巖溶地下水污染預(yù)警：以山東省劉征水源地為例

陳奐良，王金曉，林廣奇，張文強(qiáng)，滕 躍

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 濟(jì)南 250013；2.山東省地下水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250013)

巖溶地下水是我國重要的飲用水來源之一。據(jù)相關(guān)報(bào)道，我國的巖溶地下水資源量約有2×10m/a，約占總地下水資源量的1/4。巖溶地下含水層具有隱蔽性和埋藏分布復(fù)雜性等特點(diǎn)。針對(duì)日益嚴(yán)重的地下水污染問題，有學(xué)者提出了“以防為主、防治結(jié)合、防重于治”的管理策略，也就是通過預(yù)警模型對(duì)地下水污染的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行及時(shí)預(yù)測(cè)， 在地下水水質(zhì)惡化前發(fā)出警報(bào)，為制定地下水資源的科學(xué)管理措施提供依據(jù)。因此，地下水污染預(yù)警已成為保護(hù)地下水資源的一個(gè)重要手段。

我國地下水污染預(yù)警的概念最早可以追溯到2000年，由趙勇勝提出并以GIS為平臺(tái)開發(fā)了地下水污染預(yù)警信息系統(tǒng)；洪梅等研究了以地下水水質(zhì)作為主要指標(biāo)的地下水污染預(yù)警模型；張偉紅將地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、地下水水質(zhì)變化趨勢(shì)和地下水污染風(fēng)險(xiǎn)結(jié)合起來，提出了地下水污染預(yù)警的警戒線；Jamin等將SEQESO、GMS、GIS三者聯(lián)用進(jìn)行了地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)預(yù)警;Naddeo等使用意大利地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)將水體中單種污染組分劃分為5 個(gè)等級(jí)，并根據(jù)系列數(shù)據(jù)中的最小值、達(dá)25%值、中值、達(dá)75%值和最大值對(duì)河流水質(zhì)污染進(jìn)行了預(yù)警。

綜上可見，前人對(duì)地下水污染預(yù)警的研究大多是單獨(dú)基于地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)或針對(duì)含水層本身的防污性能評(píng)價(jià)，綜合考慮地下水水質(zhì)、水文地質(zhì)參數(shù)和污染源進(jìn)行分析的研究較少，而針對(duì)巖溶地下水污染預(yù)警的研究更加少見。為此，本文針對(duì)巖溶地下含水層的特點(diǎn)，將地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與水文地質(zhì)參數(shù)、污染源分析相結(jié)合，選用合適的評(píng)價(jià)參數(shù)和模型，構(gòu)建了完整的巖溶地下水污染預(yù)警評(píng)價(jià)模型，并應(yīng)用該評(píng)價(jià)模型對(duì)山東省劉征水源地開展了地下水污染預(yù)警實(shí)例研究，以為當(dāng)?shù)刂贫ǖ叵滤廴痉乐闻c風(fēng)險(xiǎn)管控措施提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處山東省中部，行政區(qū)劃屬淄博市，研究范圍為永流水源地、大武水源地、劉征水源地、黑旺水源地和北下冊(cè)水源地周邊地區(qū)，見圖1。根據(jù)已有氣象資料以及前人的研究結(jié)果可知，研究區(qū)地處中緯度地區(qū)，屬暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年(1971—2015年)平均氣溫為12.8℃，平均蒸發(fā)量為1 804 mm，平均降水量為633.9 mm。永流水源地一帶不屬于水源地保護(hù)區(qū)，大武、黑旺、北下冊(cè)水源地一帶屬于水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)，劉征水源地一帶屬于水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the geographical location of the study area

研究區(qū)內(nèi)地層由南向北呈現(xiàn)新近系、奧陶系、第四系巖性，中部南北向分布著淄河斷裂帶，是淄博盆地規(guī)模最大的一組斷裂構(gòu)造，總體走向NE35°，主斷裂傾向SE，傾角為60°～70°，平面延伸長(zhǎng)度達(dá)60 km，水平斷距為13 km。

根據(jù)已有水文資料，研究區(qū)水文地質(zhì)分區(qū)屬于淄河地塹及太河水庫上游單斜構(gòu)造水文地質(zhì)小區(qū)，主要富水類型為碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，中部南北水源地一帶具有強(qiáng)富水性，單井涌水量大于1 000 m/d，局部水源地中心如大武、劉征水源地單井涌水量大于5 000 m/d。

2 巖溶地下水污染預(yù)警評(píng)價(jià)模型

通過對(duì)國內(nèi)外已有的地下水污染預(yù)警方面的理論和技術(shù)方法進(jìn)行對(duì)比分析，確定以地下水污染風(fēng)險(xiǎn)、水文地質(zhì)條件、污染源特征、地層介質(zhì)防護(hù)性能和污染物遷移轉(zhuǎn)化特征等作為巖溶地下水污染預(yù)警評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基本要素，并構(gòu)建了巖溶地下水污染預(yù)警評(píng)價(jià)體系的技術(shù)框架，將地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、地下水水質(zhì)變化趨勢(shì)和地下水污染風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)指標(biāo)的不同等級(jí)排列組合，綜合劃分為5個(gè)地下水污染預(yù)警等級(jí)。基于GIS平臺(tái)，運(yùn)用軟件的疊加分析功能和組合矩陣法，構(gòu)建了巖溶地下水污染多因素耦合的預(yù)警評(píng)價(jià)模型，具體技術(shù)框架見圖2。

圖2 巖溶地下水污染預(yù)警評(píng)價(jià)模型Fig.2 Early warning evaluation system for karst groundwater contamination

2.1 地下水水質(zhì)污染現(xiàn)狀與變化趨勢(shì)評(píng)價(jià)方法

對(duì)比不同地下水水質(zhì)分析方法，并結(jié)合已有地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)資料，本文選用綜合指數(shù)法作為研究區(qū)巖溶地下水水質(zhì)污染評(píng)價(jià)方法，這與我國《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中的評(píng)價(jià)方法一致，并規(guī)定地下水水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果按單指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果的最高類別確定。

在實(shí)際應(yīng)用研究中，使用巖溶地下水水質(zhì)污染預(yù)警評(píng)價(jià)模型對(duì)地下水水質(zhì)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過分析系列地下水水質(zhì)預(yù)測(cè)方法，根據(jù)已有地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)，本文采用時(shí)間序列分析方法，利用研究區(qū)多年地下水水質(zhì)觀測(cè)數(shù)據(jù)資料來分析地下水水質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化情況，并預(yù)測(cè)未來地下水水質(zhì)進(jìn)而判斷地下水水質(zhì)的變化趨勢(shì)。

2.2 巖溶地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

人類生產(chǎn)、生活產(chǎn)生的污染以及巖溶含水層的固有脆弱性共同構(gòu)成了巖溶地下水污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文提出采用以下3個(gè)主要指標(biāo)來評(píng)價(jià)巖溶地下水受污染的風(fēng)險(xiǎn)程度：巖溶含水層的固有脆弱性指數(shù)(

V

)、污染源荷載風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)(

P

)、巖溶地下水污染危害性綜合指數(shù)(

H

)。巖溶地下水污染風(fēng)險(xiǎn)程度評(píng)估的疊加方法如下：

RII=P

/

V

(1)

R=RII

×

H

(2)

式中：

RII

為巖溶地下水污染風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度指數(shù)；

P

為污染源荷載風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)；

V

為巖溶含水層的固有脆弱性指數(shù)；

R

為巖溶地下水污染風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)；

H

為巖溶地下水污染危害性綜合指數(shù)。

2.2.1 巖溶含水層的固有脆弱性評(píng)價(jià)方法

含水層的固有脆弱性是自然條件下含水層在有污染發(fā)生時(shí)表現(xiàn)出的內(nèi)部固有敏感屬性，可以反映地下水受到污染的難易程度。針對(duì)研究區(qū)巖溶含水層的實(shí)際情況，對(duì)比已有的COP、EPIK和PI模型等含水層脆弱性評(píng)價(jià)模型的適用條件，選擇COP模型作為本研究區(qū)巖溶含水層的固有脆弱性評(píng)價(jià)模型。巖溶含水層的固有脆弱性評(píng)價(jià)因子包括徑流因子

C

、上覆巖層因子

O

和大氣降水因子

P

，COP模型采用

C

、

O

、

P

3個(gè)評(píng)價(jià)因子的乘積來評(píng)價(jià)含水層的固有脆弱性，其評(píng)價(jià)模型如下：COP=

C

×

O

×

P

(3)

將COP值即巖溶含水層的固有脆弱性指數(shù)劃分為5個(gè)等級(jí)來定義巖溶含水層的脆弱性，見表1。

表1 巖溶含水層的固有脆弱性等級(jí)劃分Table 1 Karst aquifer inherent vulnerability classclassification

2.2.2 污染源荷載風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

從實(shí)際情況出發(fā)，創(chuàng)建了由污染物釋放的可能性

L

(有無泄漏、有無防護(hù)措施)、污染物產(chǎn)生量

Q

、污染源種類

K

(包括衰減能力、毒性和遷移性等)3個(gè)指標(biāo)組成的污染源荷載風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。建立的污染源荷載風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型如下：

P=L

×

Q

×

K

(4)

式中：

P

為單個(gè)潛在污染源荷載風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)

(

無量綱

)

；

L

為污染物釋放的可能性等級(jí)指標(biāo)劃分

(

無量綱

)

；

Q

為污染物產(chǎn)生量等級(jí)指標(biāo)劃分

(

無量綱

)

；

K

為潛在污染源類型的等級(jí)指標(biāo)劃分

(

無量綱

)

。

2.2.3 巖溶地下水污染危害性評(píng)價(jià)方法

巖溶地下水污染危害性是指巖溶地下水受到污染后造成的危害程度，主要由巖溶含水層富水性和巖溶地下水水源保護(hù)區(qū)等級(jí)來確定。建立的巖溶地下水污染危害性評(píng)價(jià)模型如下：

H=Ur

×

Vr

(5)

式中：

H

為巖溶地下水污染危害性綜合指數(shù)(無量綱)；

Ur

為巖溶地下水水源保護(hù)區(qū)等級(jí)指標(biāo)劃分(無量綱)；

Vr

為巖溶含水層富水性等級(jí)指標(biāo)劃分(無量綱)。

2.3 巖溶地下水污染預(yù)警評(píng)價(jià)方法

將地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、地下水水質(zhì)變化趨勢(shì)和地下水污染風(fēng)險(xiǎn)結(jié)合起來，對(duì)研究區(qū)巖溶地下水污染進(jìn)行預(yù)警分析，并劃分預(yù)警等級(jí)進(jìn)而得到地下水污染預(yù)警的警度，即利用地下水水質(zhì)現(xiàn)狀

L

、地下水水質(zhì)變化趨勢(shì)

S

、地下水污染風(fēng)險(xiǎn)

R

三者共同確定地下水污染預(yù)警的警度

W

。地下水水質(zhì)現(xiàn)狀

L

按照我國《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)分為5級(jí)；地下水水質(zhì)變化趨勢(shì)

S

分為3級(jí)，分別為變好、穩(wěn)定、惡化；地下水污染風(fēng)險(xiǎn)

R

分為3級(jí)，分別為低、中、高。巖溶地下水污染預(yù)警的3個(gè)變量共計(jì)有45種組合狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)不同的警度

W

(見表2)，其中將警度

W=

2時(shí)設(shè)為地下水水質(zhì)發(fā)生污染的臨界值，警度

W>

2時(shí)表明研究區(qū)地下水水質(zhì)可能發(fā)生了污染，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此區(qū)域地下水水質(zhì)。

表2 巖溶地下水污染預(yù)警等級(jí)劃分對(duì)照表Table 2 Comparison of karst groundwater contamination early warning grades

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)巖溶地下水水質(zhì)現(xiàn)狀與變化趨勢(shì)分析

本文利用研究區(qū)現(xiàn)有地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)資料，按《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)對(duì)劉征水源地2015年水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行地下水質(zhì)量分析，得到劉征水源地巖溶地下水水質(zhì)等級(jí)分區(qū)，見圖3。

圖3 研究區(qū)巖溶地下水水質(zhì)等級(jí)分區(qū)圖Fig.3 Zoning map of status of karst groundwater quality grade in the study area

由圖3可見，研究區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)現(xiàn)狀為Ⅲ類水和Ⅳ類水占主體，Ⅱ類水?dāng)?shù)量較少。

另外，利用劉征水源地2008—2015年共8年的地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)，運(yùn)用地下水污染預(yù)警軟件(GWQEW)對(duì)2016年地下水水質(zhì)狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而利用2008—2016年地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)分析地下水水質(zhì)的變化趨勢(shì)，得到劉征水源地巖溶地下水水質(zhì)變化趨勢(shì)分區(qū)，見圖4。

圖4 研究區(qū)巖溶地下水水質(zhì)變化趨勢(shì)分區(qū)圖Fig.4 Zoning map of trends in karst groundwater quality in the study area

由圖4可見，研究區(qū)內(nèi)26.0%的區(qū)域巖溶地下水水質(zhì)呈變好趨勢(shì)，主要分布在大武水源地和永流水源地一帶；43.8%的區(qū)域巖溶地下水水質(zhì)基本不變，主要分布在劉征水源地以北和北下冊(cè)水源地及其東北一帶；30.2%的區(qū)域巖溶地下水水質(zhì)呈變差趨勢(shì)，主要分布在劉征—黑旺水源地中部一帶。

3.2 研究區(qū)巖溶地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

3.2.1 研究區(qū)巖溶含水層的固有脆弱性評(píng)價(jià)

本文利用已構(gòu)建的巖溶含水層COP模型對(duì)研究區(qū)巖溶含水層的固有脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，即使用ArcGIS軟件的插值分析得到研究區(qū)巖溶含水層的固有脆弱性分區(qū)，見圖5。

圖5 研究區(qū)巖溶含水層的固有脆弱性分區(qū)圖Fig.5 Zoning map of inherent vulnerability index of karst aquifers in the study area

由圖5可見，研究區(qū)內(nèi)0.4%的區(qū)域巖溶含水層的固有脆弱性很高，4.2%的區(qū)域巖溶含水層的固有脆弱性較高，49.9%的區(qū)域巖溶含水層的固有脆弱性中等，26.5%的區(qū)域巖溶含水層的固有脆弱性較低，20.0%的區(qū)域巖溶含水層的固有脆弱性很低；大武水源地南部、劉征水源地西南部和北下冊(cè)水源地北部一帶巖溶含水層的固有脆弱性較高，說明含水層本身的抗污能力較弱。

3.2.2 研究區(qū)污染源荷載風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)有劉征水源地地下水水質(zhì)資料，此次研究只考慮齊魯石化熱電廠灰場(chǎng)一個(gè)工業(yè)點(diǎn)源污染，其每年灰水排放量為360×10t，因此

K

值取7，相應(yīng)的

Q

值取2，

L

值取0.9，根據(jù)公式(4)計(jì)算得到該工業(yè)污染源荷載風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)

P

值為12.6。巖溶含水層中地下水的流動(dòng)不可忽視，故其點(diǎn)源污染也會(huì)在其附近形成一定的污染區(qū)域，本文采用下游遷移綜合指數(shù)

F

確定點(diǎn)源污染形成的水滴形污染區(qū)域長(zhǎng)軸與短軸的數(shù)值，并綜合考慮點(diǎn)源位置的富水性、水力梯度以及巖溶發(fā)育情況，確定點(diǎn)源沿水流方向和垂直水流方向形成的污染擴(kuò)散范圍18，最終確定其

F

<10，因此該點(diǎn)源沿水流方向形成的污染擴(kuò)散距離為1 000 m，垂直水流方向形成的污染擴(kuò)散距離為300 m。研究區(qū)已有的污染源荷載風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)分區(qū)，見圖6。其中，齊魯石化熱電廠灰場(chǎng)周圍存在水滴形污染區(qū)域，其余地區(qū)由于沒有污染源數(shù)據(jù)資料故本次不做污染源荷載風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

圖6 研究區(qū)污染源荷載風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)分區(qū)圖Fig.6 Zoning map of contamination source loading risk evaluation index in the study area

3.2.3 研究區(qū)巖溶地下水污染危害性評(píng)價(jià)

將收集到的研究區(qū)巖溶含水層富水性和巖溶地下水水源保護(hù)區(qū)等級(jí)指標(biāo)劃分進(jìn)行疊加后，得到研究區(qū)巖溶地下水污染危害性綜合指數(shù)分區(qū)，見圖7。

圖7 研究區(qū)巖溶地下水污染危害性綜合指數(shù)分區(qū)圖Fig.7 Zoning map of karst groundwater contamination hazardous comprehensive index in the study area

由圖7可見，研究區(qū)巖溶地下水污染危害性綜合指數(shù)較高的地區(qū)位于巖溶含水層的富水性較好的區(qū)域，且處于保護(hù)區(qū)的地下水源地一帶，其地下水受到污染時(shí)更易影響地下水水質(zhì)以及居民生活安全。

3.2.4 研究區(qū)巖溶地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

研究區(qū)巖溶地下水污染風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)

R

分區(qū)，見圖8。

圖8 研究區(qū)巖溶地下水污染風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)分區(qū)圖Fig.8 Zoning map of karst groundwater contamination risk comprehesive index in the study area

由圖8可見，研究區(qū)內(nèi)99.86%的區(qū)域巖溶地下水污染為低風(fēng)險(xiǎn)，0.12%的區(qū)域巖溶地下水污染為中風(fēng)險(xiǎn)，0.02%的區(qū)域巖溶地下水污染為高風(fēng)險(xiǎn)；巖溶地下水污染風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)(

R

)為中和高的地區(qū)主要分布在齊魯石化熱電廠灰場(chǎng)附近，由于其他區(qū)域無污染源，故整體上看研究區(qū)巖溶地下水污染風(fēng)險(xiǎn)程度較低。

3.3 研究區(qū)巖溶地下水污染預(yù)警評(píng)價(jià)

基于研究區(qū)巖溶地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、地下水水質(zhì)變化趨勢(shì)和地下水污染風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果，借助ArcGIS空間分析功能，可得到研究區(qū)巖溶地下水污染的預(yù)警結(jié)果，見圖9。

圖9 研究區(qū)巖溶地下水污染預(yù)警結(jié)果Fig.9 Early warning result of karst groundwater contamination in the study area

由圖9可見，研究區(qū)內(nèi)17.3%的區(qū)域巖溶地下水污染為無警，主要分布在永流水源地以及大武水源地東部、北下冊(cè)水源地以北一帶；34.3%的區(qū)域巖溶地下水污染為輕警，主要分布在劉征水源地北部、北下冊(cè)水源地周邊一帶；28.4%的區(qū)域巖溶地下水污染為中警，主要分布在劉征—黑旺水源地中部一帶；18.0%的區(qū)域巖溶地下水污染為重警，主要分布在大武水源地以南一帶；2.0%的區(qū)域巖溶地下水水質(zhì)污染為巨警，少量分布在劉征水源地周邊地區(qū)。

4 結(jié) 論

(1) 針對(duì)研究區(qū)巖溶地下水的實(shí)際水文地質(zhì)條件和地下水水質(zhì)狀況，將地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)和水文地質(zhì)參數(shù)、污染源分析相結(jié)合，并綜合考慮地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、地下水水質(zhì)變化趨勢(shì)和地下水污染風(fēng)險(xiǎn)三個(gè)方面，構(gòu)建了巖溶地下水污染預(yù)警評(píng)價(jià)模型，最終將巖溶地下水污染預(yù)警級(jí)別即警度劃分為5個(gè)等級(jí)，并設(shè)置了警度臨界值，以作為是否優(yōu)先采取地下水污染防護(hù)措施的依據(jù)。

(2) 應(yīng)用已建立的巖溶地下水污染預(yù)警評(píng)價(jià)模型對(duì)山東省劉征水源地的地下水污染現(xiàn)狀、地下水污染變化趨勢(shì)和地下水污染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：研究區(qū)地下水水質(zhì)現(xiàn)狀主要以Ⅲ類水和Ⅳ類水為主，劉征—黑旺水源地中部一帶地下水水質(zhì)變差，齊魯石化熱電廠灰場(chǎng)附近地下水污染風(fēng)險(xiǎn)較高，為該地區(qū)提供了準(zhǔn)確的地下水污染評(píng)價(jià)結(jié)果以及存在地下水污染高風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域位置。

(3) 應(yīng)用本文建立的巖溶地下水污染預(yù)警評(píng)價(jià)模型對(duì)劉征水源地進(jìn)行巖溶地下水污染預(yù)警實(shí)例研究，結(jié)果顯示：大武水源地和劉征水源地東西兩側(cè)周邊地區(qū)巖溶地下水污染屬于重警和巨警，應(yīng)優(yōu)先對(duì)以上區(qū)域進(jìn)行地下水污染防護(hù)與修復(fù)，并以修復(fù)為主、監(jiān)測(cè)為輔，阻斷污染源頭，即對(duì)地下水污染超標(biāo)組分進(jìn)行修復(fù)，對(duì)其余地區(qū)則以地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)為主，從而防止地下水水質(zhì)進(jìn)一步惡化。