魯中南典型巖溶水系統地下水污染預警評價

周亞醒，付一夫，扈劍琨，孟憲洲，李晨曦，付慶杰

(1.山東省魯南地質工程勘察院(山東省地勘局第二地質大隊)，山東 濟寧 272100；2.濟寧市巖溶地質重點實驗室，山東 濟寧 272100；3.濟寧市兗州區政務服務中心，山東 濟寧 272100)

0 引言

20世紀80年代以來，由于工業廢水的滲漏、農藥化肥的濫用以及居民生活垃圾的不合理處置等原因，導致地下水污染程度日益加劇[1]，尤其在地下水開采量不斷增大的情況下，污染物容易通過地下水漏斗區域快速滲透、遷移進入地下水中，從而改變地下水環境質量，制約了地下水的可持續開發利用。地下水污染是一個復雜的地球物理化學過程，具有長期性、隱蔽性、復雜性和難恢復性的特點，這使地下水污染治理工作出現難度大、耗資高以及時間長等難題[2]。因此，控制地下水污染最有效的方法是給予及時、有效的預警，使地下水資源的保護具有預見性、針對性和有效性，為地下水資源的可持續利用、保護和管理提供科學依據[3]。當前，國內外對地下水污染預警指標體系的構建方法尚處于探索階段，其中綜合指標法可實現各種方法的優勢互補，在豐富的水文地質數據支撐下，較全面地分析地下水污染現狀、污染過程及演化趨勢，可在一定程度上提高預警結果的可靠性[4]。

1 研究區概況

1.1 水文地質特征

雙村巖溶水系統地處山東省西南部[5]，為一受構造控制的較完整的單斜蓄水構造，面積約451km2。第四系松散層厚度0～200m，由南向北、由東向西逐漸加厚。主要含水介質為寒武紀—奧陶紀碳酸鹽巖，含水介質中發育的地下溶隙、溶孔、溶洞等巖溶通道為巖溶水的儲存和運移提供了良好場所[6]，該含水系統具有滲透系數大、反應速度快、連通性強、統一水面以及平盤升降等強滲透性特征(圖1)[7]。

1.2 地下水開發利用現狀

雙村巖溶地下水開采始于20世紀80年代初期，1983年以來開采量逐年上升，1997年開采量達到27萬m3/d左右，至2015年開采量基本控制在25萬～30萬m3/d之間，2016年以來開采量突破35萬m3/d，現狀(2017年)開采量達到39.848萬m3/d。目前，區內主要建成了唐村、雙村、太陽紙業、北亢阜、謝莊、兩城、西毛堂等7個集中供水水源地，主要供給居民生活和重要工業、大型火電廠生產用水；此外，自2016年開始區內農灌開采也開始大面積開采巖溶地下水。1980—2017年研究區巖溶水開采量見圖2。

1.3 巖溶水水位動態特征

區內巖溶地下水在大氣降水、開采及區域巖溶水系統的共同調節下，呈現出氣象型、氣象-開采型和開采-氣象型等3種不同的動態變化特征，圖2為主排泄區—雙村25-1號孔的多年動態曲線，反應了該區裂隙巖溶地下水的多年動態變化特征。1986年以前，區內巖溶地下水開采量較小，降水量是制約巖溶地下水動態變化的主導因素，為氣象型。1986—2007年，巖溶水開采量迅速增加，水位與天然狀態相比下降約5m，并由此激發了上層孔隙水越流補給、地表水補給以及側向徑流補給，含水系統建立了新的補徑排平衡，為氣象-開采型。2008年以來，在開采量明顯增加的條件下，巖溶水位整體下降明顯，水位標高多在11～14m之間，與天然狀態相比下降約20m，主要接受來自西南部兩城、魯橋一帶的側向徑流補給，開采量是控制地下水位主導因素，降水量具有一定的調節作用，屬開采-氣象型。近年來，隨著開采量的逐漸增大，尤其在多個集中開采水源地相互疊加影響下，研究區地下水水位整體平盤下降，水位標高多在11～13m之間。除大氣降水入滲補給外，還可接收白馬河、上層孔隙水的越流補給，地下水總體由南向北徑流，人工開采是主要排泄方式。

圖2 1982—2017年巖溶地下水多年動態曲線

1.4 巖溶水水化學特征

天然狀態下(1988年以前)，研究區巖溶水開采利用程度低，且受外界干擾影響較小，巖溶水水化學成分簡單，各離子含量較低，水化學類型單一，為HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Mg型水[8]。隨著工農業快速發展，尤其在巖溶水大規模開采條件影響下，地表水、孔隙地下水向巖溶水的補給作用增強，碳酸鹽溶蝕作用加快，巖溶水水質逐漸變差、各離子含量整體升高、水化學類型變復雜，除HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Mg型水，還出現HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg和HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg·Na等較復雜的水化學類型。

2 地下水污染預警模型的建立

本次采用綜合指標法，即綜合考慮地下水水質現狀(L)、地下水水質變化趨勢(S)以及地下水污染風險(R)共同確定地下水污染預警的警度(W)。地下水水質現狀分級與《地下水質量標準》(GB14848—2017)對應，包括5個級別(L1，L2，L3，L4，L5)[9]；地下水水質變化趨勢包括變好、穩定、惡化3個級別(S1，S2，S3)；地下水污染風險分低、中、高3級(R0，R1，R2)。根據這些因素的排列組合，地下水污染預警共計有45種狀態(表1)，W=0為無警、W=1為輕警、W=2為中警、W=3為重警、W=4為巨警。評價區以警度=2(中警)為警戒線，表示地下水水質有發生污染的風險，應該引起注意。

3 地下水污染預警評價

3.1 地下水水質現狀

選取19個代表性水質監測點，根據《地下水質量標準》(GB14848—2017)，采用單因子評價法對地下水水質進行評價(表1)[9]。目前，雙村巖溶水系統內無Ⅰ類水和Ⅱ類水，南部補給區朝陽—黃路屯—官山一帶以及主排泄區蔡家莊—雙村一帶屬于Ⅲ類水，面積為188km2；白馬河中下游沿岸夾道—泉上一帶以及看莊一帶屬于Ⅴ類水，面積為32km2；其他均屬于Ⅳ類水，面積為231km2(圖3)。影響水質的主要因子為總硬度、硫酸鹽、TDS以及硝酸鹽。

表1 地下水污染預警計算表

1—Ⅲ類水分布區；2—Ⅳ類水分布區；3—Ⅴ類水分布區；4—取樣點編號及水質類別；5—地下水質量分區界線

3.2 水質變化趨勢

TDS多年動態變化特征

3.3 地下水污染風險

3.3.1 評價方法與指標的選取

地下水污染是“風險源—污染途徑—受體”的地下水污染過程。雙村巖溶水系統為一個獨立的水文地質單元，具有連通性強、統一水面以及平盤升降等統一的水文地質特征，評價目標受體一致，故風險源和污染途徑是評價地下水污染風險的關鍵因素[10]。風險源指人類工程活動產生的污染，其荷載風險(P)一般取決于污染物種類(K)、污染物排放量(Q)和污染物排放方式(L)，并通過構建的P=KQL評價體系確定風險等級[11]。污染途徑是從污染源到受體的通道，即含水層的脆弱性；COP模型較適合于補給區裸露的淺覆蓋性巖溶發育區[12-13]，研究區南部為基巖裸露的補給區、北部為淺覆蓋層的徑流、排泄區，故采用COP方法進行含水層的脆弱性評價。

3.3.2 污染源荷載風險評價

根據污染物種類、污染物排放量和污染物排放方式，研究區污染物荷載風險包括較高、較低和低等3個級別，魯南化工產業園、鄒縣電廠、白馬河、官山(灰壩)為較高風險區;南部山區基巖裸露區(兩城-看莊)一帶人類工程活動較輕，為低風險區；其他地區主要人類工程活動為農業種植或居民生活，為較低風險區。

3.3.3 含水層脆弱性評價

根據COP指標體系法，結合徑流條件、上覆巖層和降水情況，研究區含水層脆弱性包括高、較高和較低等3個級別(表2)。

表2 研究區含水層脆弱性評價結果

3.3.4 地下水污染風險評價結果

根據含水層脆弱性和污染源荷載風險評價結果，采用風險等級分區矩陣法(表3)，綜合確定研究區地下水污染風險包括高風險區2處、中等風險區4處、低風險區2處。

表3 地下水風險等級分區矩陣表

白馬河是經處理后的工業廢水、礦坑水的納污河流，夾道—泉上段與巖溶水補排關系明顯，為高風險區；其他河段為中等風險區。魯南化工產業園及鄒縣電廠周邊，雖然第四系厚度較大，可起到一定的防污作用，但污染源較多，為中風險區；南部山區及山間地帶基巖裸露或淺埋，起不到防污作用，且官山一帶存在多處灰壩，會對下游地下水產生直接影響，為高風險區；其他地段為中風險區。研究區其他地段一般為農田和村鎮，無大的工業污染源，且上部有一定厚度的第四系，為低風險區(圖5)。

1—污染風險低區；2—污染風險中等區；3—污染風險高區；4—污染風險分區界線

3.4 地下水污染預警結果

根據綜合指標預警方法，利用ArcGIS空間分析功能，研究區地下水污染預警包括中警區和巨警區等2個區(圖6)。

1—中警區;2—巨警區;3—污染預警分區界線

中警區主要分布在南部補給區朝陽—黃路屯—官山一帶以及東北部主排泄區蔡家莊—雙村一帶，面積188km2。朝陽—黃路屯—官山一帶為地下水補給區，第四系松散層厚度0～30m，可直接接受滲漏補給，地下水水質變化趨勢為惡化，巖溶地下水質量為Ⅲ類；蔡家莊—雙村一帶為地下水排泄區，地下水水力坡度較大，地下水水質變化趨勢為惡化，巖溶地下水質量為Ⅲ類。

巨警區主要分布在系統西部兩城—石橋—太平一帶以及中部石墻一帶，面積263km2；該區地處含水系統的主徑流帶，同時也是工礦企業、納污河道等污染源分布區，巖溶地下水水質變化趨勢為惡化，地下水質量為Ⅳ類或Ⅴ類。

4 結論

(1)研究區地下水污染預警為中警區和巨警區。中警區主要分布于南部補給區、東北部排泄區等水力坡度較大的地段，巨警區主要分布于含水系統的主徑流帶等水力坡度較平緩的地段。

(2)工礦企業污水排放是主要污染源，白馬河等地表水體滲漏是主要污染途徑。控制工礦企業廢水排污量，嚴格按照排放標準達標排放，建立完善地下水水質動態監測網絡是控制地下水污染的重要手段。

(3)從水質變化趨勢來看，補給區兩城—魯橋一帶水質惡化程度明顯大于徑流區、排泄區，與本次預警結果得到了較好的對應。