攀西地区地下水防污性能评价与防治研究

伍辉成

(四川省地质矿产开发局攀西地质队，四川 西昌 615000)

1 前 言

不同的岩溶条件，决定了不同的地下水防污性能评价方法，目前，评价地下水系统防污性方法很多，例如参数系统法、数值模型法、关系分析法、模糊数学法等，而常用的模型有COP(C—汇流，O—上覆层，P—降水)模型、PLEIK(P—保护性盖层，L—土地类型与利用程度，E—表层岩溶带发育强度，I—入渗补给强度，K—岩溶网络发育情况)模型、PTHQET(P—弱透水层垂向渗透系数，T—弱透水层厚度，H—潜水和承压水水头差，Q—潜水含水层水质现状，E承压含水层开采强度，T—承压含水层导水系数)模型等[1]。攀西地区属于以裸露山区为主，包括覆盖层(风化残积层)极薄的裸露岩溶区、覆盖层相对较厚的非岩溶区，而裸露岩溶区具有岩溶发育层，能调蓄地下水，极大的影响地下水系统[2]。PLEIK模型有5个指标: 保护性盖层P、土地类型与利用程度L、表层岩溶带发育强度E、入渗补给强度I、岩溶网发育情况K。PLEIK较适合于这种裸露区及区内夹少量非岩溶区，故采用PLEIK模型进行评价。

通过对攀西地区地下水监测资料研究，采用PLEIK模型对地下水系统防污能力进行评价，从而进行合理的防治规划，以期为攀西地区地下水用水工程提供科学依据。

2 研究区概况

攀西地区以凉山州及攀枝花市两个行政区为主，面积约38 300km2。地处青藏高原的东缘，系青藏高原与云贵高原的接合部位。自中元古界蓟县系至新生界第四系均有出露，以古生界、中生界岩溶最发育。

3 评价指标与定额

3.1 保护性盖层(P)

攀西地区以裸露山区为主，包括覆盖层(风化残积层)极薄的裸露岩溶区、覆盖层相对较厚的非岩溶区；山前冲洪积、冰积物厚度一般在2m～10m，由灰色、黄灰、棕褐色粘土岩、粉质粘土、粉砂与粗砂砾石层组成典型的二元结构层，砾石成分复杂，具分选性和定向叠瓦状排列，砂质充填，微胶结，局部砂层中交错层理发育。该层一般构成安宁河漫滩，Ⅰ～Ⅱ级阶地。全新统残坡积、湖积层多为棕红色粘土层，灰黑色淤泥层则多为山原及山间洼地堆积物。

调查分析认为，工作区内土层厚度小于20cm的地区主要分布于坡度大于15°的山坡和山顶区；土层厚度20cm～100 cm主要分布于坡度5°～15°之间的缓坡、山间谷地地区；土层厚度100cm～150 cm主要分布于坡度小于5°的安宁河谷等谷地区；土层厚度大于150cm的主要分布在山前地带。

工作区主要土壤类型有红壤、黄壤、黄棕壤、棕壤、紫色土、水稻土、石灰土，土层CEC值(土壤阳离子交换量)均在10 meq/100g～100 meq/100g，在一定pH值(=7)时，每千克土壤中所含有的全部交换性阳离子的厘摩尔数就为CEC值，CEC值的大小，基本上代表了土壤可能保持的养分数量，即保肥性的高低。数值越大保肥力越强，<10 meq/100g为弱，10 meq/100g～100 meq/100g为中，100 meq/100g～200 meq/100g为较强，>200 meq/100g为强，土层保护性盖层的防污性能取决于溶蚀溶蚀缝内充填物性质和充填程度，都是由CEC值计算而来的。根据不同土壤类型特征、厚度评分标准(表1、表2)，综合得到P指标赋值分级图(图1)。

表1 P因子(保护性盖层)分类表Tab.1 P factor(Protective caprock) classification table

表2 P因子(保护性盖层)评分表Tab.2 P factor(Protective caprock) score table

3.2 土地类型与利用程度(L)

根据土地类型与利用现状分区图，评价区可分为林地、草地、园地、耕地、裸地、村镇及工矿用地等五种, L因子取值详见表3。

由工作区土地开发利用情况，根据表3得到L指标赋值分级图(图2)。

图1 P因子分级图Fig.1 P factor classification diagram

土地类型及利用程度评分特性描述林地(L1)10以乔木为主、植被覆盖率大于60%的有林地(不包括幼林)草地(L2)8以灌丛、荒草为主的土地(包括幼林)园地(L3)6用于种植果树的土地耕地(L4)4用于耕种的土地(包括菜地)裸地(L5)2几乎无植被覆盖城镇及工矿用地(L6)1包括居民区、工厂和矿山用地、公路等工程建设用地

图2 L因子分级图Fig.2 L factor classification diagram

3.3 表层岩溶带发育强度(E)

工作区多属中高山区，受气候、地形、水动力条件等的影响，表层岩溶带发育程度相对较弱。根据区域地质图中的出露地层岩组类型，对表层岩溶带发育进行分级(表4)，最后获得表层岩溶带发育强度分布图(图3)。

3.4 入渗补给强度(I)

图3 E因子分级图Fig.3 E factor classification diagram

入渗补给强度可采用岩溶含水层的入渗补给类型和补给强度两个分因子来描述。调查显示，评价区内仅局部地区(岩溶含水层的入渗补给类型盐边县格萨拉乡、盐源县棉桠乡一带)发育有少量的落水洞，属于点状集中入渗补给；其它地区以面状入渗补给为主。补给类型属性分级详见表5。

对于非岩溶区，入渗补给类型则根据平均地形坡度分别按I3、I4来考虑；对于地形坡度<10%的耕作、荒地区和坡度<25%的草地、林地区按I3来考虑。

表4 E因子(表层岩溶带发育强度)评分表Tab.4 E factor(Epikarst development) score table

表5 入渗补给类型分类表Tab.5 Infiltration recharge type classification table

降雨强度也是影响入渗补给强度的主要因素之一。评价区不同时期的降水强度有很大差别，当雨强小于下渗能力时，不产生地面径流；暴雨期, 补给强度较大，初期会导致污染物大量而快速的迁移进入目标含水层， 但后期则具有较大的稀释效应。

攀西地区则属于干湿季分明的亚热带季风气候，该区降水地区差异大，大部分地区年降水800～1 200mm。干、湿季的变换极为明显，5～9月为雨季，10月至次年4月为旱季，雨季降水占全年总降水量的80%～90%。

图4 攀西地区雨季多年平均降水量空间分布图Fig.4 Spatial distribution diagram of annual mean precipitation

根据资料收集情况，降雨强度因子取雨季6～9月的多年月平均值(图4)。结合入渗补给类型分级和降雨强度分级，将I因子划分为12个级别(表6)，并得到评价区入渗补给强度分级图(图5)。

图5 I因子分级图Fig.5 Ifactor classification diagram

表6 I因子(入渗补给强度)评分表Tab.6 I factor(Infiltration recharge intensity) score table (mm/a)

3.5 岩溶网络发育情况(K)

采用地下水径流模数作为评价含水层岩溶网络发育的参数(表7)。

径流模数范围值的确定以1∶50万水文地质图为基础，结合1∶20万区域水文地质调查成果和本项目野外调查成果，重点圈定径流模数>10L·s-1·km-2的区域。将岩溶地下河强烈发育区(径流模数>10L·s-1·km-2)概化为强烈发育的岩溶网，岩溶地下河中等发育区(10 L·s-1·km-2>径流模数>5L·s-1·km-2)概化为中等发育的岩溶网，岩溶地下河强烈发育区(径流模数<5L·s-1·km-2)概化为弱发育的岩溶网，其他区域为混合和裂隙含水层区(图6)。

表7 K因子(岩溶网络)评分表Tab.7 K factor(karst network)score table

图6 K因子分级图Fig.6 K factor classification diagram

4 计算方法

为定量评价地下水系统防污性能大小, 需要对PLEIK属性进行数值计算, 主要包括两个部分: 权重赋值确定与指标等级划分。计算方法见以下公式:

DI=Wp×Pi+WL×Lj+WE×Ek+WI×Im+WK×Kl

其中，DI值为防污性能等级评价值, DI值越低, 防污性能越小；Wp，WL，WE，WI，WK为权重赋值；Pi、Lj、Ek、Im、Kl为等级分值。

根据评价区特点分析，认为影响地下水系统防污性能的主要因素是P和I，因为区内地形高差大,导致山前地带较多，即P4区域较多，P因子影响权重分配较大，同时，高差大也更大概率地让岩溶含水层的入渗补给类型根据平均地形坡度分别按I3、I4来考虑，对I因子权重分配影响增大；其次是L和K因子，对于攀西地区来说，林地、草地占了全区90%以上，对L因子权重分配影响一般，而攀西地区85%以上为混合和含水层，对K因子权重分配影响一般；攀西地区多属中高山区，受气候、地形、水动力条件等的影响，表层岩溶带发育程度相对较弱，而中高山区E表层带大部分都不是很发育，E因子影响程度反而降低。

采用层次分析法求得各值权重：即以A=(P、L、E、I、K)为第一层次权重集，第二层权重集为P=(P1、P2、P3、P4)；L=(L1、L2、L3、L4、L5、L6)；E=(E1、E2、E3、E4、E5、E6)；I=(I1、I2、I3、I4)；K=(K1、K2、K3)。确定各层次判断矩阵，并求解特征向量，特征向量的各分量即为权重值。最后求得

W=(Wp，WL，WE，WI，WK)=(0.36，0.16，0.04，0.36，0.08)

根据权重值计算DI值，最终划分防污性能等级(表8)。

表8 DI值(Drastic指数)分级表Tab.8 DI value (Drastic index)grading table

5 评价结果

根据以上各个因子分区图，在arcgis中做空间分析，对各个指标做相交分析，计算出攀西地区DI值属性，再根据DI属性值形成攀西地区防污性能评价分区图(图7)。攀西地区为中高山区，以碳酸盐岩夹碎屑岩为主，表层岩溶弱发育。结合评价结果，地下水系统防污性能共分为4个区：防护性能好、防护性能较好、防护性能中等和防护性能较差。

总体上，评价区地下水系统防污性能较好，地下水系统防污性能好～较好级面积约占评价区总面积的82%，分布在除盐源县中部和盐边县西北部的绝大部分地区，且连片分布。该区多为高山峡谷地貌，地形高差大，岩溶弱发育，且多夹有非岩溶地层。

地下水系统防污性能中等区面积约占评价区总面积的12%，主要分布在评价区中部(盐源县和盐边县岩溶中等发育区)和西北角(理塘县东南部岩溶区)，在东部和南部地区零星分布。

地下水系统防污性能较差区面积约占评价区总面积的6%，主要分布在盐源县中部和盐边县西北部的岩溶发育区。

图7 攀西地区防污性能评价分区图Fig.7 Antipollution performance evaluation diagram in Panxi Area

6 地下水污染防治研究

受地形、水文地质条件、人类活动强度等影响，攀西地区地下水质量相对较好，地下水污染程度相对较轻，未发现3级及3级以上。因此，攀西地区一般保护区面积占总面积的96.43%，防控区占3.57%，无治理区。攀西地区未能划分地下水污染治理区，并不是表示攀西地区没有污染场地；只是这些污染场地均位于非岩溶区，且大多在河谷地带，污染物主要对河谷内局部第四系孔隙潜水产生污染。河谷地带地下水会在短距离内直接向地表水体排泄，对地下水的影响有限；而且这类污染源在攀西地区分布太多，堆存历史悠久，很难处理。因此，本次评价将类似地区均划为污染防控区。防控区面积2 878 km2，零星分布于米易、会理、甘洛、犍为、沐川等地区。区内地下水多为Ⅲ类和Ⅳ类水质局部污染源分布较多(以煤矿、硫铁矿、铅锌矿、磷矿为主)，防污性能差—中等，人类活动较为频繁。一般防护区广泛分布于攀西地区，岩溶类型以裸露型岩溶区、侵蚀中高山区为主。区内污染源相对较少，地下水防污性能较好～好，地下水类型以裂隙水、岩溶水为主，区内人类活动相对较弱，地下水质量以Ⅱ类和Ⅲ类为主。尽管各水源地目前水质较好，但仍需要加大保护力度。

具体防治措施[3]为在防控区内对水源地保护区内已经存在的重点污染企业进行关停、搬迁，不能关停和搬迁的重点污染企业必须建设完善的污水处理设施，对污水进行综合处理，达标后进行综合循环利用或排放；对水源地内的固废进行清除和治理，为防止人类不合理活动对地下水水源地保护区水量、水质造成影响，对每个地下饮用水水源地保护区实施护栏、围网、警示牌等物理隔离工程。对水源地保护区应建立防护林、绿地缓冲带和应急处理池建设工程。对岩溶漏斗和落水洞等污染物易直接进入地下水系统的通道，必须划入一级保护区。向岩溶漏斗和落水洞汇流的区域内应禁止污水直接排放。

在一般保护区内目前区域地下水环境自净能力强，具有一定的环境容量和污染负荷，地下水潜在污染的风险较低。人类活动较小，注意环境保护，发挥地下水自身功能。加强环境保护，维护地下水功能，这一地区可根据实际情况，在各项环保措施充分落实的前提下，可考虑作为城市各县市建设和经济发展的供水水源地[4]。

7 结 论

7.1 攀西地区属于以裸露山区为主，PLEIK较适合于这种裸露区及区内夹少量非岩溶区的，故采用PLEIK模型进行评价较好。

7.2 总体上，攀西地区地下水系统防污性能较好，地下水系统防污性能好～较好级面积分布在除盐源县中部和盐边县西北部的绝大部分地区，且连片分布。

7.3 攀西地区地下水质量相对较好，地下水污染程度相对较轻，攀西地区未能划分地下水污染治理区，并不是表示攀西地区没有污染场地，只是这些污染场地均位于非岩溶区，且大多在河谷地带，污染物主要对河谷内局部第四系孔隙潜水产生污染。污染防控区零星分布于米易、会理、甘洛、犍为、沐川等地区。一般防护区广泛分布于攀西地区。

7.4 攀西地区地下水污染防治主要分防控区和一般保护区。防治区对已经存在的重点污染企业进行关停、搬迁，或者综合处理；对水源地内的固废进行清除和治理，为防止人类不合理活动对地下水水源地保护区污染。对岩溶漏斗和落水洞划入一级保护区。向岩溶漏斗和落水洞汇流的区域内应禁止污水直接排放。在一般保护区内，注意加强环境保护，发挥地下水自身功能。可根据实际情况，在各项环保措施充分落实的前提下，可考虑作为城市各县市建设和经济发展的供水水源地。