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趵突泉泉域岩溶水化学特征及成因研究

王楠 胥芹 孙小艳 武显仓 李常锁 高帅

王 楠,胥 芹,孙小艳,等. 趵突泉泉域岩溶水化学特征及成因研究[J]. 中国岩溶,2024,43(2):279-290 doi: 10.11932/karst20240203
引用本文: 王 楠,胥 芹,孙小艳,等. 趵突泉泉域岩溶水化学特征及成因研究[J]. 中国岩溶,2024,43(2):279-290 doi: 10.11932/karst20240203
WANG Nan, XU Qin, SUN Xiaoyan, WU Xiancang, LI Changsuo, GAO Shuai. Hydrochemical characteristics and formation mechanism of karst water in Baotu Spring watershed[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2024, 43(2): 279-290. doi: 10.11932/karst20240203
Citation: WANG Nan, XU Qin, SUN Xiaoyan, WU Xiancang, LI Changsuo, GAO Shuai. Hydrochemical characteristics and formation mechanism of karst water in Baotu Spring watershed[J]. CARSOLOGICA SINICA, 2024, 43(2): 279-290. doi: 10.11932/karst20240203

趵突泉泉域岩溶水化学特征及成因研究

doi: 10.11932/karst20240203
基金项目: 国家自然科学基金项目(42202294);山东省自然科学基金项目(ZR2021QD084)
详细信息
    作者简介:

    王楠(1981-),女,硕士,高级工程师,主要从事水工环方面研究工作。E-mail:878870341@qq.com。

    通讯作者:

    李常锁(1976-),男,博士,研究员,主要从事岩溶水水文地球化学方向的研究。E-mail:lics120@163.com。

  • 中图分类号: P641

Hydrochemical characteristics and formation mechanism of karst water in Baotu Spring watershed

  • 摘要: 趵突泉泉域是中国北方岩溶的典型分布区,近年来面临着水质恶化问题。为系统研究趵突泉泉域岩溶水水化学形成机制,采集60组趵突泉泉域地表水、地下水样品,利用Piper三线图、离子比值、相关性分析、因子分析和聚类分析等多元统计方法,并结合ArcGIS地理统计功能,对趵突泉泉域岩溶水水化学形成机制及空间差异性进行研究。结果表明,研究区地表水水化学类型主要为HCO3·SO4-Ca,地下水以HCO3-Ca、HCO3·SO4-Ca、HCO3-Ca·Mg型水为主,${\rm{SO}}_4^{2-}$占比有升高趋势。研究区地下水水化学组成主要受到碳酸盐、硫酸盐、岩盐等矿物溶解的影响。人类活动的污染导致地下水中Cl、${\rm{NO}}_3^{-}$含量增加,并对地下水中天然水岩相互作用机制造成了影响。研究区地下水总体受污染程度不大,水化学组成主要受到水岩相互作用的影响,而受到Cl、${\rm{NO}}_3^{-}$污染的地下水则主要分布在研究区的中部岩溶强渗漏带区域。

     

  • 图  1  研究区水文地质简图及采样点分布情况

    Figure  1.  Hydrogeological map of the study area and locations of water samples

    图  2  研究区地质剖面图

    Figure  2.  Geological profile of the study area

    图  3  研究区水样Piper三线图

    Figure  3.  Piper diagram of water samples in the study area

    图  4  岩溶水中主要离子比值图

    Figure  4.  Ratios of main ions in karst water

    图  5  研究区岩溶水水化学指标各因子得分空间分布图

    Figure  5.  Spatial distribution of hydrochemical indexes of karst water in the study area

    图  6  研究区地下水中K+浓度空间分布图

    Figure  6.  Spatial distribution of K+ concentration in the study area

    图  7  研究区地下水水化学样品聚类树状图

    Figure  7.  Cluster dendrogram of hydrochemical samples of groundwater in the study area

    图  8  研究区地下水样不同聚类分组的空间分布

    Figure  8.  Spatial distribution of different groundwater cluster groups in the study area

    表  1  取样点情况及水温、pH统计表

    Table  1.   Statistics of situations, water temperatures, and pH of sampling points

    编号深度/m含水层类型水温/℃pH编号深度/m含水层类型水温/℃pH
    J1 170 花岗岩 裂隙水 17.2 7.54 J32 石灰岩 岩溶水 13.7 7.78
    J2 47 闪长岩 裂隙水 15.1 7.38 J33 0.5 地表水 17.4 7.42
    J3 75 花岗岩 裂隙水 17.1 6.88 J34 215 石灰岩 岩溶水 17.4 7.14
    J4 120 石灰岩 岩溶水 16.2 7.23 J35 58 白云岩 岩溶水 15.9 7.91
    J5 86 白云岩 岩溶水 17.0 7.22 J36 0.5 地表水 17.1 7.56
    J6 130 白云岩 岩溶水 18.3 7.83 J37 2 300 石灰岩 岩溶水 16.4 7.26
    J7 127 石灰岩 岩溶水 16.8 7.39 J38 100 白云岩 岩溶水 14.5 7.17
    J8 148 石灰岩 岩溶水 16.9 7.51 J39 352 白云岩 岩溶水 14.9 7.70
    J9 152 石灰岩 岩溶水 16.6 7.69 J40 250 石灰岩 岩溶水 7.91
    J10 26 粉砂 孔隙水 17.4 7.46 J41 4 白云岩 岩溶水 14.2 7.82
    J11 100 石灰岩 岩溶水 17.6 7.43 J42 50 石灰岩 岩溶水 14.6 7.34
    J12 183 石灰岩 岩溶水 18.6 7.58 J43 31 石灰岩 岩溶水 17.6 7.84
    J13 130 白云岩 岩溶水 16.2 7.07 J44 200 白云岩 岩溶水 17.7 7.65
    J14 137 白云岩 岩溶水 19.1 7.52 J45 300 石灰岩 岩溶水 19.0 7.85
    J15 87 石灰岩 岩溶水 15.9 7.38 J46 20 石灰岩 岩溶水 16.2 7.56
    J16 60 石灰岩 岩溶水 16.8 7.21 J47 23 石灰岩 岩溶水 16.6 7.49
    J17 213 石灰岩 岩溶水 16.0 7.35 J48 36 白云岩 岩溶水 19.2 7.49
    J18 158 石灰岩 岩溶水 16.5 7.13 J49 3 石灰岩 岩溶水 17.7 7.72
    J19 0.5 地表水 15.3 8.02 J50 180 石灰岩 岩溶水 17.3 7.47
    J20 186 石灰岩 岩溶水 17.0 7.49 J51 220 石灰岩 岩溶水 17.2 7.54
    J21 125 石灰岩 岩溶水 17.2 7.05 J52 350 石灰岩 岩溶水 18.5 7.25
    J22 22 砂质黏土 孔隙水 16.8 7.48 J53 260 石灰岩 岩溶水 18.6 7.34
    J23 93 石灰岩 岩溶水 18.1 7.51 J54 280 石灰岩 岩溶水 19.7 7.44
    J24 146 石灰岩 岩溶水 14.9 8.05 J55 40 砂质黏土 孔隙水 16.5 7.28
    J25 33 石灰岩 岩溶水 7.61 J56 183 石灰岩 岩溶水 18.2 7.57
    J26 岩溶泉 18.0 7.36 J57 15 粉砂 孔隙水 16.4 7.10
    J27 白云岩 岩溶水 7.28 J59 5 砂质黏土 孔隙水 16.8 7.80
    J29 石灰岩 岩溶水 14.1 7.58 J60 30 砂质黏土 孔隙水 17.6 7.54
    J30 245 闪长岩 裂隙水 14.5 7.55 J61 白云岩 岩溶水 16.9 7.27
    J31 50 白云岩 岩溶水 16.1 7.40 J62 岩溶泉 17.6 8.06
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    表  2  水化学指标数学统计表

    Table  2.   Statistics of hydrochemical parameters

    水样
    类型
    数学
    指标
    Na+
    mg·L−1
    K+
    mg·L−1
    Mg2+
    mg·L−1
    Ca2+
    mg·L−1
    Cl
    mg·L−1
    ${\rm{NO}}_3^{-}$
    mg·L−1
    ${\rm{SO}}_4^{2-}$
    mg·L−1
    ${\rm{HCO}}_3^{-}$
    mg·L−1
    TDS
    mg·L−1
    地表水最大值31.163.7117.4177.0532.6710.96114.38180.42379.75
    最小值10.061.7612.0464.6212.077.8167.99174.69268.65
    平均值18.912.6114.8268.9321.939.4490.61178.51317.86
    变异系数0.470.310.150.080.380.140.210.020.15
    孔隙水最大值70.752.5949.96234.58105.4793.72159.12549.86948.69
    最小值12.080.6115.9875.0223.914.3510.47226.24283.85
    平均值32.731.4729.45142.1454.7741.7782.42336.98554.27
    变异系数0.580.560.440.360.600.850.680.310.37
    岩溶水最大值98.788.9142.10216.2095.05148.44187.12549.86822.35
    最小值3.980.387.4310.121.821.7123.6280.19191.65
    平均值23.761.5719.73112.1240.9239.5192.80276.27475.44
    变异系数0.690.840.310.360.570.870.400.260.30
    裂隙水最大值23.564.0026.26106.0737.0469.5074.00340.80454.51
    最小值10.121.327.2341.967.851.9930.49111.69160.27
    平均值18.232.1314.0063.8217.9831.6746.05207.63298.47
    变异系数0.300.510.540.390.650.930.360.450.36
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    表  3  水化学指标Spearman相关系数矩阵

    Table  3.   Spearman correlation matrices of hydrochemical parameters

    Na+K+Mg2+Ca2+Cl${\rm{NO}}_3^{-}$${\rm{SO}}_4^{2-}$${\rm{HCO}}_3^{-}$TDS
    Na+1.000
    K+0.1341.000
    Mg2+0.468**−0.0211.000
    Ca2+0.401**−0.344**0.309*1.000
    Cl0.658**−0.2140.451**0.567**1.000
    ${\rm{NO}}_3^{-}$0.150−0.371**0.1930.675**0.535**1.000
    ${\rm{SO}}_4^{2-}$0.606**−0.0440.2000.651**0.553**0.467**1.000
    ${\rm{HCO}}_3^{-}$0.227−0.337*0.462**0.600**0.384**0.441**0.2051.000
    TDS0.686**−0.2340.456**0.850**0.741**0.668**0.815**0.585**1.000
    **. 相关性在 0.01 层上显著(双尾);*. 相关性在 0.05 层上显著(双尾)。
    ** The correlation is significant at the level of 0.01 (double-tail). * The correlation is significant at the level of 0.05 (double-tail).
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    表  4  旋转因子载荷矩阵

    Table  4.   Loading matrix of rotated factor

    F1F2F3
    Na+0.2030.787−0.238
    K+−0.1380.123−0.824
    Mg2+0.0000.8450.251
    Ca2+0.7850.1550.486
    Cl0.6690.4790.086
    ${\rm{NO}}_3^{-}$0.838−0.0190.265
    ${\rm{SO}}_4^{2-}$0.8080.297−0.125
    ${\rm{HCO}}_3^{-}$0.4030.3520.743
    TDS0.8450.4250.302
    pH−0.4630.129−0.185
    贡献率(%)35.71220.12218.059
    累积贡献率(%)35.71255.83473.893
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  • [1] Goldscheider N, Chen Z, Auler A S, Bakalowicz M, Broda S, Drew D, Hartmann J, Jiang G H, Moosdorf N, Stevanovic Z, Veni G. Global distribution of carbonate rocks and karst water resources[J]. Hydrogeology Journal, 2020, 28(5): 1661-1677. doi: 10.1007/s10040-020-02139-5
    [2] Vigni L L, Daskalopoulou K, Calabrese S, Brusca L, Bellomo S, Cardellini C, Kyriakopoulos K, Brugnone F, Parello F, D'Alessandro W. Hellenic karst waters: Geogenic and anthropogenic processes affecting their geochemistry and quality[J]. Scientific Reports, 2023, 13(1): 11191. doi: 10.1038/s41598-023-38349-6
    [3] Liu J, Wang H, Jin D W, Xu F, Zhao C H. Hydrochemical characteristics and evolution processes of karst groundwater in Carboniferous Taiyuan Formation in the Pingdingshan coalfield[J]. Environmental Earth Sciences, 2020, 79: 1-14. doi: 10.1007/s12665-019-8746-6
    [4] Tang C L, Jin H, Liang Y P. Using isotopic and hydrochemical indicators to identify sources of sulfate in karst groundwater of the Niangziguan spring field, China[J]. Water, 2021, 13(3): 390. doi: 10.3390/w13030390
    [5] Wu X C, Li C S, Sun B, Geng F Q, Gao S, Lyu M H, Ma X Y, Li H, Xing L T. Groundwater hydrogeochemical formation and evolution in a karst aquifer system affected by anthropogenic impacts[J]. Environmental Geochemistry and Health, 2020, 42: 2609-2626. doi: 10.1007/s10653-019-00450-z
    [6] Fang L, Zhou A G, Li X Q, Zhou J W, Pan G F, He N J. Response of antimony and arsenic in karst aquifers and groundwater geochemistry to the influence of mine activities at the world's largest antimony mine, Central China[J]. Journal of Hydrology, 2021, 603: 127131. doi: 10.1016/j.jhydrol.2021.127131
    [7] Zhou J X, Wu Q X, Gao S L, Zhang X Y, Wang Z H, Wu P, Zeng J. Coupled controls of the infiltration of rivers, urban activities and carbonate on trace elements in a karst groundwater system from Guiyang, Southwest China[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2023, 249: 114424. doi: 10.1016/j.ecoenv.2022.114424
    [8] 魏善明, 丁冠涛, 袁国霞, 汪丽芳, 聂玉朋, 杜金亮. 山东省东汶河沂南地区地下水水化学特征及形成机理[J]. 地质学报, 2021, 95(6):1973-1983. doi: 10.3969/j.issn.0001-5717.2021.06.021

    WEI Shanming, DING Guantao, YUAN Guoxia, WANG Lifang, NIE Yupeng, DU Jinliang. Hydrochemical characteristics and formation mechanism of groundwater in Yi'nan, east Wenhe river basin in Shandong Province[J]. Acta Geologica Sinica, 2021, 95(6): 1973-1983. doi: 10.3969/j.issn.0001-5717.2021.06.021
    [9] 张海林, 王重, 林广奇, 徐源, 马雪莹, 关琴. 济南趵突泉泉域岩溶水硝酸盐污染特征及其来源识别[J]. 中国岩溶, 2022, 41(6):998-1006.

    ZHANG Hailin, WANG Zhong, LIN Guangqi, XU Yuan, MA Xueying, GUAN Qin. Nitrate pollution characteristics and identification of nitratesources in Baotu Spring area of Jinan[J]. Carsologica Sinica, 2022, 41(6): 998-1006.
    [10] Zhang J, Jin M G, Cao M D, Huang X, Zhang Z X, Zhang L. Sources and behaviors of dissolved sulfate in the Jinan karst spring catchment in Northern China identified by using environmental stable isotopes and a Bayesian isotope-mixing model[J]. Applied Geochemistry, 2021, 134: 105109. doi: 10.1016/j.apgeochem.2021.105109
    [11] 彭凯, 刘文, 魏善明, 刘传娥, 陈燕, 董浩, 苏动, 袁炜, 韩琳. 基于水化学、同位素特征的济南岩溶地下水补给来源研究[J]. 中国岩溶, 2020, 39(5):650-657.

    PENG Kai, LIU Wen, WEI Shanming, LIU Chuane, CHEN Yan, DONG Hao, SU Dong, YUAN Wei, HAN Lin. Study on the recharge source of karst groundwater in Jinan City based on hydrogeochemical and isotopic characteristics[J]. Carsologica Sinica, 2020, 39(5): 650-657.
    [12] Wang K R, Chen X Q, Wu Z, Wang M S, Wang H B. Traceability and biogeochemical process of nitrate in the Jinan karst spring catchment, North China[J]. Water, 2023, 15(15): 2718. doi: 10.3390/w15152718
    [13] 杨丽芝, 刘春华, 祁晓凡. 济南泉水水化学特征变异研究[J]. 水资源与水工程学报, 2016, 27(1):59-64.

    YANG Lizhi, LIU Chunhua, QI Xiaofan. Study on characteristic variation of hydro-chemistry of Jinan spring[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2016, 27(1): 59-64.
    [14] 薄克庭, 蔡有兄. 济南地区岩溶地下水污染程度评价[J]. 山东国土资源, 2016, 32(3): 51-55.

    BO Keting, CAI Youxiong. Evaluation on groundwater pollution degree in Jinan karst area[J]. Shandong Land and Resources, 2016, 32(3): 51-55.
    [15] 李江柏, 邢立亭, 侯玉松, 邢学睿, 邓忠, 张凤娟, 孟庆晗, 武东强. 基于模糊相似优先比法的济南四大泉群补给来源[J]. 科学技术与工程, 2021, 21(3):918-926.

    LI Jiangbai, XING Liting, HOU Yusong, XING Xuerui, DENG Zhong, ZHANG Fengjuan, MENG Qinghan, WU Dongqiang. Replenishment sources of four great springs in Jinan based on fuzzy similarity priority ratio[J]. Science Technology and Engineering, 2021, 21(3): 918-926.
    [16] 孟庆晗, 王鑫, 邢立亭, 董亚楠, 朱恒华, 武朝军, 李传磊, 于苗, 侯玉松. 济南四大泉群补给来源差异性研究[J]. 水文地质工程地质, 2020, 47(1):37-45.

    MENG Qinghan, WANG Xin, XING Liting, DONG Ya'nan, ZHU Henghua, WU Zhaojun, LI Chuanlei, YU Miao, HOU Yusong. A study of the difference in supply sources of the four groups of springs in Jinan[J]. Hydrogeology & Engineering Geology, 2020, 47(1): 37-45.
    [17] Ledesma Ruiz R, Pasten Zapata E, Parra R, Harter T, Mahlknecht J. Investigation of the geochemical evolution of groundwater under agricultural land: A case study in Northeastern Mexico[J]. Journal of Hydrology, 2015, 521: 410-423. doi: 10.1016/j.jhydrol.2014.12.026
    [18] 廖驾, 朱振华, 彭毅, 韦珊瑚, 罗朝晖, 刘状, 徐强强, 谢亘. 湘西北地区岩溶地下水水化学与氘氧同位素特征分析[J]. 中国岩溶, 2023, 42(3):425-435, 481.

    LIAO Jia, ZHU Zhenhua, PENG Yi, WEI Shanhu, LUO Zhaohui, LIU Zhuang, XU Qiangqiang, XIE Gen. Analysis on D/18O and hydrochemical characteristics of karstgroundwater in northwestern Hunan Province[J]. Carsologica Sinica, 2023, 42(3): 425-435, 481.
    [19] 王大纯, 张人权, 史毅红, 许绍卓, 于青春, 梁杏. 水文地质学基础[M]. 北京: 地质出版社, 1980.
    [20] 高帅, 李常锁, 贾超, 孙斌, 张海林, 逄伟. 济南趵突泉泉域岩溶水化学特征时空差异性研究[J]. 地质学报, 2019, 521(Suppl.1):410-423. doi: 10.19762/j.cnki.dizhixuebao.2019211

    GAO Shuai, LI Changsuo, JIA Chao, SUN Bin, ZHANG Hailin, PANG Wei. Spatiotemporal difference study of karst hydrochemical characteristics in the Baotu Spring area of Jinan[J]. Acta Geologica Sinica, 2019, 521(Suppl.1): 410-423. doi: 10.19762/j.cnki.dizhixuebao.2019211
    [21] Li C S, Zhang X Z, Gao X B, Li C C, Jiang C F, Liu W, Lin G Q, Zhang X, Fang J C, Ma L J, Zhang X B. Spatial and temporal evolution of groundwater chemistry of Baotu karst water system at Northern China[J]. Minerals, 2022, 12(3): 348. doi: 10.3390/min12030348
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-04
  • 录用日期:  2023-11-14
  • 修回日期:  2023-11-13
  • 网络出版日期:  2024-07-10
  • 刊出日期:  2024-04-30

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