鲁中南典型岩溶水系统地下水污染预警评价

周亚醒，付一夫，扈剑琨，孟宪洲，李晨曦，付庆杰

(1.山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地勘局第二地质大队)，山东 济宁 272100；2.济宁市岩溶地质重点实验室，山东 济宁 272100；3.济宁市兖州区政务服务中心，山东 济宁 272100)

0 引言

20世纪80年代以来，由于工业废水的渗漏、农药化肥的滥用以及居民生活垃圾的不合理处置等原因，导致地下水污染程度日益加剧[1]，尤其在地下水开采量不断增大的情况下，污染物容易通过地下水漏斗区域快速渗透、迁移进入地下水中，从而改变地下水环境质量，制约了地下水的可持续开发利用。地下水污染是一个复杂的地球物理化学过程，具有长期性、隐蔽性、复杂性和难恢复性的特点，这使地下水污染治理工作出现难度大、耗资高以及时间长等难题[2]。因此，控制地下水污染最有效的方法是给予及时、有效的预警，使地下水资源的保护具有预见性、针对性和有效性，为地下水资源的可持续利用、保护和管理提供科学依据[3]。当前，国内外对地下水污染预警指标体系的构建方法尚处于探索阶段，其中综合指标法可实现各种方法的优势互补，在丰富的水文地质数据支撑下，较全面地分析地下水污染现状、污染过程及演化趋势，可在一定程度上提高预警结果的可靠性[4]。

1 研究区概况

1.1 水文地质特征

双村岩溶水系统地处山东省西南部[5]，为一受构造控制的较完整的单斜蓄水构造，面积约451km2。第四系松散层厚度0～200m，由南向北、由东向西逐渐加厚。主要含水介质为寒武纪—奥陶纪碳酸盐岩，含水介质中发育的地下溶隙、溶孔、溶洞等岩溶通道为岩溶水的储存和运移提供了良好场所[6]，该含水系统具有渗透系数大、反应速度快、连通性强、统一水面以及平盘升降等强渗透性特征(图1)[7]。

1.2 地下水开发利用现状

双村岩溶地下水开采始于20世纪80年代初期，1983年以来开采量逐年上升，1997年开采量达到27万m3/d左右，至2015年开采量基本控制在25万～30万m3/d之间，2016年以来开采量突破35万m3/d，现状(2017年)开采量达到39.848万m3/d。目前，区内主要建成了唐村、双村、太阳纸业、北亢阜、谢庄、两城、西毛堂等7个集中供水水源地，主要供给居民生活和重要工业、大型火电厂生产用水；此外，自2016年开始区内农灌开采也开始大面积开采岩溶地下水。1980—2017年研究区岩溶水开采量见图2。

1.3 岩溶水水位动态特征

区内岩溶地下水在大气降水、开采及区域岩溶水系统的共同调节下，呈现出气象型、气象-开采型和开采-气象型等3种不同的动态变化特征，图2为主排泄区—双村25-1号孔的多年动态曲线，反应了该区裂隙岩溶地下水的多年动态变化特征。1986年以前，区内岩溶地下水开采量较小，降水量是制约岩溶地下水动态变化的主导因素，为气象型。1986—2007年，岩溶水开采量迅速增加，水位与天然状态相比下降约5m，并由此激发了上层孔隙水越流补给、地表水补给以及侧向径流补给，含水系统建立了新的补径排平衡，为气象-开采型。2008年以来，在开采量明显增加的条件下，岩溶水位整体下降明显，水位标高多在11～14m之间，与天然状态相比下降约20m，主要接受来自西南部两城、鲁桥一带的侧向径流补给，开采量是控制地下水位主导因素，降水量具有一定的调节作用，属开采-气象型。近年来，随着开采量的逐渐增大，尤其在多个集中开采水源地相互叠加影响下，研究区地下水水位整体平盘下降，水位标高多在11～13m之间。除大气降水入渗补给外，还可接收白马河、上层孔隙水的越流补给，地下水总体由南向北径流，人工开采是主要排泄方式。

图2 1982—2017年岩溶地下水多年动态曲线

1.4 岩溶水水化学特征

天然状态下(1988年以前)，研究区岩溶水开采利用程度低，且受外界干扰影响较小，岩溶水水化学成分简单，各离子含量较低，水化学类型单一，为HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Mg型水[8]。随着工农业快速发展，尤其在岩溶水大规模开采条件影响下，地表水、孔隙地下水向岩溶水的补给作用增强，碳酸盐溶蚀作用加快，岩溶水水质逐渐变差、各离子含量整体升高、水化学类型变复杂，除HCO3-Ca型、HCO3-Ca·Mg型水，还出现HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg和HCO3·SO4·Cl-Ca·Mg·Na等较复杂的水化学类型。

2 地下水污染预警模型的建立

本次采用综合指标法，即综合考虑地下水水质现状(L)、地下水水质变化趋势(S)以及地下水污染风险(R)共同确定地下水污染预警的警度(W)。地下水水质现状分级与《地下水质量标准》(GB14848—2017)对应，包括5个级别(L1，L2，L3，L4，L5)[9]；地下水水质变化趋势包括变好、稳定、恶化3个级别(S1，S2，S3)；地下水污染风险分低、中、高3级(R0，R1，R2)。根据这些因素的排列组合，地下水污染预警共计有45种状态(表1)，W=0为无警、W=1为轻警、W=2为中警、W=3为重警、W=4为巨警。评价区以警度=2(中警)为警戒线，表示地下水水质有发生污染的风险，应该引起注意。

3 地下水污染预警评价

3.1 地下水水质现状

选取19个代表性水质监测点，根据《地下水质量标准》(GB14848—2017)，采用单因子评价法对地下水水质进行评价(表1)[9]。目前，双村岩溶水系统内无Ⅰ类水和Ⅱ类水，南部补给区朝阳—黄路屯—官山一带以及主排泄区蔡家庄—双村一带属于Ⅲ类水，面积为188km2；白马河中下游沿岸夹道—泉上一带以及看庄一带属于Ⅴ类水，面积为32km2；其他均属于Ⅳ类水，面积为231km2(图3)。影响水质的主要因子为总硬度、硫酸盐、TDS以及硝酸盐。

表1 地下水污染预警计算表

1—Ⅲ类水分布区；2—Ⅳ类水分布区；3—Ⅴ类水分布区；4—取样点编号及水质类别；5—地下水质量分区界线

3.2 水质变化趋势

TDS多年动态变化特征

3.3 地下水污染风险

3.3.1 评价方法与指标的选取

地下水污染是“风险源—污染途径—受体”的地下水污染过程。双村岩溶水系统为一个独立的水文地质单元，具有连通性强、统一水面以及平盘升降等统一的水文地质特征，评价目标受体一致，故风险源和污染途径是评价地下水污染风险的关键因素[10]。风险源指人类工程活动产生的污染，其荷载风险(P)一般取决于污染物种类(K)、污染物排放量(Q)和污染物排放方式(L)，并通过构建的P=KQL评价体系确定风险等级[11]。污染途径是从污染源到受体的通道，即含水层的脆弱性；COP模型较适合于补给区裸露的浅覆盖性岩溶发育区[12-13]，研究区南部为基岩裸露的补给区、北部为浅覆盖层的径流、排泄区，故采用COP方法进行含水层的脆弱性评价。

3.3.2 污染源荷载风险评价

根据污染物种类、污染物排放量和污染物排放方式，研究区污染物荷载风险包括较高、较低和低等3个级别，鲁南化工产业园、邹县电厂、白马河、官山(灰坝)为较高风险区;南部山区基岩裸露区(两城-看庄)一带人类工程活动较轻，为低风险区；其他地区主要人类工程活动为农业种植或居民生活，为较低风险区。

3.3.3 含水层脆弱性评价

根据COP指标体系法，结合径流条件、上覆岩层和降水情况，研究区含水层脆弱性包括高、较高和较低等3个级别(表2)。

表2 研究区含水层脆弱性评价结果

3.3.4 地下水污染风险评价结果

根据含水层脆弱性和污染源荷载风险评价结果，采用风险等级分区矩阵法(表3)，综合确定研究区地下水污染风险包括高风险区2处、中等风险区4处、低风险区2处。

表3 地下水风险等级分区矩阵表

白马河是经处理后的工业废水、矿坑水的纳污河流，夹道—泉上段与岩溶水补排关系明显，为高风险区；其他河段为中等风险区。鲁南化工产业园及邹县电厂周边，虽然第四系厚度较大，可起到一定的防污作用，但污染源较多，为中风险区；南部山区及山间地带基岩裸露或浅埋，起不到防污作用，且官山一带存在多处灰坝，会对下游地下水产生直接影响，为高风险区；其他地段为中风险区。研究区其他地段一般为农田和村镇，无大的工业污染源，且上部有一定厚度的第四系，为低风险区(图5)。

1—污染风险低区；2—污染风险中等区；3—污染风险高区；4—污染风险分区界线

3.4 地下水污染预警结果

根据综合指标预警方法，利用ArcGIS空间分析功能，研究区地下水污染预警包括中警区和巨警区等2个区(图6)。

1—中警区;2—巨警区;3—污染预警分区界线

中警区主要分布在南部补给区朝阳—黄路屯—官山一带以及东北部主排泄区蔡家庄—双村一带，面积188km2。朝阳—黄路屯—官山一带为地下水补给区，第四系松散层厚度0～30m，可直接接受渗漏补给，地下水水质变化趋势为恶化，岩溶地下水质量为Ⅲ类；蔡家庄—双村一带为地下水排泄区，地下水水力坡度较大，地下水水质变化趋势为恶化，岩溶地下水质量为Ⅲ类。

巨警区主要分布在系统西部两城—石桥—太平一带以及中部石墙一带，面积263km2；该区地处含水系统的主径流带，同时也是工矿企业、纳污河道等污染源分布区，岩溶地下水水质变化趋势为恶化，地下水质量为Ⅳ类或Ⅴ类。

4 结论

(1)研究区地下水污染预警为中警区和巨警区。中警区主要分布于南部补给区、东北部排泄区等水力坡度较大的地段，巨警区主要分布于含水系统的主径流带等水力坡度较平缓的地段。

(2)工矿企业污水排放是主要污染源，白马河等地表水体渗漏是主要污染途径。控制工矿企业废水排污量，严格按照排放标准达标排放，建立完善地下水水质动态监测网络是控制地下水污染的重要手段。

(3)从水质变化趋势来看，补给区两城—鲁桥一带水质恶化程度明显大于径流区、排泄区，与本次预警结果得到了较好的对应。