山東省地下水環(huán)境演化規(guī)律

張中祥，羅斐，張海林

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東 濟南 250014；2.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局地下水資源與環(huán)境創(chuàng)新團隊，山東 濟南 250100)

0 引言

地下水是地質(zhì)歷史時期水循環(huán)的產(chǎn)物，以含水介質(zhì)為核心的地下水系統(tǒng)必然隨氣候、地質(zhì)、構(gòu)造、水文和生態(tài)等自然環(huán)境變化以及人類活動的影響而演變[1-2]。地下水環(huán)境演化影響因素包括內(nèi)因和外因兩方面：內(nèi)因主要指地下水的賦存條件，在人類發(fā)展的歷史時期對地下水環(huán)境演化的貢獻可以忽略。外因是指對水文地質(zhì)條件產(chǎn)生不同影響的自然因素和人為因素的總和。自然因素主要包括氣象和水文兩個方面，它們的變化具有多年周期性特點，對地下水環(huán)境演化存在周期性或多年均衡性；人為因素是經(jīng)濟社會發(fā)展過程中人類的活動方式和活動強度，對地下水環(huán)境演化的貢獻往往最為明顯[3]。

不同時期人類的活動方式和活動強度不同，對地下水環(huán)境的干擾程度也不同。近50年來，人類工程活動對山東省地下水環(huán)境演化的影響可分為3個階段：第一階段(1965年前)為地下水天然補給量大于排泄量，地下水以準天然狀態(tài)流動，化學(xué)組分基本處于天然狀態(tài)；第二階段(1966—1980年)為排泄與補給基本平衡，局部地下水位下降，地下水檢出環(huán)境污染物質(zhì)；第三階段(1980年以來)為排泄量大于補給量，區(qū)域地下水位下降，局部地下水嚴重超采形成復(fù)合超采漏斗，地下水天然組分發(fā)生顯著變化。

研究結(jié)果表明，山東省地下水動力場和化學(xué)場均發(fā)生了不同程度的變化，但由于不同區(qū)域降水多寡、人類工程活動強度和經(jīng)濟發(fā)展水平的差異，所造成的演化程度不同。那么，如何對山東省地下水環(huán)境演化有一個全面、整體的認識，也就是說怎樣才能直觀反映山東省地下水環(huán)境的演化程度？目前，國內(nèi)外關(guān)于區(qū)域地下水環(huán)境演化綜合評價研究成果較少，更沒有成熟的評價方法。采用地下水動力場和化學(xué)場演化程度疊加的方式，探討地下水環(huán)境演化綜合評價方法，初步總結(jié)山東省地下水環(huán)境演化的基本規(guī)律。

1 評價方法、原理

1.1 評價方法

在地下水動力場和化學(xué)場演化研究的基礎(chǔ)上，引入“地下水環(huán)境演化綜合指數(shù)”的概念。所謂“地下水環(huán)境演化綜合指數(shù)”是選取一定時期內(nèi)能夠體現(xiàn)地下水環(huán)境演化規(guī)律的主要因子，并根據(jù)其對地下水環(huán)境演化貢獻大小，確定每個影響因子的權(quán)重，再對影響因子按變幅大小分別賦值、疊加，得出某一區(qū)域地下水環(huán)境演化綜合指數(shù)，最后按綜合指數(shù)大小進行分區(qū)評價。

1.2 評價原理

1.2.1 評價時段

據(jù)區(qū)域研究結(jié)果，將1978—2015年作為地下水環(huán)境演化綜合評價的研究時段。該時段人類工程活動強烈，地下水環(huán)境發(fā)生了較大變化。

1.2.2 評價因子

地下水動力場和化學(xué)場演化主要體現(xiàn)在水位和水質(zhì)兩個方面，將水位和水質(zhì)確定為一級評價因子。其中，水位采用評價時段內(nèi)的變差值，包含淺層孔隙水和深層孔隙水水位變幅2個二級評價因子，巖溶水和基巖裂隙水視為動態(tài)平衡；水質(zhì)選取礦化度和總硬度變差為二級評價因子。

1.2.3 評價因子權(quán)重

評價因子權(quán)重是對評價主體貢獻大小量化的重要指標。由地下水循環(huán)系統(tǒng)分析，在某一特定區(qū)域地下水動力場的變化往往是化學(xué)場變化的前提，如萊州灣南岸海(咸)水入侵是由于山前平原區(qū)淺層淡水的大量開采[4]，造成水位下降→天然流場變異→超采漏斗形成、擴大→咸水南侵→礦化度升高→水化學(xué)環(huán)境變異→水文地質(zhì)條件劣向演化程度加重，但在區(qū)域上，地下水動力環(huán)境和化學(xué)環(huán)境演化是地下水環(huán)境演化性質(zhì)不同的兩個方面，兩者之間的關(guān)聯(lián)度與地下水環(huán)境演化無關(guān)，即任何一方面的變化都會對地下水環(huán)境造成影響，故將水位變幅和水質(zhì)(礦化度、總硬度)變幅視為對地下水環(huán)境演化同等重要的2個評價因子[5]，其權(quán)重比為1∶1。

1.2.4 評價分值

將地下水環(huán)境演化綜合指數(shù)總分值按100分計，綜合指數(shù)愈大演化程度愈高。其中水位變幅和水質(zhì)變幅權(quán)重各占50%，評價分值均為50分(表1)。

表1 評價因子權(quán)重、分值

(1)水位變幅。包括魯中南、魯東山區(qū)外圍山前地帶和魯西北平原區(qū)淺層和深層孔隙水，基巖山區(qū)山間谷地孔隙水、巖溶水和裂隙水不參與該次評價(圖1)。其中淺層孔隙水和深層孔隙水水位變幅均占水位評價分值的50%，評價分值各為25分。

(2)水質(zhì)變幅。魯西北平原區(qū)深層孔隙水與當?shù)卮髿饨邓?、地表水和其他含水層水力?lián)系弱，水質(zhì)相對穩(wěn)定，不參與該次評價(圖2)。礦化度和總硬度變差包含區(qū)域淺層孔隙水、巖溶水和基巖裂隙水，而礦化度更能體現(xiàn)水質(zhì)的總體特征，礦化度變差和總硬度變差分別占水質(zhì)評價分值的70%和30%，評價分值分別為35分和15分。

1.2.5 評價因子分區(qū)賦值

評價因子賦值在各單因子變差圖上進行，賦值大小關(guān)系到評價分區(qū)精度和評價結(jié)果。首先根據(jù)每個評價因子的變幅大小劃分出變幅區(qū)間，再根據(jù)二級評價因子的分值來確定變幅區(qū)間的賦值大小。

(1)水位變幅賦值。區(qū)內(nèi)淺層孔隙水水位有升有降，而深層孔隙水水位一直處于下降狀態(tài)。從地下水環(huán)境演化的角度，一般認為水位上升屬正效應(yīng)、下降屬負效應(yīng)，規(guī)定水位上升為負值、下降為正值。對魯西北平原土壤鹽漬化區(qū)，淺層地下水水位適當下降能夠減輕土壤鹽漬化程度，但從地下水動力場演化的角度仍視為負效應(yīng)。據(jù)1978—2015年淺層孔隙水、深層孔隙水水位變幅統(tǒng)計結(jié)果，變幅區(qū)間賦值見表2。

(2)水質(zhì)變幅賦值。研究時段內(nèi)，地下水礦化度和總硬度在區(qū)域上有升有降，認為升高為負效應(yīng)、降低為正效應(yīng)，規(guī)定升高為正值、降低為負值。由1978—2015年區(qū)域地下水礦化度、總硬度統(tǒng)計進行變幅區(qū)間劃分。區(qū)間賦值見表2。

1—+4～+6;2—+2～+4;3—0～±2;4—-2～-4;5—-4～-6;6—-6～-8;7—-8～-10;8—-10～-20;9—<-20(“+”為水位升高，“-”為水位降低；單位m)圖1 山東省地下水水位變差分區(qū)圖(1978—2015年)

1—-1000～-1500;2—-500～-1000;3—0～±500;4—+500～1000;5—+1000～1500;6—+1500～2000(“-”表示礦化度減小值，“+”表示礦化度增加值；單位mg/L)圖2 山東省地下水礦化度變差分區(qū)圖(1978—2015年)

2 綜合評價分區(qū)

地下水環(huán)境演化綜合評價分級是根據(jù)綜合評價指數(shù)對演化程度的半定量化研究，所采用的資料均為歷年實測，所選評價因子雖有一定的局限性，但評價結(jié)果能夠直觀反映出多年來山東省地下水環(huán)境的總體演化趨勢和演化程度。

表2 評價因子變幅分區(qū)賦值

根據(jù)各評價因子權(quán)重、分區(qū)賦值進行地下水環(huán)境演化綜合評價指數(shù)計算。計算結(jié)果顯示：地下水環(huán)境演化綜合評價指數(shù)介于-30～60之間。經(jīng)反復(fù)討論、對比，將地下水環(huán)境演化程度劃分為三種類型:優(yōu)向演化區(qū)、波動平衡區(qū)和劣向演化區(qū)，對應(yīng)的綜合評價指數(shù)分別為≤-10，-10～10和≥10。針對劣向演化區(qū)綜合評價指數(shù)又劃分為5個亞區(qū)，按趨差程度分為五級演化區(qū)(表3、圖3)。

表3 山東省地下水環(huán)境演化綜合評價

從評價結(jié)果來看，山東省地下水環(huán)境優(yōu)向演化區(qū)只在局部小范圍內(nèi)發(fā)生，波動平衡區(qū)一般發(fā)生在地下水相對貧乏的基巖山區(qū)和魯西北平原區(qū)，劣向演化區(qū)主要發(fā)生在淺層孔隙水資源富集且人類活動強烈的區(qū)域。

3 地下水環(huán)境演化區(qū)綜述

3.1 優(yōu)向演化區(qū)

綜合評價指數(shù)≤-10。主要分布在魯西北平原區(qū)的濟陽、商河、陵縣北、樂陵西、臨清東、東明北和嘉祥凸起以南以及膠州灣沿岸。評價時段內(nèi)或水位上升或礦化度、總硬度降低，地下水環(huán)境總體向好的方向演化?？傮w來看，該類型區(qū)淺層水位變幅不大，礦化度和總硬度背景值較高，在區(qū)域地下水大規(guī)模開采的拉動下，淺層地下水循環(huán)條件局部得到改善，礦化度、總硬度降低。如齊河—濟陽沿黃地帶淺層孔隙水水位變幅±2m，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，深層孔隙水水位變幅小于30m，而總硬度由700～1000mg/L降至150～300mg/L。

3.2 波動平衡區(qū)

綜合評價指數(shù)-10～10。廣泛分布在魯中南、魯東丘陵山區(qū)和魯西北平原深層漏斗外圍區(qū)及黃河三角洲地區(qū)。評價時段內(nèi)地下水水位、水質(zhì)沒有出現(xiàn)持續(xù)升高或降低的現(xiàn)象，評價因子變幅在某一區(qū)間值內(nèi)波動，總面積約88250km2，占評價區(qū)面積的58%。

(1)魯中南和魯東丘陵山區(qū)

有利的地形地貌和水文氣象條件，使地下水循環(huán)交替加快，各類型地下水水位變化主要受大氣降水控制、調(diào)節(jié)，具有以豐補欠、多年平衡的特點。礦化度、總硬度背景值較低，其含量變化在某一區(qū)間上下波動或變幅較小。

(2)魯西北平原區(qū)深層漏斗外圍區(qū)

深層地下水開采致水位總體下降，地下水動力場發(fā)生了改變，但在德州、濱州、菏澤等深層漏斗區(qū)的外圍，水位降差值一般小于50m。淺層孔隙水大多為咸水-微咸水，開采量不大，局部人工開采能夠得到年內(nèi)大氣降水補給，水位呈多年平衡，礦化度和總硬度基本維持在40年前的水平。

(3)黃河三角洲地區(qū)深、淺層地下水均為咸水，人工開采十分微弱，水位、水質(zhì)總體沒有發(fā)生大的改變，水文地質(zhì)條件處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 劣向演化區(qū)

綜合評級指數(shù)≥10。評價時段內(nèi)或水位持續(xù)下降或礦化度、總硬度升高，水文地質(zhì)條件總體向差的方向演化。該類型區(qū)總面積為62709km2，占評價區(qū)面積的41%。其分布與水文地質(zhì)條件和人類活動關(guān)系密切，一般分布在淺層孔隙水相對富集的大型河流沖洪積扇區(qū)、山間河谷區(qū)、濱海平原區(qū)以及深層地下水開采高強度區(qū)和人口密集、工業(yè)發(fā)達的城區(qū)附近。

圖3 山東省地下水環(huán)境演化綜合評價圖

根據(jù)評價結(jié)果，結(jié)合水文地質(zhì)條件、所處地理位置、流域、地下水成因等，將劣向演化區(qū)劃分為12個演化亞區(qū)。

(1)魯西南平原沖積劣向演化亞區(qū)：位于魯西南平原中南部，包括曹縣全部及單縣、成武、鄆城、菏澤城區(qū)的部分地區(qū)。其中，曹縣南、成武西等局部地區(qū)屬二級演化區(qū)。從評價因子分析，淺層孔隙水水位降幅0～6m，其中東南部(成武以東)是該區(qū)水位降幅較大的區(qū)域。深層孔隙水水位降幅在菏澤城區(qū)超采漏斗中心最大，約80m，向外圍依次降低[6]。淺層孔隙水礦化度增幅在菏澤以北一般500～1000mg/L，巨野以北局部1000～1500mg/L，菏澤以南大部分地區(qū)0～500mg/L；總硬度增幅0～300mg/L，其中增幅50～150mg/L面積最大?？梢姡搧唴^(qū)深層孔隙水水位降低和淺層孔隙水礦化度增高對地下水環(huán)境劣向演化貢獻最大。

(2)冠縣-莘縣-陽谷-東阿-茌平劣向演化亞區(qū)：淺層孔隙水水位降幅一般0～14m，冠縣-莘縣-陽谷超采漏斗區(qū)降幅4～20m，茌平-東阿一帶降幅在2m上下波動。深層孔隙水水位降幅10～60m，茌平縣城附近大于55m，陽谷城區(qū)以東40m，兩地均形成了各自獨立的超采漏斗，其余地區(qū)降幅一般15～35m。淺層孔隙水礦化度增幅在莘縣-聊城-茌平以南較大，尤其在東阿一帶增幅達1500mg/L，陽谷一帶增幅500～1000mg/L。淺層孔隙水總硬度變幅為0～-150mg/L，冠縣-莘縣-陽谷漏斗區(qū)呈降低趨勢，外圍基本沒有發(fā)生變化[7-9]。淺、深層水位下降是造成該亞區(qū)劣向演化的主要因素，其次為淺層礦化度增高。

(3)德州-武城-夏津劣向演化亞區(qū)：淺層孔隙水水位降幅0～8m，由北而南降幅增大，夏津縣城及其以西是淺層孔隙水開采較為集中的地區(qū)。深層孔隙水水位降幅40～100m，形成以德州、武城、夏津為中心的漏斗區(qū)，德州城區(qū)附近降幅近40年間超過了100m，武城、夏津縣城附近降幅分別大于80m，55m。淺層孔隙水礦化度增幅0～1000mg/L，總硬度在武城-夏津一帶呈降低趨勢，降幅一般50～150mg/L。深層孔隙水集中開采引發(fā)水位下降是造成該亞區(qū)劣向演化的主導(dǎo)因素。

(4)禹城南劣向演化亞區(qū)：深層孔隙水水位降幅30～40m。淺層孔隙水礦化度增幅0～1500mg/L，且由外及內(nèi)增幅逐漸增大；總硬度西部增加、東部降低，西部增幅一般50～300mg/L，東部降幅50～150mg/L。淺層孔隙水礦化度、總硬度升高是該亞區(qū)劣向演化的主因。

(5)濱州-惠民劣向演化亞區(qū)：分布在濱州市區(qū)至惠民縣城之間。深層孔隙水水位降幅25～85m，濱州城區(qū)附近降幅最大。淺層孔隙水礦化度增幅500～1500mg/L，總硬度變化不大?？梢?，深層水水位降低和淺層孔隙水礦化度增高是劣向演化的主因[10]。

(6)樂陵-慶云劣向演化亞區(qū)：分布在樂陵和慶云縣城一帶，含一、二、三、四級演化級別，其中三、四級位于兩縣城之間及其以北地區(qū)。淺層孔隙水礦化度增幅500～2000mg/L，是全區(qū)礦化度增幅最大的地區(qū)之一，是劣向演化的主要因素。

(7)孝婦河-淄河-彌河-白浪河-濰河-膠萊河山前沖洪積扇劣向演化亞區(qū)：位于泰-沂山前諸河沖洪積扇區(qū)，呈近EW向帶狀分布，含一、二、三、四、五級演化級別，其中一、二、三級區(qū)在淄(博)-濰(坊)山前連為一體，四級區(qū)在廣饒、壽光、昌邑一帶獨立分布，五級演化區(qū)只分布在廣饒縣城西側(cè)小范圍內(nèi)。

淺層孔隙水水位降幅4～20m，在帶狀區(qū)的外圍降幅較小，至廣饒、壽光、昌濰漏斗中心區(qū)降幅大于20m。深層孔隙水水位降幅20～100m，在高青-博興-廣饒漏斗區(qū)水位降幅對地下水環(huán)境演化影響較大，博興縣城附近尤甚，其余地區(qū)影響較小。淺層孔隙水礦化度增幅500～2000mg/L，其中濟南東南部西營、廣饒-昌濰漏斗區(qū)礦化度增幅較大，尤其是昌邑以北海(咸)水入侵區(qū)增幅大于2000mg/L。淺層孔隙水總硬度增幅50～300mg/L，西營一帶增幅大于300mg/L，壽光-濰坊150～300mg/L。該區(qū)是境內(nèi)地下水環(huán)境劣向演化程度最高、影響因素最復(fù)雜的地區(qū)[11]，四項二級評價因子對地下水環(huán)境劣向演化均有貢獻，其中以淺層孔隙水水位降低和礦化度升高為主。

(8)汶-泗河流域山間、山前沖洪積扇劣向演化亞區(qū)：位于汶、泗河山間、山前第四系分布區(qū)，河流中上游呈帶狀、下游呈面狀展布，綜合評價指數(shù)10～50，含一、二、三、四級演化級別，其中一級區(qū)分布面積最大，二、三級區(qū)分布在萊蕪、新泰、寧陽、濟寧等城區(qū)小范圍內(nèi)，四級演化區(qū)只在寧陽城區(qū)分布。

淺層孔隙水水位降幅除濟寧市區(qū)附近為2～6m外，其余地區(qū)處于多年均衡狀態(tài)。汶上-濟寧中深層孔隙水水位降幅5～15m。淺層孔隙水礦化度增幅500～2000mg/L，總硬度增幅50～300mg/L。

以城區(qū)為中心的地下水礦化度和總硬度增高是劣向演化的主因。

(9)沂河-沭河流域山間、山前沖洪積劣向演化亞區(qū)：位于沂沭河流域中下游地區(qū)，北起沂南-莒縣-日照、西到臨沂-蒼山。淺層孔隙水水位除郯城附近降幅2～10m外，其余地區(qū)均較小。礦化度絕大部分地區(qū)增幅500～1000mg/L?？傆捕仍谝誓?、莒縣、臨沂、莒南范圍內(nèi)增幅150～300mg/L，外圍增幅50～150mg/L。郯城一帶淺層孔隙水水位下降是劣向演化的主因，中北部地區(qū)則以總硬度升高為主。

(10)棗-滕山前沖洪積劣向演化亞區(qū)：該區(qū)為嶧山、連子山、高山、抱犢山等山間諸河流沖積而成的山前平原。

淺層孔隙水水位在該區(qū)處于多年動態(tài)平衡，礦化度增幅500～1500mg/L，總硬度增幅50～300mg/L。礦化度、總硬度增高是劣向演化的主因。

(11)大沽河-五龍河流域山間沖洪積劣向演化亞區(qū)：位于五龍河上游、大沽河中上游地區(qū)，包括萊陽、萊西、膠州市的部分區(qū)域(含青島市區(qū)附近)。地下水水位基本處于多年均衡狀態(tài)。礦化度增幅500～1500mg/L，二級區(qū)增幅1000～1500mg/L?？傆捕仍龇?0～300mg/L，二級區(qū)增幅150～300mg/L。北部二級區(qū)是人為污染造成，青島市區(qū)受海水入侵和城市污染雙重影響所致。

(12)膠北沿海諸河流域山前沖洪積劣向演化亞區(qū)：位于煙臺、威海市北部的沿海平原區(qū)，西起萊州，經(jīng)招遠-龍口-蓬萊-煙臺-威海至榮成市東部沿海地區(qū)。淺層孔隙水水位變幅較小。地下水礦化度增幅500～2000mg/L，在招遠市區(qū)及西部、煙臺市大沽夾河下游、威海市沿海地帶增幅一般1000～2000mg/L，局部大于2000mg/L?？傆捕仍龇?0～300mg/L，招遠和威海沿海地區(qū)增幅一般150～300mg/L。

4 結(jié)語

自20世紀70年代后期開始，山東省地下水環(huán)境總體向差的方向演化，劣向演化區(qū)占總面積的40%左右。根據(jù)劣向演化區(qū)分布特點和貢獻因子分析，淺層孔隙水水位局部下降和深層孔隙水水頭整體降低是引發(fā)地下水動力環(huán)境改變、含水系統(tǒng)儲水能力降低、可利用水資源量減少、海(咸)水入侵、地面沉降等地質(zhì)環(huán)境問題發(fā)生的主要因素[12]。

平原區(qū)地下水污染呈現(xiàn)由點狀向面狀演化、由城市向農(nóng)村擴散、由淺部向深部發(fā)展的趨勢。丘陵山區(qū)及山前巖溶水水質(zhì)較好，但在部分地區(qū)也相繼出現(xiàn)泉水斷流、地下水污染現(xiàn)象[13-14]。因此，應(yīng)加強地下水資源合理開發(fā)利用總體規(guī)劃，建立健全地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，保護地下水環(huán)境質(zhì)量。