济南泉域岩溶地下水防污性能评价方法研究

张海涛，刘文静，傅玲子，刘 叶，寇明月

(中国石油大学胜利学院，山东 东营 257000)

著名的四大泉群分布在济南泉域内，是济南市内最著名的旅游景点之一。在济南市内每天都有约一万多的济南人在饮用着泉水，一旦泉水水质严重下降，不仅会损害济南市泉城的城市形象，而且将构成严重的供水安全威胁。随着经济的发展，济南市四大泉群泉水常规离子污染呈明显恶化趋势，其中硝酸盐、硫酸根离子、氯离子以及溶解性总固体等生活饮用水常规指标含量较上世纪50年代有着明显的增加，摸清济南泉域不同区域防污能力，对济南泉域地下水污染的分区治理和调控具有非常重要的意义。

影响地下水防污能力的因素有很多，主要包括：自然因素的影响和人为因素的影响[1]。前者主要包括坡度、气象条件、土壤性质及含水层性质等；后者包括地面覆盖、地下水开采、人口密度及污染源特征等。在进行防污性能评价时采用的指标越多，相应的工作量也就越大；有些指标在进行大范围的评价中难以获得真实、准确的数据；指标与指标之间容易相互掺杂，以致重复使用。所以，地下水防污能力评价的关键就是建立科学的指标体系。地下水防污性能评价所采用的常用评价方法都是以研究目的、评价区域范围、水文地质条件、自然地理背景及人类影响等方面综合考虑，进而确定评价指标及评价方法。

1 济南泉域概况

济南泉域位于泰山穹隆的北翼，总体上是一个以古生代地层为主体向北倾斜的单斜构造。济南泉域由南向北依次出露的地层包括：新太古界泰山岩群、寒武系、奥陶系。

济南泉域岩溶地下水主要赋存和运移于寒武系中统张夏组、上统凤山组和奥陶系石灰岩、白云质灰岩、泥灰岩的岩溶裂隙内。由于该类岩石岩溶裂隙发育良好，且彼此相互连通，有利于地下水的补给、径流和富集，在重力作用下，形成一个具有统一水面的含水体。

从岩溶地下水的补给、径流以及排泄条件来看，济南泉域内存在着雨水、地表水与地下水之间的相互转化。大气降水一部分形成表流，一部分直接下渗进入地下含水层；部分地下水又以裂隙下降泉的方式排泄进入地表水，“三水”转化关系既明显又复杂。

2 防污性能评价方法

2.1 DRASTIC模型

地下水防污性能评价采用最多的方法就是 DRASTIC 模型。DRASTIC 模型是针对第四系松散岩类孔隙水而开发，该方法更适合大尺度浅层地下水防污评价[2-3]。DRASTIC 模型考虑的影响因素主要包括含水层埋深(D)、净补给量(R)、含水层介质类型(A)、土壤介质类型(S)、坡度(T)、包气带介质类型(I)、含水层渗透系数(C)。评价综合指数计算公式如(1)所示：

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

(1)

式中，EI 为评价综合指数；Q、W 分别是各参数的分级及相应的权重。

国内外许多学者也尝试应用该模型对岩溶地下水防污性能进行评价，但评价结果并不理想[4]。其原因主要是DRASTIC 模型针对的是浅层地下水的防污能力的评价，未能考虑岩溶含水层的特殊性(岩溶含水层的“二元”特点，以及落水洞、漏斗及天窗等对防污性能的影响)；该模型也很难处理特殊的岩溶含水层。

2.2 EPIK模型

EPIK模型的开发是针对于岩溶区域地下水防污能力的评价，该模型综合考虑了“ 落水洞集中入渗”等因素。EPIK模型考虑的影响因素主要包括表层岩溶带性质(E)、保护层特征(P)、降雨入渗条件(I )及岩溶管道发育条件(K)。E因子用来表征表层岩溶带中降水的储存和运移情况；I因子主要考虑坡度和土地利用等因素的影响；保护层因子表征从地表到岩溶地下水位之间的覆盖层对地下水防污能力的影响；岩溶管道发育状况因子表征岩溶含水层中岩溶网络发育条件。

由于循环冷却水占工业用水的比例很大，所以节约循环冷却水的新鲜水用量，可极大地缓解我国水资源短缺的矛盾，减少污水排放，可减轻周边环境的水体污染状况，这对保证环境经济的可持续发展，促进生态环境的良性循环，改善人居环境状况有着重要的意义[2]。

EPIK模型评价结果(9～34)数值越大，岩溶地下水防污能力越强。具体计算公式如(2)所示：

F=WE·QE+WP·QP+WI·QI+WK·QK

(2)

其中：Q为各个因子的评分；W为各个因子的权重。

2.3 PI模型

PI 模型评价指标体系主要包括：保护层因子(P) 和径流因子(I)。保护层因子表征从地表到地下水位之间的覆盖层对地下水防污能力的影响；径流因子描述岩溶地下水的径流特征，I因子表征通过落水洞与漏斗快速补给岩溶地下水的情况[5]。其计算方法为P因子和I因子的乘积。评价结果取值越小，岩溶地下水防污能力越弱。

保护层因子(P)根据公式(3)计算得出:

PTS=[T+(∑i=1mSi·Mi+∑j=1nBj·Mj)]·R+A

(3)

式中:T为地表土壤层厚度指数；S为各层土壤类型属性值；B为各覆盖层基岩因子(由岩性因子L与构造因子F决定)；M为各覆盖层厚度；R为年均补给量指数；A为压力常数。

径流因子(I)的影响因素主要包括：地表植被覆盖、地形坡度、地表与低渗层间距离、水力传导系数、落水洞及地下暗河等。

评价结果(P因子和I因子的乘积)在 0.0～5.0 之间，以符号π表示，π的取值越大表示岩溶地下水的防污能力越强。

2.4 COP模型

COP模型以C因子表征评价区域的径流条件；O因子表征评价区岩溶地下水覆盖层的保护条件；P因子表征评价区域大气降水特征；K 因子表征岩溶网络发育状况[6]。

C 因子的影响因素主要包括地表覆盖、地形坡度、地表与地下径流、土壤特征、竖井及高渗漏区域等。O 因子主要受外源补给过程影响。影响P因子的因素主要包括降雨量、降雨频率及持续时间等。K 因子表征岩溶含水层从粒间孔隙发育到岩溶管道的程度。

COP模型评价结果用R(R =C×O×P)表示，即C、O、P三个因子的乘积，根据评价结果数值的大小，岩溶地下水防污能力一般可以划分为五个等级：极端、高、中、低、很低。

2.5 二元法

二元法比较简单，只考虑覆盖层和径流特征对岩溶地下水防污能力的影响[7]。二元法包括两个因子C因子(覆盖层)和O因子(径流特征)。其中C因子主要受低渗透碎屑岩与落水洞等点状入渗以及地表溪流集中入渗影响。当地表被土壤层覆盖，但土壤层和包气带比较薄时，污染物也能快速的补给岩溶地下水，所以地表的岩溶形态并不能直接反映岩溶地下水的防污能力。

2.6 Slovenia 模型

Slovenia 模型是在欧洲模型的基础上，经过大量的创新和改进而开发出来的，该方法主要考虑覆盖层因子(O)、大气降水因子(P)、径流特征因子(C)和岩溶特征因子(K)等。Slovenia 模型细化了不同降水条件下岩溶含水层的防污性能，即以80mm/d降水量为分界线将大气降水细分为常规降水和极端降降水。该模型还综合考虑了落水洞的影响：受地下水位波动变化的影响，一部分落水洞平时与岩溶含水层之间的联系很弱，只有地下水水文较高时污染物才会通过落水洞补给岩溶地下水，不同落水洞的影响在评价过程中应该分别考虑。同时，Slovenia 模型中K因子既考虑了岩溶发育程度差异的影响，也包含了岩溶地下水水动力特征及排泄的影响。

此外，Slovenia 模型还考虑了污染物在含水层中迁移时间、示踪实验回收率对评价指标体系的影响。

3 评价方法选取

3.1 主要考虑因素

鉴于岩溶地质条件的特殊性，岩溶地下水污染防污性能评价应考虑以下几个方面:

岩溶系统具有高度的异质性和各向异性，评价时各因素的影响都应进行综合考虑；岩溶地下水补给既包括渗漏补给、落水洞点状补给，也包括低渗漏覆盖层的地区地表和地下侧面流的补给；表层岩溶带是水流储存与汇集的区域，也可以影响其防污能力[8-9]；岩溶系统往往存在双层结构，岩溶地下水一般储存于孔隙和裂隙中，孔隙和裂隙可以吸附一些稳定的污染物，运移作用主要发生在岩溶管道中，岩溶管道能够快速的运移非持久性污染物，所以应该考虑到岩溶系统对污染物的稀释净化作用；岩溶系统对水文条件的变化非常敏感，岩溶地下水水位在短时间内变化幅度能够达到十几米，所以岩溶地下水位基本不连续也难以确定。

3.2 方法的选取

从评价方法来看，国内岩溶地下水防污性能评价所采用的方法大体分为2 类，即DRASTIC 模型和欧洲模型。DRASTIC模型应用广泛，我国在进行地下水防污性能评价时应用最多的也是DRASTIC模型。但是DRASTIC模型主要针对第四系松散岩类孔隙水的防污性能评价，应用于岩溶岩溶地下水评价时效果不太理想，虽然国内已有很多学者对该方法进行了创新和改进，但效果仍然较差。

欧洲模型则比较适合应用于岩溶地下水防污性能的评价，在欧洲的很多应用案例其评价结果较好[10]。欧洲模型的种类及优缺点如下：

EPIK模型应用于评价岩溶地下水预防农业污染源污染的能力评价方面效果较好。针对气候因素、水文地质条件、“ 二元” 补给以及包气带厚度等因素的影响，该方法未能进行综合考虑，EPIK模型仅适用于小范围的水源地防污评价。

PI 模型一种定性评价方法，该方法将大气降水的影响贯穿于保护层因子和径流因子中。PI 模型需要相对详细的基础数据库。此外，PI模型没有考虑岩溶管道的影响，只能应用于资源的防污性能评价。

COP模型灵活性高，不同地区、时间、数据及经济支持条件下，都能对岩溶含水层防污性能进行有效评价。但COP模型未考虑岩溶含水层饱和带对岩溶地下水防污性能的影响，该方法更适用于资源的防污性能评价。

二元法是一种极端简化的方法，没有考虑地表覆盖和土地利用对地下水防污性能的影响。

Slovenia模型是以欧洲模型为基础经过大量创新和改进所得出，综合考虑了地表水、伏流与岩溶地下水之间的水力联系的影响。该方法的不足之处是缺少水位较高时期评价结果的准确性检验。

所以在研究区基础资料比较缺乏时，可以选用二元法和EPIK模型，农业污染比较严重时侧重于EPIK模型，基础资料比较翔实的条件下，如果需要进行细致研究和剖析，选用Slovenia模型，资源型防污性能评价则选用COP模型或者PI方法。

济南市是世界闻名的泉城，泉水在经济、文化领域都是重要的组成部分，针对泉水不同部门做了大量的研究工作，基础资料非常充实，同时济南泉域岩溶系统防污性能评价是为地下水污染分区治理及调控提供理论支持，所以在对济南泉域岩溶系统进行防污性能评价时，可选用COP模型或者PI模型。

4 结论及建议

(1)针对岩溶系统防污性能研究方面，欧洲模式要优于美国的DRASTIC模型，基础资料缺乏时，选用二元法或EPIK模型，农业污染问题优先选用EPIK模型，基础资料翔实时，选用Slovenia模式进行细致研究和剖析，资源型防污性能评价则选用COP模型或者PI方法。

(2)济南市各部门针对泉水做了大量的研究工作，基础资料非常充实，同时济南泉域岩溶系统防污性能评价是为地下水污染分区治理及调控提供理论支持，应该优先选用COP模型或者PI方法。

(3)岩溶含水层水文地质系统、地貌及其生态系统有着更为复杂而密切的联系，一方面的变化可导致其他方面一系列的、不成比例的巨大改变。在保护岩溶地下水资源时要有系统观念，除了研究地下水自身防污性能方面，还要考虑其覆盖层、地形地貌、天然植被和土地利用方式等整个岩溶生态系。