濟南泉域巖溶地下水防污性能評價方法研究

張海濤，劉文靜，傅玲子，劉 葉，寇明月

(中國石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東 東營 257000)

著名的四大泉群分布在濟南泉域內(nèi)，是濟南市內(nèi)最著名的旅游景點之一。在濟南市內(nèi)每天都有約一萬多的濟南人在飲用著泉水，一旦泉水水質(zhì)嚴重下降，不僅會損害濟南市泉城的城市形象，而且將構(gòu)成嚴重的供水安全威脅。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，濟南市四大泉群泉水常規(guī)離子污染呈明顯惡化趨勢，其中硝酸鹽、硫酸根離子、氯離子以及溶解性總固體等生活飲用水常規(guī)指標含量較上世紀50年代有著明顯的增加，摸清濟南泉域不同區(qū)域防污能力，對濟南泉域地下水污染的分區(qū)治理和調(diào)控具有非常重要的意義。

影響地下水防污能力的因素有很多，主要包括：自然因素的影響和人為因素的影響[1]。前者主要包括坡度、氣象條件、土壤性質(zhì)及含水層性質(zhì)等；后者包括地面覆蓋、地下水開采、人口密度及污染源特征等。在進行防污性能評價時采用的指標越多，相應(yīng)的工作量也就越大；有些指標在進行大范圍的評價中難以獲得真實、準確的數(shù)據(jù)；指標與指標之間容易相互摻雜，以致重復(fù)使用。所以，地下水防污能力評價的關(guān)鍵就是建立科學(xué)的指標體系。地下水防污性能評價所采用的常用評價方法都是以研究目的、評價區(qū)域范圍、水文地質(zhì)條件、自然地理背景及人類影響等方面綜合考慮，進而確定評價指標及評價方法。

1 濟南泉域概況

濟南泉域位于泰山穹隆的北翼，總體上是一個以古生代地層為主體向北傾斜的單斜構(gòu)造。濟南泉域由南向北依次出露的地層包括：新太古界泰山巖群、寒武系、奧陶系。

濟南泉域巖溶地下水主要賦存和運移于寒武系中統(tǒng)張夏組、上統(tǒng)鳳山組和奧陶系石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r的巖溶裂隙內(nèi)。由于該類巖石巖溶裂隙發(fā)育良好，且彼此相互連通，有利于地下水的補給、徑流和富集，在重力作用下，形成一個具有統(tǒng)一水面的含水體。

從巖溶地下水的補給、徑流以及排泄條件來看，濟南泉域內(nèi)存在著雨水、地表水與地下水之間的相互轉(zhuǎn)化。大氣降水一部分形成表流，一部分直接下滲進入地下含水層；部分地下水又以裂隙下降泉的方式排泄進入地表水，“三水”轉(zhuǎn)化關(guān)系既明顯又復(fù)雜。

2 防污性能評價方法

2.1 DRASTIC模型

地下水防污性能評價采用最多的方法就是 DRASTIC 模型。DRASTIC 模型是針對第四系松散巖類孔隙水而開發(fā)，該方法更適合大尺度淺層地下水防污評價[2-3]。DRASTIC 模型考慮的影響因素主要包括含水層埋深(D)、凈補給量(R)、含水層介質(zhì)類型(A)、土壤介質(zhì)類型(S)、坡度(T)、包氣帶介質(zhì)類型(I)、含水層滲透系數(shù)(C)。評價綜合指數(shù)計算公式如(1)所示：

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

(1)

式中，EI 為評價綜合指數(shù)；Q、W 分別是各參數(shù)的分級及相應(yīng)的權(quán)重。

國內(nèi)外許多學(xué)者也嘗試應(yīng)用該模型對巖溶地下水防污性能進行評價，但評價結(jié)果并不理想[4]。其原因主要是DRASTIC 模型針對的是淺層地下水的防污能力的評價，未能考慮巖溶含水層的特殊性(巖溶含水層的“二元”特點，以及落水洞、漏斗及天窗等對防污性能的影響)；該模型也很難處理特殊的巖溶含水層。

2.2 EPIK模型

EPIK模型的開發(fā)是針對于巖溶區(qū)域地下水防污能力的評價，該模型綜合考慮了“ 落水洞集中入滲”等因素。EPIK模型考慮的影響因素主要包括表層巖溶帶性質(zhì)(E)、保護層特征(P)、降雨入滲條件(I )及巖溶管道發(fā)育條件(K)。E因子用來表征表層巖溶帶中降水的儲存和運移情況；I因子主要考慮坡度和土地利用等因素的影響；保護層因子表征從地表到巖溶地下水位之間的覆蓋層對地下水防污能力的影響；巖溶管道發(fā)育狀況因子表征巖溶含水層中巖溶網(wǎng)絡(luò)發(fā)育條件。

由于循環(huán)冷卻水占工業(yè)用水的比例很大，所以節(jié)約循環(huán)冷卻水的新鮮水用量，可極大地緩解我國水資源短缺的矛盾，減少污水排放，可減輕周邊環(huán)境的水體污染狀況，這對保證環(huán)境經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，促進生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，改善人居環(huán)境狀況有著重要的意義[2]。

EPIK模型評價結(jié)果(9～34)數(shù)值越大，巖溶地下水防污能力越強。具體計算公式如(2)所示：

F=WE·QE+WP·QP+WI·QI+WK·QK

(2)

其中：Q為各個因子的評分；W為各個因子的權(quán)重。

2.3 PI模型

PI 模型評價指標體系主要包括：保護層因子(P) 和徑流因子(I)。保護層因子表征從地表到地下水位之間的覆蓋層對地下水防污能力的影響；徑流因子描述巖溶地下水的徑流特征，I因子表征通過落水洞與漏斗快速補給巖溶地下水的情況[5]。其計算方法為P因子和I因子的乘積。評價結(jié)果取值越小，巖溶地下水防污能力越弱。

保護層因子(P)根據(jù)公式(3)計算得出:

PTS=[T+(∑i=1mSi·Mi+∑j=1nBj·Mj)]·R+A

(3)

式中:T為地表土壤層厚度指數(shù)；S為各層土壤類型屬性值；B為各覆蓋層基巖因子(由巖性因子L與構(gòu)造因子F決定)；M為各覆蓋層厚度；R為年均補給量指數(shù)；A為壓力常數(shù)。

徑流因子(I)的影響因素主要包括：地表植被覆蓋、地形坡度、地表與低滲層間距離、水力傳導(dǎo)系數(shù)、落水洞及地下暗河等。

評價結(jié)果(P因子和I因子的乘積)在 0.0～5.0 之間，以符號π表示，π的取值越大表示巖溶地下水的防污能力越強。

2.4 COP模型

COP模型以C因子表征評價區(qū)域的徑流條件；O因子表征評價區(qū)巖溶地下水覆蓋層的保護條件；P因子表征評價區(qū)域大氣降水特征；K 因子表征巖溶網(wǎng)絡(luò)發(fā)育狀況[6]。

C 因子的影響因素主要包括地表覆蓋、地形坡度、地表與地下徑流、土壤特征、豎井及高滲漏區(qū)域等。O 因子主要受外源補給過程影響。影響P因子的因素主要包括降雨量、降雨頻率及持續(xù)時間等。K 因子表征巖溶含水層從粒間孔隙發(fā)育到巖溶管道的程度。

COP模型評價結(jié)果用R(R =C×O×P)表示，即C、O、P三個因子的乘積，根據(jù)評價結(jié)果數(shù)值的大小，巖溶地下水防污能力一般可以劃分為五個等級：極端、高、中、低、很低。

2.5 二元法

二元法比較簡單，只考慮覆蓋層和徑流特征對巖溶地下水防污能力的影響[7]。二元法包括兩個因子C因子(覆蓋層)和O因子(徑流特征)。其中C因子主要受低滲透碎屑巖與落水洞等點狀入滲以及地表溪流集中入滲影響。當?shù)乇肀煌寥缹痈采w，但土壤層和包氣帶比較薄時，污染物也能快速的補給巖溶地下水，所以地表的巖溶形態(tài)并不能直接反映巖溶地下水的防污能力。

2.6 Slovenia 模型

Slovenia 模型是在歐洲模型的基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量的創(chuàng)新和改進而開發(fā)出來的，該方法主要考慮覆蓋層因子(O)、大氣降水因子(P)、徑流特征因子(C)和巖溶特征因子(K)等。Slovenia 模型細化了不同降水條件下巖溶含水層的防污性能，即以80mm/d降水量為分界線將大氣降水細分為常規(guī)降水和極端降降水。該模型還綜合考慮了落水洞的影響：受地下水位波動變化的影響，一部分落水洞平時與巖溶含水層之間的聯(lián)系很弱，只有地下水水文較高時污染物才會通過落水洞補給巖溶地下水，不同落水洞的影響在評價過程中應(yīng)該分別考慮。同時，Slovenia 模型中K因子既考慮了巖溶發(fā)育程度差異的影響，也包含了巖溶地下水水動力特征及排泄的影響。

此外，Slovenia 模型還考慮了污染物在含水層中遷移時間、示蹤實驗回收率對評價指標體系的影響。

3 評價方法選取

3.1 主要考慮因素

鑒于巖溶地質(zhì)條件的特殊性，巖溶地下水污染防污性能評價應(yīng)考慮以下幾個方面:

巖溶系統(tǒng)具有高度的異質(zhì)性和各向異性，評價時各因素的影響都應(yīng)進行綜合考慮；巖溶地下水補給既包括滲漏補給、落水洞點狀補給，也包括低滲漏覆蓋層的地區(qū)地表和地下側(cè)面流的補給；表層巖溶帶是水流儲存與匯集的區(qū)域，也可以影響其防污能力[8-9]；巖溶系統(tǒng)往往存在雙層結(jié)構(gòu)，巖溶地下水一般儲存于孔隙和裂隙中，孔隙和裂隙可以吸附一些穩(wěn)定的污染物，運移作用主要發(fā)生在巖溶管道中，巖溶管道能夠快速的運移非持久性污染物，所以應(yīng)該考慮到巖溶系統(tǒng)對污染物的稀釋凈化作用；巖溶系統(tǒng)對水文條件的變化非常敏感，巖溶地下水水位在短時間內(nèi)變化幅度能夠達到十幾米，所以巖溶地下水位基本不連續(xù)也難以確定。

3.2 方法的選取

從評價方法來看，國內(nèi)巖溶地下水防污性能評價所采用的方法大體分為2 類，即DRASTIC 模型和歐洲模型。DRASTIC模型應(yīng)用廣泛，我國在進行地下水防污性能評價時應(yīng)用最多的也是DRASTIC模型。但是DRASTIC模型主要針對第四系松散巖類孔隙水的防污性能評價，應(yīng)用于巖溶巖溶地下水評價時效果不太理想，雖然國內(nèi)已有很多學(xué)者對該方法進行了創(chuàng)新和改進，但效果仍然較差。

歐洲模型則比較適合應(yīng)用于巖溶地下水防污性能的評價，在歐洲的很多應(yīng)用案例其評價結(jié)果較好[10]。歐洲模型的種類及優(yōu)缺點如下：

EPIK模型應(yīng)用于評價巖溶地下水預(yù)防農(nóng)業(yè)污染源污染的能力評價方面效果較好。針對氣候因素、水文地質(zhì)條件、“ 二元” 補給以及包氣帶厚度等因素的影響，該方法未能進行綜合考慮，EPIK模型僅適用于小范圍的水源地防污評價。

PI 模型一種定性評價方法，該方法將大氣降水的影響貫穿于保護層因子和徑流因子中。PI 模型需要相對詳細的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。此外，PI模型沒有考慮巖溶管道的影響，只能應(yīng)用于資源的防污性能評價。

COP模型靈活性高，不同地區(qū)、時間、數(shù)據(jù)及經(jīng)濟支持條件下，都能對巖溶含水層防污性能進行有效評價。但COP模型未考慮巖溶含水層飽和帶對巖溶地下水防污性能的影響，該方法更適用于資源的防污性能評價。

二元法是一種極端簡化的方法，沒有考慮地表覆蓋和土地利用對地下水防污性能的影響。

Slovenia模型是以歐洲模型為基礎(chǔ)經(jīng)過大量創(chuàng)新和改進所得出，綜合考慮了地表水、伏流與巖溶地下水之間的水力聯(lián)系的影響。該方法的不足之處是缺少水位較高時期評價結(jié)果的準確性檢驗。

所以在研究區(qū)基礎(chǔ)資料比較缺乏時，可以選用二元法和EPIK模型，農(nóng)業(yè)污染比較嚴重時側(cè)重于EPIK模型，基礎(chǔ)資料比較翔實的條件下，如果需要進行細致研究和剖析，選用Slovenia模型，資源型防污性能評價則選用COP模型或者PI方法。

濟南市是世界聞名的泉城，泉水在經(jīng)濟、文化領(lǐng)域都是重要的組成部分，針對泉水不同部門做了大量的研究工作，基礎(chǔ)資料非常充實，同時濟南泉域巖溶系統(tǒng)防污性能評價是為地下水污染分區(qū)治理及調(diào)控提供理論支持，所以在對濟南泉域巖溶系統(tǒng)進行防污性能評價時，可選用COP模型或者PI模型。

4 結(jié)論及建議

(1)針對巖溶系統(tǒng)防污性能研究方面，歐洲模式要優(yōu)于美國的DRASTIC模型，基礎(chǔ)資料缺乏時，選用二元法或EPIK模型，農(nóng)業(yè)污染問題優(yōu)先選用EPIK模型，基礎(chǔ)資料翔實時，選用Slovenia模式進行細致研究和剖析，資源型防污性能評價則選用COP模型或者PI方法。

(2)濟南市各部門針對泉水做了大量的研究工作，基礎(chǔ)資料非常充實，同時濟南泉域巖溶系統(tǒng)防污性能評價是為地下水污染分區(qū)治理及調(diào)控提供理論支持，應(yīng)該優(yōu)先選用COP模型或者PI方法。

(3)巖溶含水層水文地質(zhì)系統(tǒng)、地貌及其生態(tài)系統(tǒng)有著更為復(fù)雜而密切的聯(lián)系，一方面的變化可導(dǎo)致其他方面一系列的、不成比例的巨大改變。在保護巖溶地下水資源時要有系統(tǒng)觀念，除了研究地下水自身防污性能方面，還要考慮其覆蓋層、地形地貌、天然植被和土地利用方式等整個巖溶生態(tài)系。