岩溶地下水污染预警：以山东省刘征水源地为例

陈奂良，王金晓，林广奇，张文强，滕 跃

(1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250013；2.山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，山东 济南 250013)

岩溶地下水是我国重要的饮用水来源之一。据相关报道，我国的岩溶地下水资源量约有2×10m/a，约占总地下水资源量的1/4。岩溶地下含水层具有隐蔽性和埋藏分布复杂性等特点。针对日益严重的地下水污染问题，有学者提出了“以防为主、防治结合、防重于治”的管理策略，也就是通过预警模型对地下水污染的发展趋势进行及时预测， 在地下水水质恶化前发出警报，为制定地下水资源的科学管理措施提供依据。因此，地下水污染预警已成为保护地下水资源的一个重要手段。

我国地下水污染预警的概念最早可以追溯到2000年，由赵勇胜提出并以GIS为平台开发了地下水污染预警信息系统；洪梅等研究了以地下水水质作为主要指标的地下水污染预警模型；张伟红将地下水水质现状、地下水水质变化趋势和地下水污染风险结合起来，提出了地下水污染预警的警戒线；Jamin等将SEQESO、GMS、GIS三者联用进行了地下水污染风险评价预警;Naddeo等使用意大利地表水水质标准将水体中单种污染组分划分为5 个等级，并根据系列数据中的最小值、达25%值、中值、达75%值和最大值对河流水质污染进行了预警。

综上可见，前人对地下水污染预警的研究大多是单独基于地下水水质监测数据的评价预测或针对含水层本身的防污性能评价，综合考虑地下水水质、水文地质参数和污染源进行分析的研究较少，而针对岩溶地下水污染预警的研究更加少见。为此，本文针对岩溶地下含水层的特点，将地下水水质监测数据与水文地质参数、污染源分析相结合，选用合适的评价参数和模型，构建了完整的岩溶地下水污染预警评价模型，并应用该评价模型对山东省刘征水源地开展了地下水污染预警实例研究，以为当地制定地下水污染防治与风险管控措施提供依据。

1 研究区概况

研究区地处山东省中部，行政区划属淄博市，研究范围为永流水源地、大武水源地、刘征水源地、黑旺水源地和北下册水源地周边地区，见图1。根据已有气象资料以及前人的研究结果可知，研究区地处中纬度地区，属暖温带季风气候区，多年(1971—2015年)平均气温为12.8℃，平均蒸发量为1 804 mm，平均降水量为633.9 mm。永流水源地一带不属于水源地保护区，大武、黑旺、北下册水源地一带属于水源地二级保护区，刘征水源地一带属于水源地一级保护区。

图1 研究区地理位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the geographical location of the study area

研究区内地层由南向北呈现新近系、奥陶系、第四系岩性，中部南北向分布着淄河断裂带，是淄博盆地规模最大的一组断裂构造，总体走向NE35°，主断裂倾向SE，倾角为60°～70°，平面延伸长度达60 km，水平断距为13 km。

根据已有水文资料，研究区水文地质分区属于淄河地堑及太河水库上游单斜构造水文地质小区，主要富水类型为碳酸盐岩类裂隙岩溶水，中部南北水源地一带具有强富水性，单井涌水量大于1 000 m/d，局部水源地中心如大武、刘征水源地单井涌水量大于5 000 m/d。

2 岩溶地下水污染预警评价模型

通过对国内外已有的地下水污染预警方面的理论和技术方法进行对比分析，确定以地下水污染风险、水文地质条件、污染源特征、地层介质防护性能和污染物迁移转化特征等作为岩溶地下水污染预警评价指标体系的基本要素，并构建了岩溶地下水污染预警评价体系的技术框架，将地下水水质现状、地下水水质变化趋势和地下水污染风险3个指标的不同等级排列组合，综合划分为5个地下水污染预警等级。基于GIS平台，运用软件的叠加分析功能和组合矩阵法，构建了岩溶地下水污染多因素耦合的预警评价模型，具体技术框架见图2。

图2 岩溶地下水污染预警评价模型Fig.2 Early warning evaluation system for karst groundwater contamination

2.1 地下水水质污染现状与变化趋势评价方法

对比不同地下水水质分析方法，并结合已有地下水水质数据资料，本文选用综合指数法作为研究区岩溶地下水水质污染评价方法，这与我国《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中的评价方法一致，并规定地下水水质综合评价结果按单指标评价结果的最高类别确定。

在实际应用研究中，使用岩溶地下水水质污染预警评价模型对地下水水质变化进行预测。通过分析系列地下水水质预测方法，根据已有地下水水质数据，本文采用时间序列分析方法，利用研究区多年地下水水质观测数据资料来分析地下水水质的动态变化情况，并预测未来地下水水质进而判断地下水水质的变化趋势。

2.2 岩溶地下水污染风险评价方法

人类生产、生活产生的污染以及岩溶含水层的固有脆弱性共同构成了岩溶地下水污染风险。因此，本文提出采用以下3个主要指标来评价岩溶地下水受污染的风险程度：岩溶含水层的固有脆弱性指数(

V

)、污染源荷载风险评价指数(

P

)、岩溶地下水污染危害性综合指数(

H

)。岩溶地下水污染风险程度评估的叠加方法如下：

RII=P

/

V

(1)

R=RII

×

H

(2)

式中：

RII

为岩溶地下水污染风险强度指数；

P

为污染源荷载风险评价指数；

V

为岩溶含水层的固有脆弱性指数；

R

为岩溶地下水污染风险综合指数；

H

为岩溶地下水污染危害性综合指数。

2.2.1 岩溶含水层的固有脆弱性评价方法

含水层的固有脆弱性是自然条件下含水层在有污染发生时表现出的内部固有敏感属性，可以反映地下水受到污染的难易程度。针对研究区岩溶含水层的实际情况，对比已有的COP、EPIK和PI模型等含水层脆弱性评价模型的适用条件，选择COP模型作为本研究区岩溶含水层的固有脆弱性评价模型。岩溶含水层的固有脆弱性评价因子包括径流因子

C

、上覆岩层因子

O

和大气降水因子

P

，COP模型采用

C

、

O

、

P

3个评价因子的乘积来评价含水层的固有脆弱性，其评价模型如下：COP=

C

×

O

×

P

(3)

将COP值即岩溶含水层的固有脆弱性指数划分为5个等级来定义岩溶含水层的脆弱性，见表1。

表1 岩溶含水层的固有脆弱性等级划分Table 1 Karst aquifer inherent vulnerability classclassification

2.2.2 污染源荷载风险评价方法

从实际情况出发，创建了由污染物释放的可能性

L

(有无泄漏、有无防护措施)、污染物产生量

Q

、污染源种类

K

(包括衰减能力、毒性和迁移性等)3个指标组成的污染源荷载风险评价指标体系。建立的污染源荷载风险评价模型如下：

P=L

×

Q

×

K

(4)

式中：

P

为单个潜在污染源荷载风险评价指数

(

无量纲

)

；

L

为污染物释放的可能性等级指标划分

(

无量纲

)

；

Q

为污染物产生量等级指标划分

(

无量纲

)

；

K

为潜在污染源类型的等级指标划分

(

无量纲

)

。

2.2.3 岩溶地下水污染危害性评价方法

岩溶地下水污染危害性是指岩溶地下水受到污染后造成的危害程度，主要由岩溶含水层富水性和岩溶地下水水源保护区等级来确定。建立的岩溶地下水污染危害性评价模型如下：

H=Ur

×

Vr

(5)

式中：

H

为岩溶地下水污染危害性综合指数(无量纲)；

Ur

为岩溶地下水水源保护区等级指标划分(无量纲)；

Vr

为岩溶含水层富水性等级指标划分(无量纲)。

2.3 岩溶地下水污染预警评价方法

将地下水水质现状、地下水水质变化趋势和地下水污染风险结合起来，对研究区岩溶地下水污染进行预警分析，并划分预警等级进而得到地下水污染预警的警度，即利用地下水水质现状

L

、地下水水质变化趋势

S

、地下水污染风险

R

三者共同确定地下水污染预警的警度

W

。地下水水质现状

L

按照我国《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)分为5级；地下水水质变化趋势

S

分为3级，分别为变好、稳定、恶化；地下水污染风险

R

分为3级，分别为低、中、高。岩溶地下水污染预警的3个变量共计有45种组合状态，分别对应不同的警度

W

(见表2)，其中将警度

W=

2时设为地下水水质发生污染的临界值，警度

W>

2时表明研究区地下水水质可能发生了污染，应重点关注此区域地下水水质。

表2 岩溶地下水污染预警等级划分对照表Table 2 Comparison of karst groundwater contamination early warning grades

3 结果与分析

3.1 研究区岩溶地下水水质现状与变化趋势分析

本文利用研究区现有地下水水质数据资料，按《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)对刘征水源地2015年水质数据进行地下水质量分析，得到刘征水源地岩溶地下水水质等级分区，见图3。

图3 研究区岩溶地下水水质等级分区图Fig.3 Zoning map of status of karst groundwater quality grade in the study area

由图3可见，研究区内地下水水质现状为Ⅲ类水和Ⅳ类水占主体，Ⅱ类水数量较少。

另外，利用刘征水源地2008—2015年共8年的地下水水质数据，运用地下水污染预警软件(GWQEW)对2016年地下水水质状况进行预测，进而利用2008—2016年地下水水质数据分析地下水水质的变化趋势，得到刘征水源地岩溶地下水水质变化趋势分区，见图4。

图4 研究区岩溶地下水水质变化趋势分区图Fig.4 Zoning map of trends in karst groundwater quality in the study area

由图4可见，研究区内26.0%的区域岩溶地下水水质呈变好趋势，主要分布在大武水源地和永流水源地一带；43.8%的区域岩溶地下水水质基本不变，主要分布在刘征水源地以北和北下册水源地及其东北一带；30.2%的区域岩溶地下水水质呈变差趋势，主要分布在刘征—黑旺水源地中部一带。

3.2 研究区岩溶地下水污染风险评价

3.2.1 研究区岩溶含水层的固有脆弱性评价

本文利用已构建的岩溶含水层COP模型对研究区岩溶含水层的固有脆弱性进行评价，即使用ArcGIS软件的插值分析得到研究区岩溶含水层的固有脆弱性分区，见图5。

图5 研究区岩溶含水层的固有脆弱性分区图Fig.5 Zoning map of inherent vulnerability index of karst aquifers in the study area

由图5可见，研究区内0.4%的区域岩溶含水层的固有脆弱性很高，4.2%的区域岩溶含水层的固有脆弱性较高，49.9%的区域岩溶含水层的固有脆弱性中等，26.5%的区域岩溶含水层的固有脆弱性较低，20.0%的区域岩溶含水层的固有脆弱性很低；大武水源地南部、刘征水源地西南部和北下册水源地北部一带岩溶含水层的固有脆弱性较高，说明含水层本身的抗污能力较弱。

3.2.2 研究区污染源荷载风险评价

根据现有刘征水源地地下水水质资料，此次研究只考虑齐鲁石化热电厂灰场一个工业点源污染，其每年灰水排放量为360×10t，因此

K

值取7，相应的

Q

值取2，

L

值取0.9，根据公式(4)计算得到该工业污染源荷载风险评价指数

P

值为12.6。岩溶含水层中地下水的流动不可忽视，故其点源污染也会在其附近形成一定的污染区域，本文采用下游迁移综合指数

F

确定点源污染形成的水滴形污染区域长轴与短轴的数值，并综合考虑点源位置的富水性、水力梯度以及岩溶发育情况，确定点源沿水流方向和垂直水流方向形成的污染扩散范围18，最终确定其

F

<10，因此该点源沿水流方向形成的污染扩散距离为1 000 m，垂直水流方向形成的污染扩散距离为300 m。研究区已有的污染源荷载风险评价指数分区，见图6。其中，齐鲁石化热电厂灰场周围存在水滴形污染区域，其余地区由于没有污染源数据资料故本次不做污染源荷载风险评价。

图6 研究区污染源荷载风险评价指数分区图Fig.6 Zoning map of contamination source loading risk evaluation index in the study area

3.2.3 研究区岩溶地下水污染危害性评价

将收集到的研究区岩溶含水层富水性和岩溶地下水水源保护区等级指标划分进行叠加后，得到研究区岩溶地下水污染危害性综合指数分区，见图7。

图7 研究区岩溶地下水污染危害性综合指数分区图Fig.7 Zoning map of karst groundwater contamination hazardous comprehensive index in the study area

由图7可见，研究区岩溶地下水污染危害性综合指数较高的地区位于岩溶含水层的富水性较好的区域，且处于保护区的地下水源地一带，其地下水受到污染时更易影响地下水水质以及居民生活安全。

3.2.4 研究区岩溶地下水污染风险评价

研究区岩溶地下水污染风险综合指数

R

分区，见图8。

图8 研究区岩溶地下水污染风险综合指数分区图Fig.8 Zoning map of karst groundwater contamination risk comprehesive index in the study area

由图8可见，研究区内99.86%的区域岩溶地下水污染为低风险，0.12%的区域岩溶地下水污染为中风险，0.02%的区域岩溶地下水污染为高风险；岩溶地下水污染风险综合指数(

R

)为中和高的地区主要分布在齐鲁石化热电厂灰场附近，由于其他区域无污染源，故整体上看研究区岩溶地下水污染风险程度较低。

3.3 研究区岩溶地下水污染预警评价

基于研究区岩溶地下水水质现状、地下水水质变化趋势和地下水污染风险的评价结果，借助ArcGIS空间分析功能，可得到研究区岩溶地下水污染的预警结果，见图9。

图9 研究区岩溶地下水污染预警结果Fig.9 Early warning result of karst groundwater contamination in the study area

由图9可见，研究区内17.3%的区域岩溶地下水污染为无警，主要分布在永流水源地以及大武水源地东部、北下册水源地以北一带；34.3%的区域岩溶地下水污染为轻警，主要分布在刘征水源地北部、北下册水源地周边一带；28.4%的区域岩溶地下水污染为中警，主要分布在刘征—黑旺水源地中部一带；18.0%的区域岩溶地下水污染为重警，主要分布在大武水源地以南一带；2.0%的区域岩溶地下水水质污染为巨警，少量分布在刘征水源地周边地区。

4 结 论

(1) 针对研究区岩溶地下水的实际水文地质条件和地下水水质状况，将地下水水质数据和水文地质参数、污染源分析相结合，并综合考虑地下水水质现状、地下水水质变化趋势和地下水污染风险三个方面，构建了岩溶地下水污染预警评价模型，最终将岩溶地下水污染预警级别即警度划分为5个等级，并设置了警度临界值，以作为是否优先采取地下水污染防护措施的依据。

(2) 应用已建立的岩溶地下水污染预警评价模型对山东省刘征水源地的地下水污染现状、地下水污染变化趋势和地下水污染风险进行了分析，结果表明：研究区地下水水质现状主要以Ⅲ类水和Ⅳ类水为主，刘征—黑旺水源地中部一带地下水水质变差，齐鲁石化热电厂灰场附近地下水污染风险较高，为该地区提供了准确的地下水污染评价结果以及存在地下水污染高风险的区域位置。

(3) 应用本文建立的岩溶地下水污染预警评价模型对刘征水源地进行岩溶地下水污染预警实例研究，结果显示：大武水源地和刘征水源地东西两侧周边地区岩溶地下水污染属于重警和巨警，应优先对以上区域进行地下水污染防护与修复，并以修复为主、监测为辅，阻断污染源头，即对地下水污染超标组分进行修复，对其余地区则以地下水水质监测为主，从而防止地下水水质进一步恶化。