韓琳

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

濟(jì)南是著名的泉城，泉水是其城市的靈魂所在，十幾年來(lái)，為保持泉水噴涌，濟(jì)南市相繼實(shí)施了“節(jié)水保泉”“引黃保泉”“回灌保泉”等一系列措施[1-7]。居民不得不以水質(zhì)較差的黃河水作為生活水源，隨著居民生活水平的提高，飲用水質(zhì)更好的地下水已成為濟(jì)南人民的訴求。然而，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地下水遭受到了不同程度的污染[8-14]，對(duì)地下水環(huán)境進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)是開(kāi)采使用地下水的必要前提。前人對(duì)地下水環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)進(jìn)行了多方法研究，唐賀[15]采用改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)分析法，對(duì)大連市瓦房店區(qū)域11處國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)井水環(huán)境質(zhì)量狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。王超[16]應(yīng)用氮同位素分析硝酸鹽水質(zhì)污染與污染源類(lèi)型的相關(guān)性，證明反硝化作用的存在。胡漾等[17]將主成分分析法、熵權(quán)法與貝葉斯理論三者進(jìn)行耦合，以新疆準(zhǔn)東煤田二號(hào)礦井及周邊區(qū)域地下水為研究對(duì)象，進(jìn)行實(shí)例分析，蘇建云等[18]通過(guò)對(duì)TOPSIS方法的改進(jìn)和拓展(加權(quán)歐氏距離平方的TOPSIS法)，實(shí)現(xiàn)了兼具絕對(duì)性與相對(duì)性綜合性的水環(huán)境評(píng)價(jià)。本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)濟(jì)南地區(qū)巖溶地下水污染進(jìn)行了評(píng)價(jià)(1)山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，濟(jì)南地區(qū)優(yōu)質(zhì)地下水供水水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，2015年。，并提出了相關(guān)保護(hù)措施。

1 研究區(qū)概況

濟(jì)南地區(qū)地處魯中低山丘陵與魯西北沖積平原交接帶上，地勢(shì)南高北低。大地構(gòu)造上，濟(jì)南地區(qū)橫跨新華夏第二隆起帶的魯西隆起及新華夏第二沉降帶的魯西北坳陷區(qū)。南部為以古生代地層為主體的北傾單斜構(gòu)造，北部為沉積厚度較大的第四紀(jì)和新近紀(jì)松散堆積物的凹陷區(qū)。南部的單斜構(gòu)造中發(fā)育有多條規(guī)模較大的NNW向斷裂，自東向西大致等距分布，將單斜構(gòu)造分割為若干個(gè)斷塊。東西被分割成斷塊式的N傾單斜構(gòu)造，是濟(jì)南地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的基本特征，這些構(gòu)造特征將濟(jì)南地區(qū)水文地質(zhì)單元分為5大部分，整個(gè)研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造見(jiàn)圖1。濟(jì)南地區(qū)地處中緯度內(nèi)陸，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，降水具有明顯的季節(jié)性，汛期為6—9月份，降水量占全年降水量的70%。研究區(qū)內(nèi)水系縱橫、河流、水庫(kù)眾多，地下水儲(chǔ)量豐富，因此研究區(qū)地下水開(kāi)發(fā)利用時(shí)間較早，開(kāi)發(fā)利用水平也較高。但隨著城區(qū)的不斷擴(kuò)展，地下水的補(bǔ)給通道減少，巖溶地下水的使用增加，這直接導(dǎo)致了巖溶地下水水位降速增快、水質(zhì)污染等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。

1—第四系；2—石炭系；3—奧陶系；4—寒武系；5—泰山巖群；6—侵入巖；7—巖脈；8—奧陶系頂板埋深等值線(m)；9—研究區(qū)范圍界線

2 巖溶地下水污染評(píng)價(jià)

2.1 巖溶水污染程度評(píng)價(jià)

2.1.1 巖溶水環(huán)境背景值的確定

巖溶水環(huán)境背景值，也就是污染起始值，既是確定巖溶水污染程度的主要參數(shù)，也是巖溶水水質(zhì)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)。本文通過(guò)分析研究區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行本次研究。根據(jù)已有水質(zhì)資料的全面性及有效性，本次研究巖溶水環(huán)境的背景值為：2002年平陰水文地質(zhì)單元、1987年長(zhǎng)清-孝里鋪水文地質(zhì)單元、1982—1989年濟(jì)南泉域水文地質(zhì)單元、1988—1990年白泉泉域、2003年明水泉域水質(zhì)資料。

2.1.2 評(píng)價(jià)項(xiàng)目

2.1.3 評(píng)價(jià)方法

(1)單因子評(píng)價(jià)。以污染指數(shù)大小表示地下水污染程度，計(jì)算公式為：

式中：Pi—地下水中污染物i的污染指數(shù)；Ci—污染物i的實(shí)測(cè)濃度(mg/L)；Coi—地下水中污染物i的背景值(mg/L)；當(dāng)Pi<1時(shí)為未污染;Pi>1時(shí)為污染。

(2)多因子評(píng)價(jià)。以綜合污染指數(shù)進(jìn)行多因子評(píng)價(jià)，計(jì)算公式為：

式中：P—地下水綜合污染指數(shù)；n—污染物種類(lèi)數(shù)；Pi—地下水中污染物i的污染指數(shù)。

(3)污染程度分級(jí)。根據(jù)污染物組分的污染種類(lèi)數(shù)及其綜合污染指數(shù)，依據(jù)表1對(duì)地下水進(jìn)行污染程度分級(jí)。

表1 地下水污染程度分級(jí)

(4)污染程度分級(jí)評(píng)價(jià)。根據(jù)研究區(qū)范圍大小，本研究在研究區(qū)內(nèi)選取了55個(gè)有代表性的采樣點(diǎn)，經(jīng)過(guò)樣品分析檢測(cè)，確定了各污染物濃度。根據(jù)單因子評(píng)價(jià)方法計(jì)算出單種污染物的污染指數(shù)，然后用多因子評(píng)價(jià)方法進(jìn)行因素累加確定地下水綜合污染指數(shù)P值，根據(jù)2種方法的結(jié)果參考表1，對(duì)55個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行了污染程度分級(jí)。結(jié)果表明55個(gè)采樣點(diǎn)中未污染5個(gè)、輕污染35個(gè)、中度污染7個(gè)、重污染6個(gè)、嚴(yán)重污染2個(gè)。根據(jù)采樣點(diǎn)污染情況，將研究區(qū)巖溶水污染程度劃分為未污染、輕污染、中度污染、重污染、嚴(yán)重污染5個(gè)等級(jí)(圖2)。

1—未污染;2—輕污染;3—中度污染;4—重污染;5—嚴(yán)重污染;6—分級(jí)界線;7—奧陶系頂板埋深等值線(m);8—研究區(qū)范圍界線

2.2 巖溶水防污性能評(píng)價(jià)

2.2.1 評(píng)價(jià)方法

DRASTIC模型是美國(guó)環(huán)保局提出的，因其模型普適性較高，在美國(guó)以及我國(guó)都得到了較廣泛的應(yīng)用。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》(DD2007—01)，地下水系統(tǒng)防污性評(píng)價(jià)就建議采用DRASTIC模型。DRASTIC模型的基本思想是：水文地質(zhì)單元的物理特性是影響含水層脆弱性的內(nèi)因，允許用不同的反應(yīng)含水層介質(zhì)及其特征的水文地質(zhì)參數(shù)來(lái)綜合反應(yīng)含水層的防污性能。

DRASTIC方法表達(dá)式為：

DRASTIC=DrDw+RrRw+ArAw+SrSw+TrTw+IrIw+CrCw

式中：Dr，Rr，Ar，Sr，Tr，Ir，Cr分別為各因子的級(jí)別值；Dw，Rw，Aw，Sw，Tw，Iw，Cw分別為各因子的權(quán)重值，各類(lèi)級(jí)別值和權(quán)重值可通過(guò)查相應(yīng)的指標(biāo)因子確定。

2.2.2 評(píng)價(jià)因子及權(quán)重

模型取主要影響含水層防污性能的7個(gè)要素為評(píng)價(jià)指標(biāo)，A為含水層介質(zhì)，S為土壤介質(zhì)，D為地下水埋深，R為凈補(bǔ)給量，T為地形坡度，I為包氣帶介質(zhì)，C為含水層滲透系數(shù)。計(jì)算所得的DRASTIC指數(shù)值越大，說(shuō)明地下水面臨污染的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)也越高，地下水的脆弱性也就越大。

2006年2月，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局針對(duì)“全國(guó)地下水資源及環(huán)境問(wèn)題調(diào)查評(píng)價(jià)”項(xiàng)目專(zhuān)門(mén)制定了《地下水脆弱性評(píng)價(jià)技術(shù)要求》，該技術(shù)要求對(duì)DRASTIC模型評(píng)分體系中的指標(biāo)權(quán)重和部分指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)之處見(jiàn)表2、表3，根據(jù)改進(jìn)內(nèi)容，本次評(píng)價(jià)以第四系厚度代替地下水埋深，有效降水入滲量代替凈補(bǔ)給量，對(duì)巖溶水防污性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表2 DRASTIC方法中各指標(biāo)的權(quán)重

表3 10個(gè)級(jí)別7項(xiàng)指標(biāo)的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值

2.2.3 各分項(xiàng)指標(biāo)的選取

第四系厚度：根據(jù)研究區(qū)以往探測(cè)的鉆孔資料，確定計(jì)算評(píng)價(jià)的第四系厚度。

有效降水入滲量：根據(jù)各個(gè)水文地質(zhì)單元的勘測(cè)報(bào)告、歷年氣象資料，采取分塊確定

含水層介質(zhì)類(lèi)型：污染物在含水層中的運(yùn)移受到含水層介質(zhì)巖性的影響，根據(jù)以往探測(cè)的鉆孔資料，確定含水層介質(zhì)類(lèi)型。

土壤介質(zhì)：根據(jù)以往探測(cè)的鉆孔資料，確定土壤介質(zhì)類(lèi)型。在本文中土壤介質(zhì)如果為防污性能好的黏性土，評(píng)分就低；如果為防污性能差的砂性土，評(píng)分就高。

地形坡度：地形坡度因其是山前區(qū)域較為明顯的特點(diǎn)之一，因此也作為一項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。地形坡度越小，越有利于水流的匯集，增大了補(bǔ)給地下水的可能性。

包氣帶介質(zhì)：包氣帶是衡量防污性能的重要指標(biāo)，在污染物從地表進(jìn)入地下水的過(guò)程中，起到了關(guān)鍵的作用。包氣帶中對(duì)于污染物起到阻截的主要是顆粒較細(xì)的黏性土部分，包氣帶厚度直觀的反映出污染物進(jìn)入地下水需要經(jīng)過(guò)的距離，因此需要將顆粒大小和包氣帶厚度兩項(xiàng)指標(biāo)綜合考慮。

含水層滲透系數(shù)：新指標(biāo)體系綜合考慮含水層介質(zhì)巖性以及含水層滲透系數(shù)的影響，利用綜合滲透系數(shù)來(lái)反映含水層在地下水固有脆弱性中的作用。用每種巖性的厚度在含水介質(zhì)總厚度的比例，乘上其相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)滲透系數(shù)，加權(quán)求和，計(jì)算出包含弱透水介質(zhì)在內(nèi)的含水層的一個(gè)綜合滲透系數(shù)。

2.2.4 綜合評(píng)價(jià)

DRASTIC指數(shù)防污性程度分級(jí)定義：DRASTIC指數(shù)小于80，為防污高區(qū)；DRASTIC指數(shù)位于80～100之間，為防污中區(qū)；DRASTIC指數(shù)大于100，為防污低區(qū)。為了解研究區(qū)內(nèi)地下水防污能力的高低，基于保證均勻覆蓋和重點(diǎn)突出的原則，在研究區(qū)內(nèi)51處進(jìn)行鉆孔探測(cè)，根據(jù)前述DRASTIC公式對(duì)各個(gè)鉆孔點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示51個(gè)鉆孔點(diǎn)中DRASTIC指數(shù)小于80的有7個(gè)、80～100之間的有27個(gè)、大于100的有17個(gè)。根據(jù)鉆孔點(diǎn)防污能力對(duì)研究區(qū)地下水防污程度進(jìn)行分級(jí)(圖3)。

3 優(yōu)質(zhì)地下水開(kāi)發(fā)利用區(qū)劃與保護(hù)措施

濟(jì)南絕大部分地區(qū)的巖溶地下水污染程度屬于未污染和輕度污染，水質(zhì)較好，但也存在少數(shù)片區(qū)由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的人口增多和污染物增加，導(dǎo)致地下水遭受到了不同程度的污染。但未污染和輕度污染區(qū)占比較大并不意味著對(duì)巖溶水的保護(hù)可以放松警惕，對(duì)比污染程度分級(jí)圖和防污程度分區(qū)圖就會(huì)發(fā)現(xiàn)輕度污染區(qū)大部分都是防污程度低區(qū)，輕度污染的巖溶水隨時(shí)可能因?yàn)楸Ｗo(hù)不當(dāng)導(dǎo)致污染加重。因此，在大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)做好地下水開(kāi)發(fā)利用和有效保護(hù)極為重要。為此本文根據(jù)不同的地下水水文地質(zhì)條件，對(duì)地下水開(kāi)發(fā)進(jìn)行了利用分區(qū)和保護(hù)分區(qū)，并根據(jù)分區(qū)提出了相應(yīng)的保護(hù)措施(圖3)。

1—防污高區(qū);2—防污中區(qū);3—防污低區(qū);4—防污染程度分區(qū)界線;5—奧陶系頂板埋深等值線(m);6—研究區(qū)范圍界線

3.1 地下水開(kāi)發(fā)利用分區(qū)

濟(jì)南地區(qū)巖溶水資源儲(chǔ)量大，但由于巖溶發(fā)育的特殊性、巖溶水資源時(shí)空分布不均勻，此外，受自然條件或人類(lèi)活動(dòng)影響，已出現(xiàn)了諸如干旱缺水、地下水污染、城區(qū)擴(kuò)展影響降水入滲、河流截流及防滲造成地表水滲漏量減少等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。這些問(wèn)題已成為了亟待解決的難題，制約濟(jì)南的進(jìn)一步可持續(xù)發(fā)展，考慮巖溶地下水開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及供需平衡關(guān)系，結(jié)合區(qū)內(nèi)水資源分布現(xiàn)狀和特定的地形地貌條件，本文對(duì)巖溶水資源開(kāi)采進(jìn)行了區(qū)劃，基于此能對(duì)地下水進(jìn)行合理開(kāi)采利用。

調(diào)查表明，大氣降水和地表水是濟(jì)南地區(qū)巖溶地下水的重要補(bǔ)給來(lái)源。人工開(kāi)采和泉水排泄是巖溶地下水重要排泄方式。受降水強(qiáng)度、地形地貌特征、巖溶發(fā)育強(qiáng)度等因素影響，巖溶水動(dòng)態(tài)變化具有明顯的調(diào)蓄性與周期性。濟(jì)南地區(qū)400m以淺巖溶地下水已有不同程度的開(kāi)發(fā)，但研究資料顯示，平陰、長(zhǎng)清-孝里鋪水文地質(zhì)單元和白泉泉域仍具有一定的開(kāi)發(fā)潛力。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)“密切結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人居需求，與地方經(jīng)濟(jì)相適應(yīng)”“地表水與地下水聯(lián)合開(kāi)發(fā)利用”“以豐補(bǔ)欠”“分區(qū)分片開(kāi)發(fā)”的原則，將研究區(qū)巖溶地下水劃分為適度增采區(qū)、可增加開(kāi)采區(qū)、濟(jì)南城區(qū)張夏灰?guī)r局部供水研究區(qū)和保泉控采區(qū)4個(gè)分區(qū)(圖4)。

3.2 地下水環(huán)境保護(hù)區(qū)劃及措施

地下水環(huán)境保護(hù)區(qū)根據(jù)濟(jì)南地區(qū)5大水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐?圖1)，濟(jì)南泉域南部山區(qū)水源涵養(yǎng)省級(jí)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)將濟(jì)南泉域和白泉泉域南部山區(qū)均劃為水源涵養(yǎng)省級(jí)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)，并提出了保護(hù)措施，其他3個(gè)水文地質(zhì)單元的南部山區(qū)還沒(méi)有劃分水源涵養(yǎng)省級(jí)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)。本次研究根據(jù)5個(gè)水文地質(zhì)單元的水文地質(zhì)條件，從水文地質(zhì)保護(hù)角度出發(fā)，將研究區(qū)地下水環(huán)境保護(hù)區(qū)劃分一般保護(hù)區(qū)、間接補(bǔ)給保護(hù)區(qū)和直接補(bǔ)給及匯集排泄保護(hù)區(qū)或直接補(bǔ)給保護(hù)區(qū)3個(gè)區(qū)，并針對(duì)各區(qū)水文地質(zhì)條件及開(kāi)發(fā)利用情況提出了保護(hù)措施。地下水資源保護(hù)措施:

(1)一般保護(hù)區(qū)。打井必須嚴(yán)格止水，防止串層污染巖溶地下水；區(qū)內(nèi)不能建設(shè)污染嚴(yán)重的工礦企業(yè)，擬建廠必須經(jīng)環(huán)境保護(hù)論證，采取嚴(yán)格防滲措施。

(2)間接補(bǔ)給保護(hù)區(qū)。封山植樹(shù)造林涵養(yǎng)水源、增加降水補(bǔ)給量；嚴(yán)禁河床挖砂，保護(hù)地表水系，防止河流污染；農(nóng)業(yè)實(shí)施節(jié)水措施，科學(xué)、合理施用化肥和農(nóng)藥，防止污染地下水；加強(qiáng)巖溶水長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)觀測(cè)工作，做到隨時(shí)監(jiān)測(cè)及時(shí)保護(hù)。

1—適度增采區(qū)；2—可增加開(kāi)采區(qū)；3—停采控采開(kāi)采區(qū)(含水層埋深350m以淺)；4—濟(jì)南城區(qū)張夏灰?guī)r局部供水研究區(qū)；5—防污染程度分區(qū)界線；6—奧陶系頂板埋深等值線(m)

(3)直接補(bǔ)給及匯集排泄保護(hù)區(qū)。封山植樹(shù)造林涵養(yǎng)水源，增加巖溶水補(bǔ)給量；保護(hù)溝谷嚴(yán)禁河床挖砂，不得任意改造取直和采取防滲措施，確保地表水、地下水聯(lián)合調(diào)配回灌補(bǔ)源；防止城市建設(shè)繼續(xù)侵占直接補(bǔ)給保護(hù)區(qū)的面積，影響巖溶地下水補(bǔ)給量；嚴(yán)禁污水、垃圾任意排(堆)放，對(duì)已經(jīng)污染的及時(shí)清理治理；加強(qiáng)地下水動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期觀測(cè)工作，做到隨時(shí)監(jiān)測(cè)及時(shí)保護(hù)。

4 結(jié)論

本文以濟(jì)南地區(qū)巖溶地下水為研究對(duì)象，在巖溶地下水污染評(píng)價(jià)方面開(kāi)展了污染程度和防污性能評(píng)價(jià)。結(jié)果表明濟(jì)南大部分地區(qū)屬于未污染或輕度污染地區(qū)，污染較為嚴(yán)重的地區(qū)范圍較小。防污程度高區(qū)和中區(qū)所占比例較小，而且人口較多的城區(qū)基本都屬于防污程度低區(qū)，這部分地區(qū)也是輕度污染地區(qū)，因此是保護(hù)的關(guān)鍵地區(qū)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注。根據(jù)以上研究成果，對(duì)地下水的保護(hù)和開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行了區(qū)劃，并給出了相關(guān)措施，以期為濟(jì)南地區(qū)巖溶地下水的利用開(kāi)發(fā)與保護(hù)提供相關(guān)依據(jù)和指導(dǎo)。