韓中陽，吳沙沙，劉詠明

（1.山東省地礦工程集團有限公司，山東 濟南250200；2.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，山東 濟南250014）

近年來，隨著煤礦開采與城鎮(zhèn)化建設等人類活動的影響與日俱增，百脈泉泉域巖溶地下水水質(zhì)面臨惡化的威脅。為了合理開發(fā)、利用和保護百脈泉泉域巖溶地下水資源，有必要研究其地下水化學特征及其形成演化過程。常用的水化學特征研究方法有水化學統(tǒng)計法、多元統(tǒng)計分析、水文地球化學模擬等，其中多元統(tǒng)計方法在水文地球化學研究中尤為廣泛[1]。因子分析法是多元統(tǒng)計分析方法的一種，是通過因子軸旋轉(zhuǎn)，使原始變量在公因子（主成分）上的荷載重新分布，從而使原始變量在公因子上的荷載兩極分化，這樣公因子就能夠用那些荷載大的原始變量來解釋。因子分析法可用來分析地下水水化學特征的主要影響因素及其影響程度。目前，因子分析法在水文地質(zhì)學與水文地球化學中的研究日趨成熟[2]。本文在充分分析研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件下，綜合運用水化學統(tǒng)計法、因子分析法，探究百脈泉泉域巖溶地下水水文地球化學特征及其成因演化，為百脈泉泉域的可持續(xù)利用與保護提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

百脈泉泉域面積約660 km2，東西以禹王山斷層和文祖斷層為界，南以變質(zhì)巖及寒武系朱砂洞組底板為界，北以奧陶系灰?guī)r頂板為界。地勢總體為南高北低，東高西低。泉域由南往北出露的地層依次為新太古代變質(zhì)巖，古生界寒武系、奧陶系石灰?guī)r、白云巖，石炭－二疊系砂頁巖夾煤層，其中奧陶系灰?guī)r約占研究區(qū)地層50%。巖溶水徑流總體趨勢由東南向西北，在南部灰?guī)r出露和裂隙巖溶發(fā)育地區(qū)受大氣降水及地表水入滲補給，徑流到章丘城區(qū)北部低洼地段受煤系地層阻擋后，沿斷裂構(gòu)造沖破薄弱隔水層上涌成泉。

1.2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1）樣品采集與分析。本次研究取巖溶地下水樣11組。地下水樣品的采集、保存與分析均依照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進行。水樣采集后立即裝入預先清洗、干燥好的500 mL聚乙烯瓶中密封，所有水樣冷藏貯存，并盡快運回實驗室進行測試。水樣pH值由便攜式儀器現(xiàn)場測定，其他化學指標如Ca2+、Mg2+、K+、Na+、Fe3+、Fe2+、NH4+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、F-等全部由山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站實驗室完成。

2）研究方法。離子濃度的相對比值可以反映地下水中主要離子的形成機理和來源。利用Origin2018繪制巖溶地下水離子比例圖來識別該巖溶地下水系統(tǒng)中的主要地球化學過程；利用PHREEQC計算礦物飽和指數(shù)；統(tǒng)計分析、因子分析均由SPSS 24完成。

因子分析的適用性采用取樣適切性量數(shù)（KMO）檢測，KMO>0.5表明該數(shù)據(jù)集可以采用此方法。本次對識別矩陣采用凱撒正態(tài)化最大方差法進行旋轉(zhuǎn)[3]，并利用主成分分析法提取特征值大于1的因子。

2 結(jié)果與討論

2.1 水化學特征

巖溶水樣主要離子統(tǒng)計結(jié)果如表1?？梢娧芯繀^(qū)地下水表現(xiàn)出中等到高強度的標準差與變異系數(shù)，Na+的變異值最大，其次為K+、Cl-、SO42-、溶解性總固體（TDS）與Ca2+，這些離子的變異系數(shù)均大于1，表明這些離子含量在空間上的變化程度很大。

表1 百脈泉泉域巖溶地下水化學組成描述性統(tǒng)計

采樣點主要離子含量變化如圖1示。由圖1可見，北部排泄區(qū)1號樣品點地下水樣中SO42-、Ca2+、Na+和Cl-含量普遍高于其他地區(qū)，造成離子含量在空間上變化程度很大，這主要是1號采樣點位于排泄區(qū)城郊，受到人為污染嚴重所致。根據(jù)地下水質(zhì)量標準（GB/T 14848—2017），區(qū)內(nèi)除1號和4號外，其余水樣均符合Ⅲ類水標準。其中1號樣點SO42-、Cl-、F-均達到Ⅴ類地下水標準。4號水樣點F-為Ⅳ類水標準。

圖1 采樣點主要離子含量變化圖

研究區(qū)內(nèi)地下水水化學類型和分布如圖2所示。南部補給區(qū)與中部徑流區(qū)的陽離子以Ca2+、Mg2+為主，陰離子以HCO3-和SO42-為主；北部排泄區(qū)的陽離子以Ca2+、Na2+為主，陰離子以HCO3-和SO42-為主。

圖2 百脈泉泉域巖溶地下水水化學類型分布

2.2 水化學指標因子分析

1）相關(guān)性分析。表2為各地下水水樣10個水化學指標之間的相關(guān)分析結(jié)果，由表2可看出，SO42-與Ca2+、Mg2+、K+、Na+、TDS具有較強正相關(guān)性，說明SO42-的增加會促進碳酸鹽巖的溶解反應。此外，Ca2+除了和SO42-具有強相關(guān)性外，和Cl-也存在強相關(guān)性（r=0.994），說明除水巖作用以外，部分Ca2+的來源還與含Cl-污染物入滲有關(guān)。

表2 百脈泉泉域巖溶地下水樣品10個水化學變量間的相關(guān)性矩陣

除HCO3-、NO3-外，TDS與其他指標均具有很強的相關(guān)性，其中與Ca2+的相關(guān)性最強（r=0.999），說明研究區(qū)地下水中TDS主要受碳酸鹽巖溶蝕、溶解的影響；其次為K+、Na+、Cl-、SO42-，相關(guān)系數(shù)也均大于0.9，其中與Cl-表現(xiàn)出較強的相關(guān)性，則可能與生活和工農(nóng)業(yè)活動有關(guān)。

除NO3-外，pH值和所有其他指標均為負相關(guān)，說明研究區(qū)水巖作用受pH值影響。而NO3-和所有指標均為負相關(guān)，則說明NO3-可能來自于一些非自然的過程，例如農(nóng)業(yè)肥料、污水、化糞池和工業(yè)廢料等。

2）因子分析。根據(jù)上述各指標的相關(guān)性分析可知，部分指標間存在較強的相關(guān)性，反映了它們可能來自于相同的來源。對所采水樣的10項水化學指標進行KMO（kaiser-meyer-olkin）檢驗和Bartlett球形檢驗。得到KMO檢驗值為0.656，表明數(shù)據(jù)適合做因子分析。利用SPSS軟件，對各水樣水化學數(shù)據(jù)進行R型因子分析，采用凱撒正態(tài)化最大方差旋轉(zhuǎn)法計算地下水水化學指標旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣，見表3，根據(jù)累計方差貢獻率提取了2個主因子，其累計貢獻率達86.227%，可以反映原始數(shù)據(jù)的信息量。

表3 旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣

其中，因子1方差貢獻率為73.282%。該研究區(qū)Na+可能的來源為鈉鹽礦物的風化溶解和人為污染；Ca2+主要來源于碳酸鹽類巖石、石膏溶解；Mg2+主要來源于含鎂碳酸鹽巖白云巖的溶解，此外生活污水排放也是Mg2+來源之一。排泄區(qū)1號樣品點Cl-含量的增高是受于人為污染所致，其余大部Cl-來源于巖鹽溶解。地下水中SO42-離子的來源有含石膏或其他硫酸鹽巖石的溶解，研究區(qū)北部存在煤礦，是造成地下巖溶水明顯高SO42-的重要原因。NO3-為最常見和最容易溶解的污染物，它與農(nóng)業(yè)或城市廢物中的潛在有害溶質(zhì)密切相關(guān)，如生活污水的排放，農(nóng)業(yè)化肥的使用。TDS與水中主要離子成分有著密切關(guān)系，能夠反映地下水水質(zhì)，研究區(qū)僅有1號采樣點TDS大于Ⅲ類水標準，受到人為污染所致。由上述可知，因子1代表了人類活動和自然作用共同對百脈泉泉域巖溶地下水化學成分的影響。

因子2方差貢獻率為12.944%，主要和HCO3-具有很強的正相關(guān)性（0.835）及與pH具有較強的負相關(guān)性（-0.589）。地下水中HCO3-主要來源于碳酸鹽巖的溶解，其沒有人為來源。此外，地下水中各礦物的溶解均受水中pH值的影響。因此，因子2代表了自然過程即水巖作用對地下水化學成分的影響。

2.3 地球化學過程分析

1）碳酸鹽巖溶解。碳酸鹽巖溶解是該地區(qū)主要水巖作用之一。若Ca2+和HCO3-只來源于方解石溶解，那么Ca2+與HCO3-的摩爾濃度比值將為1∶2~1∶1，如果Ca2+還來源于白云石溶解，那么Ca2+與HCO3-的摩爾濃度比也可能會是1∶4。本次研究樣品大部分落在1∶1~1∶2線之間，部分樣品落于1∶2線上，見圖3。除北部排泄區(qū)1號水樣點外，研究區(qū)地下水中Ca2+、Mg2+、HCO3-主要來源于以石灰?guī)r為主的碳酸鹽巖溶解。

圖3 HCO3-—Ca2+離子關(guān)系圖

2）巖鹽溶解。巖鹽化學成分為NaCl，如圖4。研究區(qū)大部分樣品均落于1∶1線上，說明研究區(qū)巖鹽溶解是巖溶水中Na+與Cl-的主要來源。北部排泄區(qū)1號樣品點明顯偏離，位于1∶1線上方，說明該地區(qū)Na+有其他來源。該樣點位于排泄區(qū)，人為活動強烈，地下巖溶水受到居民生活污水與農(nóng)藥化肥等人為污染。

3）石膏溶解。石膏是碳酸鹽巖地層中常見的伴生礦物，其主要成分是CaSO4，因此研究區(qū)Ca2+也可能來自石膏溶解，見圖4?？紤]到研究區(qū)北部地層中存在煤層，因而存在黃鐵礦（FeS2）氧化和方解石中和作用產(chǎn)生Ca2+和SO42-，使得Ca2+∶SO42-為1∶1~2∶1。研究區(qū)部分樣品落于2∶1線上，就是因為受到黃鐵礦氧化影響。

圖4 SO42-—Ca2+關(guān)系圖

綜上分析，研究區(qū)巖溶地下水水化學成分的可能礦物相為鹽巖、方解石、石膏和硬石膏。飽和指數(shù)（SI）能夠反映礦物相的飽和狀態(tài)，它能夠指示水巖作用潛在的平衡趨勢。利用PHREEQC計算該地區(qū)巖溶水中可能礦物相的飽和指數(shù)。由圖5可知，該研究區(qū)巖溶地下水中方解石處于飽和狀態(tài)，有沉淀析出的趨勢；而石膏除水樣點1外，其他均為不飽和狀態(tài)，其飽和指數(shù)為-1.7~0.01；硬石膏均處于不飽和狀態(tài)，其飽和指數(shù)為-2~-0.3；巖鹽均處于不飽和狀態(tài)，其飽和指數(shù)為-8.72~-5.48。可知隨著水巖作用的長時間進行，石膏與硬石膏比巖鹽要早達到平衡狀態(tài)。同時巖鹽飽和指數(shù)絕對值較大，表明研究區(qū)巖溶水系統(tǒng)中巖鹽溶蝕較弱，不是主要的地球化學過程。

圖5 礦物飽和指數(shù)圖

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明：1）百脈泉泉域巖溶水主要陽離子為Ca2+，主要陰離子為HCO3-和SO42-。地下水樣品pH范圍為7.0~7.9，屬于中性~弱堿性水。研究區(qū)水質(zhì)狀況總體良好，僅北部排泄區(qū)樣品受人為污染嚴重。2）因子分析的結(jié)果表明，因子1約占總方差的73.282%，其中K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、NO3-、TDS具有較高的正荷載，代表了人為因素和自然因素共同對巖溶水的影響。因子2約占總方差的12.944%，具有較高的正荷載的HCO3-和具有較高負荷載的pH，代表了自然因素水巖作用對巖溶水的影響。3）地球化學過程分析表明，研究區(qū)巖溶水受水巖作用控制，主要為以灰?guī)r為主的碳酸鹽巖溶解、石膏及硬石膏溶解，巖鹽溶解較弱，同時還受煤層中黃鐵礦氧化影響。4）北部排泄區(qū)過高的Mg2+、Cl-、SO42-、TDS等是受到人類活動如煤礦開采、工廠污水所致。