dǎo)水性強(qiáng)，有利于污染物下滲遷移； 另外，玉符河上游為滲漏段，這為大氣降水入滲提供有利條件，也為污染物進(jìn)入含水層提供通道(圖3)。

圖3 污染物運(yùn)移剖面示意圖Fig.3 Pollutants transport section

4 研究進(jìn)展

4.1 不同來源的34S和18O典型特征值

硫酸鹽在地球化學(xué)循環(huán)過程中，除了微生物的還原作用外，S同位素分餾效應(yīng)很小。雖然在一個(gè)具體的研究區(qū)內(nèi)，地下水中δ34S和δ18O值具有特定的變化范圍。

4.2 測試結(jié)果與分析

根據(jù)水樣的測試結(jié)果(表1)，從本次巖溶水的S、O測試數(shù)據(jù)來看，研究區(qū)巖溶水δ34S一般都為正值，集中在+1.1‰～+7.5‰之間，平均為4.55‰；δ18O值在+12.3‰～+17.4‰之間，平均值為14.99‰?？傮w來看，δ34S沿地下水流動(dòng)方向上呈增大趨勢。

將所測的數(shù)據(jù)投影于S、O同位素關(guān)系圖上(圖4)，13個(gè)點(diǎn)均落在大氣沉降區(qū)域，部分點(diǎn)與污水、土壤區(qū)域重疊，結(jié)合污染源調(diào)查情況，研究區(qū)硫酸鹽主要污染來源有大氣沉降、污水和土壤。

圖4 研究區(qū)內(nèi)的δ34S與δ18O值的分布特征Fig.4 Distribution characteristics of δ34S and δ18O of in the study area

4.2.2 IsoSource模型估算硫酸鹽來源貢獻(xiàn)率

4.2.2.1 IsoSource模型

IsoSource模型以質(zhì)量守恒定律為基礎(chǔ)，用于估算各種硫酸鹽來源對地下水硫酸鹽污染的貢獻(xiàn)率。該方法將地下水中硫酸鹽來源(假定為3種)中的S、O同位素?cái)?shù)值輸入，構(gòu)建質(zhì)量守恒模型

δ34S=f1×δ34S1+f2×δ34S2+f3×δ34S3，

(1)

δ18O=f1×δ18O1+f2×δ18O2+f3×δ18O3，

(2)

f1+f2+f3=1 ，

(3)

式中：f1、f2、f3代表不同硫酸鹽來源所占的比例，%；δS1、δS2、δS3代表不同來源S同位素值，‰；δO1、δO2、δO3代表不同來源O同位素值，‰；δ34S與δ18O代表某點(diǎn)水樣測試的S、O同位素值。

設(shè)置模型的容差參數(shù)和增量參數(shù)，利用迭代方法計(jì)算出不同來源硫酸鹽所占百分比的概率分布圖。不同來源的S、O同位素與水樣中S、O同位素相差小于0.1%時(shí)，才認(rèn)為是可能的解。

4.2.2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

利用IsoSource軟件計(jì)算研究區(qū)取樣點(diǎn)的硫酸鹽貢獻(xiàn)率(表2)，從表中可以看出，A區(qū)與B區(qū)的硫酸鹽污染來源比例有明顯的差異。

(1)A區(qū)硫酸鹽的來源以大氣沉降為主，大多數(shù)樣品大氣沉降來源比例在50%以上，均值為57.29%； 污水和土壤來源的比例相對較低，污水來源比例均值為27.71%，多數(shù)樣品土壤來源比例較小，均值為15%，這與A區(qū)的實(shí)際情況密切相關(guān)。其中JS01、JS02取樣點(diǎn)位于東南部山區(qū)灰?guī)r裸露區(qū)，該區(qū)地勢較高，污染源較少，因而污水來源比例較??； JS26取樣點(diǎn)位于山前灰?guī)r隱伏區(qū)，上游有垃圾堆放污染源，降雨帶來的垃圾濾液(污水源)對該地段影響較大。

表2 研究區(qū)硫酸鹽污染來源比例計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of sulphate pollution source rate in the study area

(2)B區(qū)硫酸鹽的主要來源仍是大氣沉降，但污水來源的比例增大。沿地下水流向，JS20取樣點(diǎn)以南，樣品多分布在裸露巖溶區(qū)，該區(qū)大氣沉降比例較高，均值為60.25%，污水比例均值在22.25%； JS20取樣點(diǎn)以北，樣品多分布在灰?guī)r隱伏區(qū)，該區(qū)大氣沉降比例降低，均值為39.33%，而污水比例升高，均值在47%； 來自土壤源的比例波動(dòng)相對較小。導(dǎo)致污水來源比例增大的主要原因?yàn)镴S31、JS21 、JS22位于山前平原地段，居民區(qū)較多，生活污水排放量較大，另外該地段還處于泉域滲漏帶的下游，因而污水來源比例較高。

不同來源的硫酸鹽中δ34S與δ18O值是一個(gè)比較大的范圍，本次研究只確定了3種主要的污染源，而實(shí)際天然條件下情況往往很復(fù)雜，可能還存在一些未知來源。

5 結(jié)論

(1)本次δ34S、δ18O同位素巖溶水水樣沿地下水水流方向選取，根據(jù)δ34S、δ18O值的分布特征確定研究區(qū)內(nèi)硫酸鹽主要污染來源為大氣沉降、污水和土壤，其中大氣沉降來源所占比例最大。

(2)采用IsoSource模型估算硫酸鹽來源貢獻(xiàn)率，結(jié)果顯示A區(qū)與B區(qū)的硫酸鹽污染來源比例有明顯的差異，A區(qū)和B區(qū)硫酸鹽污染來源均以大氣沉降為主，但B區(qū)污水所占比例有所增大。

(3)本次測試大氣降水中硫酸鹽的δ34S值為+3.2‰，與中國北方煤總硫的δ34S的平均值+3.68‰結(jié)果較為一致，說明大氣降水中的S的來源主要是燃煤引起的。

(4)S、O雙同位素分析是識別硫酸鹽污染來源的重要手段，本文中多參考已有文獻(xiàn)中污染源的δ34S與δ18O特征值來計(jì)算研究區(qū)硫酸鹽污染來源，這會對來源貢獻(xiàn)率估算結(jié)果有一定的影響，還需在以后的研究中繼續(xù)探討。