研究区位于山东省中部低山丘陵区，受地质构造影响形成莱芜盆地. 地理坐标为东经117º19′—117º58′，北纬36º02′—36º33′，南北长61 km，东西宽58 km，总面积2246.21 km². 属温带大陆性半湿润气候，四季分明，春凉秋爽，冬冷夏热，年平均降雨量699.7 mm^[11]. 区内地表水系较为发育，主要为大汶河水系. 盆地内发育牟汶河、赢汶河等汶河支流，总体由东向西南方向径流. 水库主要有雪野水库、乔店水库及大冶水库等，受降水及蒸发影响明显，水量变化量大.

盆地北、东、南三面环山，西部开阔，地势总体由东向西倾斜，呈簸箕状. 盆地北部为香山、大山等泰山余脉，南部分布莲花山、新甫山等，皆为山势陡峻、沟谷发育、切割强烈的中低山；东部分布万福山等低山丘陵^{[12 − 14]}. 整体外形为南缓北陡，向北突出的半圆形盆地. 区内地层出露较为齐全，盆地外围出露大面积太古宇变质花岗岩类，盆地内部是由寒武—奥陶系（∈-O）碳酸盐岩地层呈单斜状产出，上部覆盖厚层古近系（E）、新近系（N）砂岩、页岩地层，地表覆盖第四系（Q）粉砂、黏土等（图1）^{[15 − 16]}.

莱芜盆地含水岩组类型齐全，主要包括盆地边缘新太古代岩浆岩变质岩类裂隙含水岩组，覆盖在侵入岩体上近东西向的碳酸盐岩类裂隙岩溶岩组，盆地内广泛沉积的中新生代碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组及地表覆盖的松散岩类孔隙含水岩组（图2）^[17].

在盆地北部，水文地质结构单一，地下水主要以浅层风化裂隙水为主，沿地势起伏方向由北向南径流，富水性差. 受北部盆缘深大断裂泰安-口镇断裂、大王庄-铜冶店断裂影响，碳酸盐岩含水岩组呈“断块状”分布在断裂影响带内，裂隙岩溶发育，接受北部裂隙水、地表水补给后形成富水块段^[18]，主要有大鱼池水源地. 在盆地南部，地层结构整体呈单斜式向北倾斜.

地下水主要运移驱动力为重力势差，初始来源为大气降水. 岩溶水接受大气降水及南部裂隙水补给，地下水径流方向与地层倾向相一致，经裸露的寒武系地层及奥陶系地层后向盆地腹部排泄^{[19 − 20]}. 局部地段受断裂构造、侵入岩体阻水影响，可形成富水块段或出露成泉，分布吴家岭水源地、叶马曹水源地等. 地下水整体往盆地内部呈“向心状”径流，受内部古近系、新近系地层阻水后转向西北、西南方向径流排泄. 泉水主要出露在盆地南北两侧边缘地带，盆地内部受煤矿开采等人类活动影响，造成地下水水位下降、地层结构破坏，泉水已干涸灭失.

研究区共有泉水223处，其中102处泉水入选《济南市名泉名录》，主要包括北泉、普惠泉、圣水泉等；依据行政区划分，莱芜区167处、钢城区56处. 泉水依据成因类型划分为上升泉、下降泉和泉井3类；依据含水岩组类型可分为岩溶泉水和裂隙泉水两类. 岩溶泉水主要分布在盆地南侧单斜状碳酸盐岩地区及北部、东部边缘一带，岩溶水接受补给后沿地层倾向或地势由高到低方向径流，在排泄区或地层阻水处出露成泉，具有规律性、循环性和持续性；裂隙泉水主要分布于铜冶店—孙祖断裂外围大面积古元古代岩浆岩分布区，泉水接受补给后沿浅层风化裂隙或构造裂隙向地势低洼处径流，在河流沟谷、断裂构造处成泉，具有季节性、局部循环等特征.

2021年9月份对研究区102处名泉泉水开展水样采集，共采集样品100件（2处泉水干涸）. 其中岩溶泉水67件，裂隙泉水33件. 采样点位置见图1. 样品采集前，对取样瓶采用蒸馏水进行冲洗，采样时用泉水冲洗至少3次，取水前让泉水流动10 min以上，保证取得的泉水可以准确反映泉水的真实状况. 现场采用快检设备对pH、水温、溶解氧等参数进行现场测定，采用GPS测定泉水经纬度与高程.

样品测试由具有检测资质的山东省地矿工程勘察院实验室完成，检测项目包括K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、HCO₃⁻、CO₃²⁻、Cl⁻、SO₄²⁻、TDS等. SO₄²⁻、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺采用电感耦合等离子体发射光谱仪测定，CO₃²⁻、HCO₃⁻采用酸碱指示剂滴定法测定，Cl⁻采用硝酸银滴定法测定．溶解性总固体通过计算求得. K⁺检测限为0.05 mg·L^－1，Na⁺检测限为0.01 mg·L^－1，Ca²⁺、Mg²⁺和Cl^－检测限为1.0 mg·L^－1，SO₄^2－检测限为5.0 mg·L^－1．

数理统计分析的结果可以反映研究区地下水化学成分的基本状况. 因此，对泉水水样的pH值、常规离子SO₄²⁻等水化学参数进行统计特征值分析（表1）.

pH值是反映水文地球化学平衡信息的重要因子^[21]. 从表1可以看出，区内泉水pH值范围在6.6—8.27之间，平均值为7.69，且变异系数为0.04，表明区内泉水pH值空间差异不大，呈弱碱性.

TDS是指水中以悬浮形式存在的全部有机和无机溶质的总量，其数值越高，表明泉水中的溶解物质越多. 研究区泉水TDS范围在152.75—982.64 mg·L⁻¹之间，平均值为423.15 mg·L⁻¹，低于饮用水标准限值（1000 mg·L⁻¹），说明区内泉水都属于低矿化度水，且变异系数为0.32，表明空间分布相对均匀.

泉水阳离子浓度排序为Ca²⁺>Mg²⁺>Na⁺>K⁺，表明Ca²⁺、Mg²⁺为泉水中占主导地位的阳离子，其中Ca²⁺平均值为117.33 mg·L⁻¹，且变异系数最小，表明Ca²⁺在研究区内分布相对均匀；阴离子浓度排序为HCO₃⁻>SO₄²⁻>NO₃⁻>Cl⁻，表明HCO₃⁻、SO₄²⁻为泉水中占主导地位的阴离子，其中HCO₃⁻平均值为294.17 mg·L⁻¹，为泉水中主要阴离子.

SO₄²⁻、Cl⁻、NO₃⁻变异系数相对较大，表明空间差异变化较大，其主要分布在颜庄镇西、柳桥峪等人类活动较为密集区域. 该地区工矿企业分布、人类活动密集，地下水不同程度的污染造成了单点泉水SO₄²⁻、Cl⁻、NO₃⁻等离子含量的超标.

Piper三线图是一种常用的水化学分类图示方法，可以表现水体总的水化学性质和主要例子组成变化特征^{[22 − 23]}. 如图3所示，区内泉水阴离子类型可划分为HCO₃型、HCO₃·SO₄型、SO₄型和Cl·SO₄型4种类型；阳离子类型可划分为Ca型、Ca·Mg型、Ca·Na型3种类型.

不同类型泉水受含水岩组、地形地貌、人类活动等因素影响，水化学类型略有差异. 岩溶泉水主要分布在阳离子三角区左下角，表明其阳离子以Ca²⁺为主，其次为Mg²⁺、Na⁺；裂隙泉水主要分布在阳离子三角区中下部，表明其主要阳离子以Ca²、Na⁺为主，其次为Mg²⁺. 岩溶泉水、裂隙泉水阴离子均集中分布在左侧，说明两类泉水中主要阴离子为HCO₃⁻、SO₄²⁺. 总体来看，区内各泉水水化学特征差异不大，水化学类型以HCO₃-Ca型、HCO₃·SO₄-Ca型、HCO₃-Ca·Mg型为主；表现出受区内物理性质和人类活动作用影响特征，呈现出局部点状的差异性.

控制地下水中离子组分含量的因素多样，对离子组分相关性分析可以有效的揭示地下水中溶解物质的来源^{[24 − 25]}. 因此，相关系分析方法在地下水水化学研究过程中得到了广泛应用. 本次运用SPSS软件对莱芜地区泉水的常规化学指标进行了相关性分析，结果如表2所示.

研究区泉水TDS与Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、Cl⁻、SO₄²⁻、NO₃⁻之间的相关性较为显著，表明这些组分对TDS的贡献较大，特别是Ca²⁺、SO₄²⁻相关系数均超过了0.80；Na⁺与Cl⁻、NO₃⁻之间显著相关，表明它们之间存在相同的来源；SO₄²⁻与Ca²⁺、Mg²⁺存在正相关关系，说明三者有共同的来源，可能与岩盐、石膏等硫酸盐岩的风化溶解有关. 另外，NO₃⁻与Cl⁻之间存在明显的相关关系，表明两种离子具有明显的同源性，其主要来源可能为人类活动.

运用Gibbs图可以将天然水体的化学形成机制划分为蒸发结晶、岩石风化和大气降水三类^{[26 − 27]}. 通过图4可以看出，区域内的泉水取样点主要分布在岩石风化区域，且大部分都落于Na⁺/（Na⁺+Ca²⁺）值和Cl^－/（Cl^－+HCO₃^－）值小于0.5的区域，表明泉水的主要离子成分来源于水与岩土的相互作用，是区域泉水化学组分形成的主要控制因素. TDS介于152.75—982.64 mg·L^－1之间，平均值为423.15 mg·L^－1，Cl^－/（Cl^－+HCO₃^－）范围在0.02—0.71之间，平均值为0.21，Na⁺ /（Na⁺ +Ca²⁺）范围在0.01—0.41之间，均值为0.18．

区域地层中发育较多的碳酸盐岩矿物主要为方解石、白云石等，可知岩溶泉水中的Ca²⁺、Mg²⁺和HCO₃^－主要来源于碳酸盐岩的溶解和风化作用，个别岩溶泉水呈现向右偏移趋势，表明部门岩溶水体化学组分受离子交换作用影响. 裂隙泉水分布更为集中，受水岩相互作用明显，化学离子成分主要来源于岩石风化作用.

利用水体中各种离子比值关系可以进一步推断水中各离子来源，分析水化学成因，反映不同岩石风化对化学来源的影响程度^{[28 − 29]}.

当γ（Na⁺+K⁺）/γCl^－值接近于1时，表明Na⁺、K⁺离子主要来源于岩盐的风化溶解^[30]. 由图5a可以看出，泉水中Na⁺、K⁺离子主要分布在1:1线的两侧，说明泉水中Na⁺、K⁺离子主要来源于岩盐的溶解作用，部分裂隙泉水点分布在1:1线之下，说明Na⁺、K⁺离子当量浓度大于Cl^－，说明裂隙泉水中Na⁺、K⁺离子来源除了岩盐溶解外，还可能有硅酸盐矿物或阳离子交替吸附作用^[31].

利用γ（Ca²⁺+Mg²⁺）/γ（HCO₃^－+SO₄^2－）的比值关系，可以分析泉水中Ca²⁺、Mg²⁺的主要来源. 若γ（Ca²⁺+Mg²⁺）/γ（HCO₃^－+SO₄^2－）比值大于1，说明Ca²⁺、Mg²⁺主要来源于碳酸盐岩的溶解，若γ（Ca²⁺+Mg²⁺）/γ（HCO₃^－+SO₄^2－）比值小于1，说明Ca²⁺、Mg²⁺主要来源于硅酸盐岩或硫酸盐矿物的风化溶解^[32]. 由图5b可以看出，泉水取样点主要坐落于1:1线的下方，说明泉水中Ca²⁺、Mg²⁺离子主要来源于碳酸盐岩的溶解作用.

计算γ（SO₄^2－+Cl^－）与γHCO₃^－的比值，可以判断地下水中离子来源. 当γ（SO₄^2－+Cl^－）/γHCO₃^－大于1时，地下水中化学成分主要是来自蒸发岩的溶解；当小于1时，则说明主要来自碳酸盐的溶解^[33]. 由图5c可以看出，岩溶泉水取样点大部分位于1:1线上侧，说明岩溶泉水中HCO₃^－主要来源于碳酸盐岩矿物溶解；裂隙泉水取样点分布在1:1线两侧，说明裂隙泉水中HCO₃^－与蒸发盐岩溶解和碳酸盐岩溶解均存在一定关系.

阳离子交换反映可以通过γ（Na⁺+K⁺-Cl^－）与γ（Ca²⁺+Mg²⁺）-γ（SO₄^2－+HCO₃^－）的比值来反映^{[34 − 35]}. 由图5d可以看出，岩溶泉水水样分布在斜率为-0.414的直线周围，R²=0.0215，斜率远离-1，说明岩溶泉水阳离子交换作用相对较弱；裂隙泉水水样分布在斜率为-1.3775的直线附近，R²=0.428，斜率接近-1，说明裂隙泉水中阳离子交换作用相对较强.

莱芜盆地周边低山丘陵区农业种植分布广泛，盆地内部工矿企业、煤炭、铁矿等较为集中，农业、工业活动对泉水质量造成了一定程度的影响. 在人类活动较为密集的区域，往往Cl⁻、SO₄²⁻、NO₃⁻离子浓度较高. 受人为输入影响，泉水中Cl⁻/Na⁺和NO₃⁻/Na⁺比值通常会较高^[36]. 如图6（a）所示，在研究区内泉水水样点主要靠近农业活动区域，仅个别岩溶泉水点靠近硅酸盐岩区域，表明在区内泉水受人类活动影响较强，泉水中的NO₃⁻主要来自人类活动影响，盆地周边农业种植发达，污染物可随大气降水、地表水一起渗入地下水进行迁移，进而影响泉水水化学特征. 利用离子比值趋势图（图6（b））可以看出，泉水采样点在Cl⁻/NO₃⁻=1线两侧分布均匀，表明大多数泉水受到了人类生活污染的影响. Cl⁻/SO₄²⁻的值均较小，说明泉水也受到了工业活动的影响. 另外，SO₄²⁻/NO₃⁻的值较小，说明区内泉水还受到了农业污染的影响，与图6（a）相对应.

（1）研究区内泉水pH值在6.6—8.27之间，呈弱碱性. 泉水中阳离子以Ca²⁺为主，其次为Mg²⁺、Na⁺；阴离子以HCO₃⁻为主，其次为SO₄²⁻、NO₃⁻、Cl⁻. Ca²⁺、HCO₃⁻变异系数相对较小，含量比较稳定，SO₄²⁻、Cl⁻、NO₃⁻变异系数较大，表明空间差异变化较大，受其他因素影响明显.

（2）泉水水化学类型差异较小，岩溶泉水主要以HCO₃-Ca型、HCO₃-Ca·Mg型为主，裂隙泉水主要以HCO₃·SO₄-Ca型、HCO₃·SO₄-Ca·Na型为主. 表现出受区内物理性质和人类活动作用影响特征，呈现出局部点状的差异性.

（3）区内泉水化学组分形成的主要控制因素是水与岩土的相互作用，主要包括碳酸盐岩和硅酸盐岩的风化溶解. 岩溶泉水阳离子交换作用相对较弱，裂隙泉水阳离子交换作用相对强烈. 此外，人类活动也对泉水化学组分产生了明显的影响，主要有农业活动、工业活动等. 下一步应建立健全区内名泉水量、水质监测体系；深入研究岩溶水采、补均衡关系，解决供水与保泉矛盾关系，确保泉水持续喷涌.