張海濤，劉文靜，傅玲子，劉 葉，寇明月

(中國石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東 東營 257000)

著名的四大泉群分布在濟(jì)南泉域內(nèi)，是濟(jì)南市內(nèi)最著名的旅游景點(diǎn)之一。在濟(jì)南市內(nèi)每天都有約一萬多的濟(jì)南人在飲用著泉水，一旦泉水水質(zhì)嚴(yán)重下降，不僅會(huì)損害濟(jì)南市泉城的城市形象，而且將構(gòu)成嚴(yán)重的供水安全威脅。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，濟(jì)南市四大泉群泉水常規(guī)離子污染呈明顯惡化趨勢(shì)，其中硝酸鹽、硫酸根離子、氯離子以及溶解性總固體等生活飲用水常規(guī)指標(biāo)含量較上世紀(jì)50年代有著明顯的增加，摸清濟(jì)南泉域不同區(qū)域防污能力，對(duì)濟(jì)南泉域地下水污染的分區(qū)治理和調(diào)控具有非常重要的意義。

影響地下水防污能力的因素有很多，主要包括：自然因素的影響和人為因素的影響[1]。前者主要包括坡度、氣象條件、土壤性質(zhì)及含水層性質(zhì)等；后者包括地面覆蓋、地下水開采、人口密度及污染源特征等。在進(jìn)行防污性能評(píng)價(jià)時(shí)采用的指標(biāo)越多，相應(yīng)的工作量也就越大；有些指標(biāo)在進(jìn)行大范圍的評(píng)價(jià)中難以獲得真實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；指標(biāo)與指標(biāo)之間容易相互摻雜，以致重復(fù)使用。所以，地下水防污能力評(píng)價(jià)的關(guān)鍵就是建立科學(xué)的指標(biāo)體系。地下水防污性能評(píng)價(jià)所采用的常用評(píng)價(jià)方法都是以研究目的、評(píng)價(jià)區(qū)域范圍、水文地質(zhì)條件、自然地理背景及人類影響等方面綜合考慮，進(jìn)而確定評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法。

1 濟(jì)南泉域概況

濟(jì)南泉域位于泰山穹隆的北翼，總體上是一個(gè)以古生代地層為主體向北傾斜的單斜構(gòu)造。濟(jì)南泉域由南向北依次出露的地層包括：新太古界泰山巖群、寒武系、奧陶系。

濟(jì)南泉域巖溶地下水主要賦存和運(yùn)移于寒武系中統(tǒng)張夏組、上統(tǒng)鳳山組和奧陶系石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r的巖溶裂隙內(nèi)。由于該類巖石巖溶裂隙發(fā)育良好，且彼此相互連通，有利于地下水的補(bǔ)給、徑流和富集，在重力作用下，形成一個(gè)具有統(tǒng)一水面的含水體。

從巖溶地下水的補(bǔ)給、徑流以及排泄條件來看，濟(jì)南泉域內(nèi)存在著雨水、地表水與地下水之間的相互轉(zhuǎn)化。大氣降水一部分形成表流，一部分直接下滲進(jìn)入地下含水層；部分地下水又以裂隙下降泉的方式排泄進(jìn)入地表水，“三水”轉(zhuǎn)化關(guān)系既明顯又復(fù)雜。

2 防污性能評(píng)價(jià)方法

2.1 DRASTIC模型

地下水防污性能評(píng)價(jià)采用最多的方法就是 DRASTIC 模型。DRASTIC 模型是針對(duì)第四系松散巖類孔隙水而開發(fā)，該方法更適合大尺度淺層地下水防污評(píng)價(jià)[2-3]。DRASTIC 模型考慮的影響因素主要包括含水層埋深(D)、凈補(bǔ)給量(R)、含水層介質(zhì)類型(A)、土壤介質(zhì)類型(S)、坡度(T)、包氣帶介質(zhì)類型(I)、含水層滲透系數(shù)(C)。評(píng)價(jià)綜合指數(shù)計(jì)算公式如(1)所示：

EI=QD·WD+QR·WR+QA·WA+QS·WS+QT·WT+QI·WI+QC·WC

(1)

式中，EI 為評(píng)價(jià)綜合指數(shù)；Q、W 分別是各參數(shù)的分級(jí)及相應(yīng)的權(quán)重。

國內(nèi)外許多學(xué)者也嘗試應(yīng)用該模型對(duì)巖溶地下水防污性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，但評(píng)價(jià)結(jié)果并不理想[4]。其原因主要是DRASTIC 模型針對(duì)的是淺層地下水的防污能力的評(píng)價(jià)，未能考慮巖溶含水層的特殊性(巖溶含水層的“二元”特點(diǎn)，以及落水洞、漏斗及天窗等對(duì)防污性能的影響)；該模型也很難處理特殊的巖溶含水層。

2.2 EPIK模型

EPIK模型的開發(fā)是針對(duì)于巖溶區(qū)域地下水防污能力的評(píng)價(jià)，該模型綜合考慮了“ 落水洞集中入滲”等因素。EPIK模型考慮的影響因素主要包括表層巖溶帶性質(zhì)(E)、保護(hù)層特征(P)、降雨入滲條件(I )及巖溶管道發(fā)育條件(K)。E因子用來表征表層巖溶帶中降水的儲(chǔ)存和運(yùn)移情況；I因子主要考慮坡度和土地利用等因素的影響；保護(hù)層因子表征從地表到巖溶地下水位之間的覆蓋層對(duì)地下水防污能力的影響；巖溶管道發(fā)育狀況因子表征巖溶含水層中巖溶網(wǎng)絡(luò)發(fā)育條件。

由于循環(huán)冷卻水占工業(yè)用水的比例很大，所以節(jié)約循環(huán)冷卻水的新鮮水用量，可極大地緩解我國水資源短缺的矛盾，減少污水排放，可減輕周邊環(huán)境的水體污染狀況，這對(duì)保證環(huán)境經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，改善人居環(huán)境狀況有著重要的意義[2]。

EPIK模型評(píng)價(jià)結(jié)果(9～34)數(shù)值越大，巖溶地下水防污能力越強(qiáng)。具體計(jì)算公式如(2)所示：

F=WE·QE+WP·QP+WI·QI+WK·QK

(2)

其中：Q為各個(gè)因子的評(píng)分；W為各個(gè)因子的權(quán)重。

2.3 PI模型

PI 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)體系主要包括：保護(hù)層因子(P) 和徑流因子(I)。保護(hù)層因子表征從地表到地下水位之間的覆蓋層對(duì)地下水防污能力的影響；徑流因子描述巖溶地下水的徑流特征，I因子表征通過落水洞與漏斗快速補(bǔ)給巖溶地下水的情況[5]。其計(jì)算方法為P因子和I因子的乘積。評(píng)價(jià)結(jié)果取值越小，巖溶地下水防污能力越弱。

保護(hù)層因子(P)根據(jù)公式(3)計(jì)算得出:

PTS=[T+(∑i=1mSi·Mi+∑j=1nBj·Mj)]·R+A

(3)

式中:T為地表土壤層厚度指數(shù)；S為各層土壤類型屬性值；B為各覆蓋層基巖因子(由巖性因子L與構(gòu)造因子F決定)；M為各覆蓋層厚度；R為年均補(bǔ)給量指數(shù)；A為壓力常數(shù)。

徑流因子(I)的影響因素主要包括：地表植被覆蓋、地形坡度、地表與低滲層間距離、水力傳導(dǎo)系數(shù)、落水洞及地下暗河等。

評(píng)價(jià)結(jié)果(P因子和I因子的乘積)在 0.0～5.0 之間，以符號(hào)π表示，π的取值越大表示巖溶地下水的防污能力越強(qiáng)。

2.4 COP模型

COP模型以C因子表征評(píng)價(jià)區(qū)域的徑流條件；O因子表征評(píng)價(jià)區(qū)巖溶地下水覆蓋層的保護(hù)條件；P因子表征評(píng)價(jià)區(qū)域大氣降水特征；K 因子表征巖溶網(wǎng)絡(luò)發(fā)育狀況[6]。

C 因子的影響因素主要包括地表覆蓋、地形坡度、地表與地下徑流、土壤特征、豎井及高滲漏區(qū)域等。O 因子主要受外源補(bǔ)給過程影響。影響P因子的因素主要包括降雨量、降雨頻率及持續(xù)時(shí)間等。K 因子表征巖溶含水層從粒間孔隙發(fā)育到巖溶管道的程度。

COP模型評(píng)價(jià)結(jié)果用R(R =C×O×P)表示，即C、O、P三個(gè)因子的乘積，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果數(shù)值的大小，巖溶地下水防污能力一般可以劃分為五個(gè)等級(jí)：極端、高、中、低、很低。

2.5 二元法

二元法比較簡單，只考慮覆蓋層和徑流特征對(duì)巖溶地下水防污能力的影響[7]。二元法包括兩個(gè)因子C因子(覆蓋層)和O因子(徑流特征)。其中C因子主要受低滲透碎屑巖與落水洞等點(diǎn)狀入滲以及地表溪流集中入滲影響。當(dāng)?shù)乇肀煌寥缹痈采w，但土壤層和包氣帶比較薄時(shí)，污染物也能快速的補(bǔ)給巖溶地下水，所以地表的巖溶形態(tài)并不能直接反映巖溶地下水的防污能力。

2.6 Slovenia 模型

Slovenia 模型是在歐洲模型的基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量的創(chuàng)新和改進(jìn)而開發(fā)出來的，該方法主要考慮覆蓋層因子(O)、大氣降水因子(P)、徑流特征因子(C)和巖溶特征因子(K)等。Slovenia 模型細(xì)化了不同降水條件下巖溶含水層的防污性能，即以80mm/d降水量為分界線將大氣降水細(xì)分為常規(guī)降水和極端降降水。該模型還綜合考慮了落水洞的影響：受地下水位波動(dòng)變化的影響，一部分落水洞平時(shí)與巖溶含水層之間的聯(lián)系很弱，只有地下水水文較高時(shí)污染物才會(huì)通過落水洞補(bǔ)給巖溶地下水，不同落水洞的影響在評(píng)價(jià)過程中應(yīng)該分別考慮。同時(shí)，Slovenia 模型中K因子既考慮了巖溶發(fā)育程度差異的影響，也包含了巖溶地下水水動(dòng)力特征及排泄的影響。

此外，Slovenia 模型還考慮了污染物在含水層中遷移時(shí)間、示蹤實(shí)驗(yàn)回收率對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的影響。

3 評(píng)價(jià)方法選取

3.1 主要考慮因素

鑒于巖溶地質(zhì)條件的特殊性，巖溶地下水污染防污性能評(píng)價(jià)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面:

巖溶系統(tǒng)具有高度的異質(zhì)性和各向異性，評(píng)價(jià)時(shí)各因素的影響都應(yīng)進(jìn)行綜合考慮；巖溶地下水補(bǔ)給既包括滲漏補(bǔ)給、落水洞點(diǎn)狀補(bǔ)給，也包括低滲漏覆蓋層的地區(qū)地表和地下側(cè)面流的補(bǔ)給；表層巖溶帶是水流儲(chǔ)存與匯集的區(qū)域，也可以影響其防污能力[8-9]；巖溶系統(tǒng)往往存在雙層結(jié)構(gòu)，巖溶地下水一般儲(chǔ)存于孔隙和裂隙中，孔隙和裂隙可以吸附一些穩(wěn)定的污染物，運(yùn)移作用主要發(fā)生在巖溶管道中，巖溶管道能夠快速的運(yùn)移非持久性污染物，所以應(yīng)該考慮到巖溶系統(tǒng)對(duì)污染物的稀釋凈化作用；巖溶系統(tǒng)對(duì)水文條件的變化非常敏感，巖溶地下水水位在短時(shí)間內(nèi)變化幅度能夠達(dá)到十幾米，所以巖溶地下水位基本不連續(xù)也難以確定。

3.2 方法的選取

從評(píng)價(jià)方法來看，國內(nèi)巖溶地下水防污性能評(píng)價(jià)所采用的方法大體分為2 類，即DRASTIC 模型和歐洲模型。DRASTIC模型應(yīng)用廣泛，我國在進(jìn)行地下水防污性能評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)用最多的也是DRASTIC模型。但是DRASTIC模型主要針對(duì)第四系松散巖類孔隙水的防污性能評(píng)價(jià)，應(yīng)用于巖溶巖溶地下水評(píng)價(jià)時(shí)效果不太理想，雖然國內(nèi)已有很多學(xué)者對(duì)該方法進(jìn)行了創(chuàng)新和改進(jìn)，但效果仍然較差。

歐洲模型則比較適合應(yīng)用于巖溶地下水防污性能的評(píng)價(jià)，在歐洲的很多應(yīng)用案例其評(píng)價(jià)結(jié)果較好[10]。歐洲模型的種類及優(yōu)缺點(diǎn)如下：

EPIK模型應(yīng)用于評(píng)價(jià)巖溶地下水預(yù)防農(nóng)業(yè)污染源污染的能力評(píng)價(jià)方面效果較好。針對(duì)氣候因素、水文地質(zhì)條件、“ 二元” 補(bǔ)給以及包氣帶厚度等因素的影響，該方法未能進(jìn)行綜合考慮，EPIK模型僅適用于小范圍的水源地防污評(píng)價(jià)。

PI 模型一種定性評(píng)價(jià)方法，該方法將大氣降水的影響貫穿于保護(hù)層因子和徑流因子中。PI 模型需要相對(duì)詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。此外，PI模型沒有考慮巖溶管道的影響，只能應(yīng)用于資源的防污性能評(píng)價(jià)。

COP模型靈活性高，不同地區(qū)、時(shí)間、數(shù)據(jù)及經(jīng)濟(jì)支持條件下，都能對(duì)巖溶含水層防污性能進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。但COP模型未考慮巖溶含水層飽和帶對(duì)巖溶地下水防污性能的影響，該方法更適用于資源的防污性能評(píng)價(jià)。

二元法是一種極端簡化的方法，沒有考慮地表覆蓋和土地利用對(duì)地下水防污性能的影響。

Slovenia模型是以歐洲模型為基礎(chǔ)經(jīng)過大量創(chuàng)新和改進(jìn)所得出，綜合考慮了地表水、伏流與巖溶地下水之間的水力聯(lián)系的影響。該方法的不足之處是缺少水位較高時(shí)期評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性檢驗(yàn)。

所以在研究區(qū)基礎(chǔ)資料比較缺乏時(shí)，可以選用二元法和EPIK模型，農(nóng)業(yè)污染比較嚴(yán)重時(shí)側(cè)重于EPIK模型，基礎(chǔ)資料比較翔實(shí)的條件下，如果需要進(jìn)行細(xì)致研究和剖析，選用Slovenia模型，資源型防污性能評(píng)價(jià)則選用COP模型或者PI方法。

濟(jì)南市是世界聞名的泉城，泉水在經(jīng)濟(jì)、文化領(lǐng)域都是重要的組成部分，針對(duì)泉水不同部門做了大量的研究工作，基礎(chǔ)資料非常充實(shí)，同時(shí)濟(jì)南泉域巖溶系統(tǒng)防污性能評(píng)價(jià)是為地下水污染分區(qū)治理及調(diào)控提供理論支持，所以在對(duì)濟(jì)南泉域巖溶系統(tǒng)進(jìn)行防污性能評(píng)價(jià)時(shí)，可選用COP模型或者PI模型。

4 結(jié)論及建議

(1)針對(duì)巖溶系統(tǒng)防污性能研究方面，歐洲模式要優(yōu)于美國的DRASTIC模型，基礎(chǔ)資料缺乏時(shí)，選用二元法或EPIK模型，農(nóng)業(yè)污染問題優(yōu)先選用EPIK模型，基礎(chǔ)資料翔實(shí)時(shí)，選用Slovenia模式進(jìn)行細(xì)致研究和剖析，資源型防污性能評(píng)價(jià)則選用COP模型或者PI方法。

(2)濟(jì)南市各部門針對(duì)泉水做了大量的研究工作，基礎(chǔ)資料非常充實(shí)，同時(shí)濟(jì)南泉域巖溶系統(tǒng)防污性能評(píng)價(jià)是為地下水污染分區(qū)治理及調(diào)控提供理論支持，應(yīng)該優(yōu)先選用COP模型或者PI方法。

(3)巖溶含水層水文地質(zhì)系統(tǒng)、地貌及其生態(tài)系統(tǒng)有著更為復(fù)雜而密切的聯(lián)系，一方面的變化可導(dǎo)致其他方面一系列的、不成比例的巨大改變。在保護(hù)巖溶地下水資源時(shí)要有系統(tǒng)觀念，除了研究地下水自身防污性能方面，還要考慮其覆蓋層、地形地貌、天然植被和土地利用方式等整個(gè)巖溶生態(tài)系。