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(zhì)工程勘察院(山東省地勘局第二地質(zhì)大隊)，山東 濟(jì)寧 272100；2.濟(jì)寧市巖溶地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗室，山東 濟(jì)寧 272100；3.濟(jì)寧市兗州區(qū)政務(wù)服務(wù)中心，山東 濟(jì)寧 272100)

0 引言

20世紀(jì)80年代以來，由于工業(yè)廢水的滲漏、農(nóng)藥化肥的濫用以及居民生活垃圾的不合理處置等原因，導(dǎo)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(qū)域快速滲透、遷移進(jìn)入地下水中，從而改變地下水環(huán)境質(zhì)量，制約了地下水的可持續(xù)開發(fā)利用。地下水污染是一個復(fù)雜的地球物理化學(xué)過程，具有長期性、隱蔽性、復(fù)雜性和難恢復(fù)性的特點(diǎn)，這使地下水污染治理工作出現(xiàn)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(yù)警，使地下水資源的保護(hù)具有預(yù)見性、針對性和有效性，為地下水資源的可持續(xù)利用、保護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)[3]。當(dāng)前，國內(nèi)外對地下水污染預(yù)警指標(biāo)體系的構(gòu)建方法尚處于探索階段，其中綜合指標(biāo)法可實(shí)現(xiàn)各種方法的優(yōu)勢互補(bǔ)，在豐富的水文地質(zhì)數(shù)據(jù)支撐下，較全面地分析地下水污染現(xiàn)狀、污染過程及演化趨勢，可在一定程度上提高預(yù)警結(jié)果的可靠性[4]。

1 研究區(qū)概況

1.1 水文地質(zhì)特征

雙村巖溶水系統(tǒng)地處山東省西南部[5]，為一受構(gòu)造控制的較完整的單斜蓄水構(gòu)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(zhì)為寒武紀(jì)—奧陶紀(jì)碳酸鹽巖，含水介質(zhì)中發(fā)育的地下溶隙、溶孔、溶洞等巖溶通道為巖溶水的儲存和運(yùn)移提供了良好場所[6]，該含水系統(tǒng)具有滲透系數(shù)大、反應(yīng)速度快、連通性強(qiáng)、統(tǒng)一水面以及平盤升降等強(qiáng)滲透性特征(圖1)[7]。

1.2 地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀

雙村巖溶地下水開采始于20世紀(jì)80年代初期，1983年以來開采量逐年上升，1997年開采量達(dá)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(xiàn)狀(2017年)開采量達(dá)到39.848萬m3/d。目前，區(qū)內(nèi)主要建成了唐村、雙村、太陽紙業(yè)、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(yè)、大型火電廠生產(chǎn)用水；此外，自2016年開始區(qū)內(nèi)農(nóng)灌開采也開始大面積開采巖溶地下水。1980—2017年研究區(qū)巖溶水開采量見圖2。

1.3 巖溶水水位動態(tài)特征

區(qū)內(nèi)巖溶地下水在大氣降水、開采及區(qū)域巖溶水系統(tǒng)的共同調(diào)節(jié)下，呈現(xiàn)出氣象型、氣象-開采型和開采-氣象型等3種不同的動態(tài)變化特征，圖2為主排泄區(qū)—雙村25-1號孔的多年動態(tài)曲線，反應(yīng)了該區(qū)裂隙巖溶地下水的多年動態(tài)變化特征。1986年以前，區(qū)內(nèi)巖溶地下水開采量較小，降水量是制約巖溶地下水動態(tài)變化的主導(dǎo)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(tài)相比下降約5m，并由此激發(fā)了上層孔隙水越流補(bǔ)給、地表水補(bǔ)給以及側(cè)向徑流補(bǔ)給，含水系統(tǒng)建立了新的補(bǔ)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(biāo)高多在11～14m之間，與天然狀態(tài)相比下降約20m，主要接受來自西南部兩城、魯橋一帶的側(cè)向徑流補(bǔ)給，開采量是控制地下水位主導(dǎo)因素，降水量具有一定的調(diào)節(jié)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(qū)地下水水位整體平盤下降，水位標(biāo)高多在11～13m之間。除大氣降水入滲補(bǔ)給外，還可接收白馬河、上層孔隙水的越流補(bǔ)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(tài)曲線

1.4 巖溶水水化學(xué)特征

天然狀態(tài)下(1988年以前)，研究區(qū)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(xué)成分簡單，各離子含量較低，水化學(xué)類型單一，為HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Mg型水[8]。隨著工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，尤其在巖溶水大規(guī)模開采條件影響下，地表水、孔隙地下水向巖溶水的補(bǔ)給作用增強(qiáng)，碳酸鹽溶蝕作用加快，巖溶水水質(zhì)逐漸變差、各離子含量整體升高、水化學(xué)類型變復(fù)雜，除HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Mg型水，還出現(xiàn)HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg和HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg·Na等較復(fù)雜的水化學(xué)類型。

2 地下水污染預(yù)警模型的建立

本次采用綜合指標(biāo)法，即綜合考慮地下水水質(zhì)現(xiàn)狀(L)、地下水水質(zhì)變化趨勢(S)以及地下水污染風(fēng)險(R)共同確定地下水污染預(yù)警的警度(W)。地下水水質(zhì)現(xiàn)狀分級與《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB14848—2017)對應(yīng)，包括5個級別(L1，L2，L3，L4，L5)[9]；地下水水質(zhì)變化趨勢包括變好、穩(wěn)定、惡化3個級別(S1，S2，S3)；地下水污染風(fēng)險分低、中、高3級(R0，R1，R2)。根據(jù)這些因素的排列組合，地下水污染預(yù)警共計有45種狀態(tài)(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(qū)以警度=2(中警)為警戒線，表示地下水水質(zhì)有發(fā)生污染的風(fēng)險，應(yīng)該引起注意。

3 地下水污染預(yù)警評價

3.1 地下水水質(zhì)現(xiàn)狀

選取19個代表性水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)，根據(jù)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB14848—2017)，采用單因子評價法對地下水水質(zhì)進(jìn)行評價(表1)[9]。目前，雙村巖溶水系統(tǒng)內(nèi)無Ⅰ類水和Ⅱ類水，南部補(bǔ)給區(qū)朝陽—黃路屯—官山一帶以及主排泄區(qū)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(zhì)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(yù)警計算表

1—Ⅲ類水分布區(qū)；2—Ⅳ類水分布區(qū)；3—Ⅴ類水分布區(qū)；4—取樣點(diǎn)編號及水質(zhì)類別；5—地下水質(zhì)量分區(qū)界線

3.2 水質(zhì)變化趨勢

TDS多年動態(tài)變化特征

3.3 地下水污染風(fēng)險

3.3.1 評價方法與指標(biāo)的選取

地下水污染是“風(fēng)險源—污染途徑—受體”的地下水污染過程。雙村巖溶水系統(tǒng)為一個獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，具有連通性強(qiáng)、統(tǒng)一水面以及平盤升降等統(tǒng)一的水文地質(zhì)特征，評價目標(biāo)受體一致，故風(fēng)險源和污染途徑是評價地下水污染風(fēng)險的關(guān)鍵因素[10]。風(fēng)險源指人類工程活動產(chǎn)生的污染，其荷載風(fēng)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(gòu)建的P=KQL評價體系確定風(fēng)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(bǔ)給區(qū)裸露的淺覆蓋性巖溶發(fā)育區(qū)[12-13]，研究區(qū)南部為基巖裸露的補(bǔ)給區(qū)、北部為淺覆蓋層的徑流、排泄區(qū)，故采用COP方法進(jìn)行含水層的脆弱性評價。

3.3.2 污染源荷載風(fēng)險評價

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

3.3.3 含水層脆弱性評價

根據(jù)COP指標(biāo)體系法，結(jié)合徑流條件、上覆巖層和降水情況，研究區(qū)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(qū)含水層脆弱性評價結(jié)果

3.3.4 地下水污染風(fēng)險評價結(jié)果

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

表3 地下水風(fēng)險等級分區(qū)矩陣表

白馬河是經(jīng)處理后的工業(yè)廢水、礦坑水的納污河流，夾道—泉上段與巖溶水補(bǔ)排關(guān)系明顯，為高風(fēng)險區(qū)；其他河段為中等風(fēng)險區(qū)。魯南化工產(chǎn)業(yè)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(fēng)險區(qū)；南部山區(qū)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(chǎn)生直接影響，為高風(fēng)險區(qū)；其他地段為中風(fēng)險區(qū)。研究區(qū)其他地段一般為農(nóng)田和村鎮(zhèn)，無大的工業(yè)污染源，且上部有一定厚度的第四系，為低風(fēng)險區(qū)(圖5)。

1—污染風(fēng)險低區(qū)；2—污染風(fēng)險中等區(qū)；3—污染風(fēng)險高區(qū)；4—污染風(fēng)險分區(qū)界線

3.4 地下水污染預(yù)警結(jié)果

根據(jù)綜合指標(biāo)預(yù)警方法，利用ArcGIS空間分析功能，研究區(qū)地下水污染預(yù)警包括中警區(qū)和巨警區(qū)等2個區(qū)(圖6)。

1—中警區(qū);2—巨警區(qū);3—污染預(yù)警分區(qū)界線

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

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

4 結(jié)論

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

(2)工礦企業(yè)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?？刂乒さV企業(yè)廢水排污量，嚴(yán)格按照排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)排放，建立完善地下水水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是控制地下水污染的重要手段。

(3)從水質(zhì)變化趨勢來看，補(bǔ)給區(qū)兩城—魯橋一帶水質(zhì)惡化程度明顯大于徑流區(qū)、排泄區(qū)，與本次預(yù)警結(jié)果得到了較好的對應(yīng)。