刘华峰 汪继学 王增辉 张学松 张贵丽 纪汶龙 李双

摘要：浅层地下水是陆地水资源的重要组成部分，与人类生产生活密切相关。基于生态地球化学调查项目，按照1点/16km2的密度对滕州市浅层地下水进行调查，共采集地下水样品95件，分析Fe、Mn等35项指标。结果表明，研究区浅层地下水质量总体较好，pH、CN、Cr6+、溶解性总固体等21项指标含量基本符合《地下水质量标准》（GB／T 14848-2017）中Ⅲ类地下水规定的阀值，适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水。影响研究区浅层地下水质量的主要因子是Fe和总硬度，由原生地质环境及人类活动引起。研究结果可为研究区经济社会发展和用水安全提供基础性资料和决策依据。

关键词：地下水；质量评价；成因分析；滕州市

中图分类号：P641.8    文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.02.003

引文格式：刘华峰，汪继学，王增辉，等.滕州市浅层地下水质量评价与成因分析［J］.山东国土资源，2024，40（2）：1522. LIU Huafeng， WANG Jixue， WANG Zenghui， et al. Environmental Quality Evaluation and Origin Analysis of Shallow Groundwater in Tengzhou City［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（2）：1522.

0 引言

地下水是保障我国城乡居民生活用水、支持社会经济发展的重要战略资源，在维持陆地生态系统安全和生态环境建设方面具有重要作用［12］。地下水水质评价在水资源评价及其合理开发利用管理中是一项十分重要的任务，可为水资源开发利用管理及城市可持续发展提供重要依据［3］。

滕州市农业灌溉和居民饮用水主要以浅层地下水为主，浅层地下水对农业灌溉和居民饮用水起到了重要的供给作用。工业化以来，农业生产和人类活动产生的“三废”无限制排放，特别是化肥、农药的施用以及含磷等生活废水的排放造成了严重的浅层地下水环境污染［45］，近年来随着相关环保措施落实，地下水质量持续向好。本文依托山东省中南部农业生态地球化学调查项目，对滕州市浅层地下水开展精细调查，分析了浅层地下水元素指标基本含量状况，同时进行了浅层地下水环境质量评价与超标原因分析，以期为地区经济社会发展和用水安全提供基础性资料。

1 研究区自然地理与水文地质概况

滕州市位于山东省南部，隶属于枣庄市，市境东西45 km，南北46 km，面积1495 km2。东邻枣庄市山亭区，南鄰枣庄市薛城区，西濒微山湖、接济宁市微山县，北邻济宁市邹城市。滕州市地处鲁中南山区西南麓延伸地带，属黄淮冲击平原的一部分，北、东、南三面环山，西临南四湖，地形由东北向西南倾斜，全市可分为3个地貌区：低山丘陵区、平原区、滨湖区（即湖退区）［6］。河流属淮河流域京杭大运河水系，大都发源于滕州市东、北部的山丘地带，由东北流向西南，注入微山湖。滕州市属暖温带季风气候，年平均气温13.6℃，年降水量为773.1mm，年日照时数为2383 h。

研究区处于滕州潜凹陷区，属于鲁西北平原松散岩类水文地质区，浅层地下水类型为松散岩类孔隙水。地下水是地质历史时期水循环的产物，以含水介质为核心的地下水系统必然随气候、地质、构造、水文和生态等自然环境变化以及人类活动的影响而演变［79］。研究区为第四系松散堆积物形成的广阔平原，含水层为冲积、洪积、湖积粉细砂、中细砂及中粗砂砾石层。垂向上一般由浅、中、深3个含水岩组组成，深度一般为60m以上、60～140m及140m以下，全为地下淡水区。深层含水层补给条件差，透水性弱，不宜大规模开采。浅层地下淡水相对易采易补，是本区主要开采层。山前冲洪积平原亚区浅层潜水、微承压水，含水层岩性以中粗砂为主，厚5～30m，地下水位埋深一般4～8m，含水层单井出水量500～1000m3/d，局部可达1000～3000m3/d；除可作为农田灌溉用水外，在古河道带的有利部位可形成大、中型水源地（图1）。

2 样品采集与分析

2.1 浅层地下水样品采集

在研究区按照1点/16km2的密度均匀布设浅层地下水采样点，共采集浅层地下水样品95件。地下水样品主要来自民井和农田灌溉井水样，深度为20m以浅，实际样点位置如图1所示。

浅层地下水样品采集严格按照《生态地球化学评价样品分析技术要求》（DD2005—03）执行，野外使用便携式GPS定点，取样时间为雨季（2012年7—8月份），采样选择在井径大、水位高的民用水井。采样前先抽水一段时间，去除井中滞留水，采样时尽量不扰动水体，采用瞬时采样法，把装样瓶沉入水下30～50cm处取样。样品容器均为聚乙烯塑料壶，取样前用水样清洗3次再取水样，并根据不同的测试指标，加入相应的保护剂。野外每一个采样点同时采集3组样品：①测定Hg，采样体积为1000 mL，先在塑料壶内加入50 mL浓HNO3及10 mL5％K2Cr2O7溶液，再注入所采集的1000 mL水样；②测定氰化物，采样体积为1000mL，水样中加入2g固体氢氧化钠，保证水样的pH≥12，用石腊密封，阴凉处存放；③其他指标，不加试剂，采样体积为1000mL。所有样品保证24 h内送到实验室分析。

2.2 浅层地下水样品测试分析

浅层地下水样品测试分析由具有国家认证资质的中国冶金地质总局山东局测试中心完成，主要测试Fe、Mn、Cu、Zn、Mo、Cd、Hg、As、Pb、Se、Ni、Be、Ba、Co、Sr、Th、U、总N、总P、K、Cr（Cr6+）及总硬度、溶解性总固体（TDS）、氯化物、亚硝酸盐、氟化物、碘化物、氰化物、pH等共计35项指标，测试分析方法按照《地下水质检验方法》（DZ／T 0064-1993）规范执行。其中，pH采有离子电位法，TDS采用重量法，总硬度采用滴定法，总N采用硫氰酸钾消解后比色法，As和Hg采用原子荧光光谱法（AFS），Ca2+、Mg2+、硫酸根、化学耗氧量、氯化物采用容量法，Cr6+、氟化物、氰化物、碘化物、总磷、NO2采用分光光度比色法，其他17种元素指标采用电感耦合等离子体质谱法（ICPMS）。样品各项指标检出限见表1。

3 浅层地下水质量评价及主要超标因子成因分析

3.1 浅层地下水元素指标含量特征

研究区浅层地下水样品中35项指标的含量及参数见表2。由表可见，研究区浅层地下水全部样品的氰化物、碘化物、Cr6+和As等4项指标含量未达到检出限，Be、Cd大部分样品未检出，其余29项指标均有不同程度检出。通过变异系数分析，pH、氯化物、Ca2+、Mg2+、SO24、F、Be、B、Cr、Fe、Co、Ni、Sr、Cd、Ba、溶解性总固体（TDS）、总硬度、总N变异系数小于1，表明研究区地下水这些指标分布变化较小，分布相对均匀；总P、Hg、Se、Mo、Th、U变异系数大于1，表明研究区地下水这些指标变化较大；亚硝酸盐、K、Mn、Cu、Zn、Pb变异系数大于2，表明研究区地下水这些指标虽然背景值较低，但在局部地段会形成高值区，从而影响浅层地下水质量。通过常规离子浓度分析，浅层地下水阳离子主要是Ca2+，阴离子主要是SO24；研究区浅层地下水溶解性总固体（TDS）在248～1888mg／L之间，主要属于淡水（<1 g／L）、微咸水（1～3 g／L）。

通常地下水中pH的大小直接影响碳酸存在的形态，在偏酸、偏碱及中性水中HCO3含量占优势，而研究区浅层地下水pH范围在6.83～8.26之间，为中性和偏碱性水，因此研究区地下水中表现为HCO3含量占优的特征。

3.2 浅层地下水水质评价

3.2.1 评价因子选择

影响浅层地下水质量的因子众多，包括构成地下水质量的各项指标。本文根据《地下水质量标准》（GB／T 14848-2017），选择NO2、氰化物等26项指标对研究区浅层地下水进行单因子质量评价。

3.2.2 评价标准与方法

地下水质量评价主要是基于目标组分的检出进行评价［1012］。本文以研究区浅层地下水调查数据为基础，进行单因子质量评价，并按照《地下水质量标准》（GB／T 14848-2017）中所列分类指标划分为5类，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ，当不同类别标准值相同时，从优不从劣［13］，超出Ⅳ类限值的指标为超标因子。

3.2.3 评价结果

根据《地下水质量标准》（GB／T 14848-2017）所规定的元素指标含量分级限值，对地下水进行单因子评价，统计研究区浅层地下水各样品评价分类，统计结果见表3。

由表3可见，研究区浅层地下水中超标因子共有10个，分别为Cl、SO24、COD、Mn、Fe、Ni、Se、Pb、溶解性总固体和总硬度。其中铁和总硬度超标率最高，在64％以上；溶解性总固体次之，超标率为16％；Cl、SO24、COD、Mn、Ni、Se、Pb的超标率最低，在1％～8％之间。

研究区浅层地下水中pH、CN、Cr6+、F、I、As、Be、Co指标含量均满足Ⅰ类地下水水质标准，NO2、COD、Hg、Mn、Cu、Zn、Se、Mo、Cd、Pb指标含量以Ⅰ类为主，Ni、Ba、溶解性总固体指标含量以Ⅲ类为主，Fe元素含量以Ⅳ类为主，总硬度以Ⅳ、Ⅴ类为主。研究区浅层地下水中pH、CN、Cr6+、F、I、As、Be、Co、NO2、COD、Hg、Mn、Cu、Zn、Se、Mo、Cd、Pb、Ni、Ba、溶解性总固体等21项指标含量基本符合《地下水质量标准》（GB／T 14848-2017）中Ⅲ类规定的阀值，适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水。影响研究区浅层地下水质量的主要指标是Fe和总硬度，出现较多超过Ⅳ类和Ⅴ类阀值的样点，研究区浅层地下水为高铁地下水（图2）。

3.3 主要超标因子（铁和总硬度）成因分析

3.3.1 铁（Fe）

一般认为铁过多对人体无害，在我国铁只作为感观性状指标看待，然而水中含铁量过多也会造成危害。据测定，当水中含铁量为0.5 mg/L时，色度可达30度以上，含铁量达到1.0 mg/L时，不仅色度增加而且会有明显的金属味。有研究表明，人体中铁过多对心脏有影响，甚至比胆固醇更危险。因此，高铁水必须经过净化处理才能饮用［14］。

1—松散岩类孔隙含水岩组（1000～3000m3/d）；2—松散岩类孔隙含水岩组（500～1000m3/d）；3—松散岩类孔隙含水岩组（<500m3/d）；4—碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组（1000～3000m3/d）；5—碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组（500～1000m3/d）；6—碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组（<500m3/d）；7—碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组隐伏于松散岩层之下的（>5000m3/d）;8—碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组隐伏于松散岩层之下的（1000～3000m3/d）;9—变质岩类裂隙及岩溶裂隙含水岩组（<100m3/d）；10—碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙水（500～1000m3/d）；11—碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙水（<500m3/d）;12—Ⅰ類水；13—Ⅱ类水；14—Ⅲ类水；15—Ⅳ类水；16—Ⅴ类水。图2 浅层地下水单因子质量评价图（Fe）

研究区浅层地下水铁（Fe）离子含量范围为0.029～3.475mg／L，均值为1.354mg／L。铁以Ⅳ类水和Ⅴ类水为主，占总样品的98％，超标样品分布在研究区西北和西南部区域。铁是地壳最丰富的元素之一，铁元素属地下水原生指标，主要受地质背景控制［1517］。研究区前新近纪地层绝大部分为隐伏地质体，上被广泛发育的第四纪地层覆盖，仅在东部零星出露长清群、九龙群地层［18］，隐伏地质体风化形成的土壤及成土过程控制浅层地下水铁的含量背景。造成研究区铁超标一方面由于地质环境造成。滕州西部分布较多的煤矿，比如级索煤矿、蒋庄煤矿等，煤矿区域环境为还原环境，这种地质环境下铁与大量的硫化物结合，形成硫化铁，很容易进入地下水中，从而使地下水中铁含量增高。有较多报道表明，地下水铁含量主要受自然因素控制［19］。另一方面工业生产和人类活动造成的污水进入地下水中激发地层中的铁和某些组分发生交换也会使铁含量升高［2021］。研究区西北部超标区主要为农田、居民区，地势相对较低，受到地表上游工业废水和生活污水的地表传输，在下游下渗积累，造成浅层地下水中铁含量升高（图2）。

同时，铁在地下水中的存在形式除受氧化还原环境的影响外还受pH的影响，当pH为6～8时，有利于Fe2+的溶解富集［2223］。研究区铁超标地下水样品pH介于6.83～7.39之间，有利于地下水对岩土层中二价铁的氧化物起溶解作用，铁由岩土层进入到地下水中，造成地下水中铁含量较高。

3.3.2 总硬度（TDS）

地下水硬度较高影响地下水使用，在使用过程将产生一定的问题，如人体长期饮用硬地下水，会导致肾结石发病率升高，工业使用高硬度水会造成生产设备管道水垢及堵塞等问题。研究区浅层地下水总硬度含量范围为139.36～1303.66mg／L，均值为546.34mg／L，以Ⅳ类水和Ⅴ类水为主，占总样品的63％。总硬度空间分布主要受地形地貌控制，超标点主要集中在西部平原区和滨湖区，东部丘陵区无超标样点（图3）。

1—松散岩类孔隙含水岩组（1000～3000m3/d）；2—松散岩类孔隙含水岩组（500～1000m3/d）；3—松散岩类孔隙含水岩组（<500m3/d）；4—碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组（1000～3000m3/d）；5—碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组（500～1000m3/d）；6—碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组（<500m3/d）；7—碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组隐伏于松散岩层之下的（>5000m3/d）;8—碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组隐伏于松散岩层之下的（1000～3000m3/d）;9—变质岩类裂隙及岩溶裂隙含水岩组（<100m3/d）；10—碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙水（500～1000m3/d）；11—碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙水（<500m3/d）;12—Ⅰ类水；13—Ⅱ类水；14—Ⅲ类水；15—Ⅳ类水；16—Ⅴ类水。图3 浅层地下水单因子质量评价图（TDS）

引起地下水总硬度超标的因素较多，地表污水渗入、生活垃圾排放、含水层水动力条件改变，均是造成浅层地下水中总硬度较高的原因［2426］。研究区分布大面积灰岩地层，岩石土壤中的钙、镁离子经雨水冲刷随地下径流迁移至地势低洼的西部平原区，导致浅层地下水中的总硬度含量增高。研究区农业种植过程化肥农药使用量较大，易造成污染载体与包气带和含水围岩之间发生一系列的水文地球化学作用，促使土壤及其下层沉积物的钙镁易溶盐、难溶盐及交换性钙镁由固相向水中转移，从而使浅层地下水硬度增高［27］。研究区西部有煤矿区域，多座煤炭矿山企业产生的污废水也与地下水硬度偏高有着密切关系。采煤排出的污废水为pH很低的酸性水，酸性废水的排放使某些盐类进入含水层发生盐效应，促使土体中难溶的方解石、白云石溶解，使钙镁离子溶解于水中，造成浅层地下水总硬度偏高。因此人类生产活动因素也是地下水中总硬度增高的主要原因［28］。

4 结论

（1）滕州市浅层地下水质量总体较好，pH范围在6.83～8.26之间，主要为淡水和微咸水，总P、Hg、Se、Mo、Th、U含量在研究区变化范围较大。

（2）单因子环境质量评价表明，滕州市浅层地下水中pH、CN、Cr6+、F、I、As、Be、Co、NO2、COD、Hg、Mn、Cu、Zn、Se、Mo、Cd、Pb、Ni、Ba、溶解性总固体等21项指标含量基本符合Ⅲ类水规定的阀值，适用于集中式生活饮用水水源及工农业用水。地下水未产生重金属污染，影响研究区浅层地下水水质的主要因子是Fe和总硬度。

（3）研究区西部平原区浅层地下水水质较差，铁超标成因与西部煤矿分布区域所处的还原地质环境、生活污水排放及有利于岩土层铁溶解的pH密切相关。

（4）研究区浅层地下水总硬度超标是多重因素引起，灰岩地层土壤中的钙、镁离子经雨水冲刷随地下径流迁移积累、农业化肥施用导致含水层水动力条件改变及西部煤矿酸性废水排放导致的难溶矿物钙镁离子溶解等因素导致。

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Environmental Quality Evaluation and Origin Analysis of Shallow Groundwater in Tengzhou City

LIU Huafeng1， WANG Jixue2， WANG Zenghui1， ZHANG Xuesong1， ZHANG Guili1，JI Wenlong1，LI Shuang1

（1. Shandong Geological Surveying Institute， Shandong Ji'nan 250014， China; 2.Geophysical Prospecting and Surveying Brigade of Shandong Bureau of Coal Geology， Shandong Ji'nan 250000， China）

Abstract：Shallow groundwater is one of the important water resources. It is closely related to human production and life. Based on ecological geochemical survey project， shallow groundwater in Tengzhou city has been investigated at a density of 1 point in 16km2. 95 groundwater samples have been collected， and 35 indicators， such as Fe and Mn have been analyzed. It is showed that the overall quality of shallow groundwater in the study area is good， and the contents of 21 indicators， such as pH， CN -， Cr6+， and total dissolved solids basically meet the threshold values specified in the "Groundwater Quality Standard" （GB/T 14848—2017） for class Ⅲ groundwater， which is suitable for centralized domestic drinking water sources and industrial and agricultural water use. The main factors affecting the quality of shallow groundwater in the study area are Fe and total hardness， which are caused by the primary geological environment and human activities. The research results can provide fundamental data and decision-making basis for economic and social development and water safety in the study area.

Key words：Underground water; quality evaluation; orgin analysis; Tengzhou city

收稿日期：20230726；修訂日期：20230924；编辑：王敏

基金项目：山东省中南部地区农业生态地球化学调查（鲁国土资发〔2011〕96号）

作者简介：刘华峰（1982—），男，山东鄄城人，正高级工程师，主要从事环境地球化学等方面工作；Email：hfliu88g@163.com *通讯作者：汪继学（1989—），男，山东微山人，工程师，主要从事水工环地质工作；Email：516040017@qq.com