攀西地區(qū)地下水防污性能評價與防治研究

伍輝成

(四川省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局攀西地質(zhì)隊，四川 西昌 615000)

1 前 言

不同的巖溶條件，決定了不同的地下水防污性能評價方法，目前，評價地下水系統(tǒng)防污性方法很多，例如參數(shù)系統(tǒng)法、數(shù)值模型法、關(guān)系分析法、模糊數(shù)學(xué)法等，而常用的模型有COP(C—匯流，O—上覆層，P—降水)模型、PLEIK(P—保護性蓋層，L—土地類型與利用程度，E—表層巖溶帶發(fā)育強度，I—入滲補給強度，K—巖溶網(wǎng)絡(luò)發(fā)育情況)模型、PTHQET(P—弱透水層垂向滲透系數(shù)，T—弱透水層厚度，H—潛水和承壓水水頭差，Q—潛水含水層水質(zhì)現(xiàn)狀，E承壓含水層開采強度，T—承壓含水層導(dǎo)水系數(shù))模型等[1]。攀西地區(qū)屬于以裸露山區(qū)為主，包括覆蓋層(風(fēng)化殘積層)極薄的裸露巖溶區(qū)、覆蓋層相對較厚的非巖溶區(qū)，而裸露巖溶區(qū)具有巖溶發(fā)育層，能調(diào)蓄地下水，極大的影響地下水系統(tǒng)[2]。PLEIK模型有5個指標(biāo): 保護性蓋層P、土地類型與利用程度L、表層巖溶帶發(fā)育強度E、入滲補給強度I、巖溶網(wǎng)發(fā)育情況K。PLEIK較適合于這種裸露區(qū)及區(qū)內(nèi)夾少量非巖溶區(qū)，故采用PLEIK模型進(jìn)行評價。

通過對攀西地區(qū)地下水監(jiān)測資料研究，采用PLEIK模型對地下水系統(tǒng)防污能力進(jìn)行評價，從而進(jìn)行合理的防治規(guī)劃，以期為攀西地區(qū)地下水用水工程提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

攀西地區(qū)以涼山州及攀枝花市兩個行政區(qū)為主，面積約38 300km2。地處青藏高原的東緣，系青藏高原與云貴高原的接合部位。自中元古界薊縣系至新生界第四系均有出露，以古生界、中生界巖溶最發(fā)育。

3 評價指標(biāo)與定額

3.1 保護性蓋層(P)

攀西地區(qū)以裸露山區(qū)為主，包括覆蓋層(風(fēng)化殘積層)極薄的裸露巖溶區(qū)、覆蓋層相對較厚的非巖溶區(qū)；山前沖洪積、冰積物厚度一般在2m～10m，由灰色、黃灰、棕褐色粘土巖、粉質(zhì)粘土、粉砂與粗砂礫石層組成典型的二元結(jié)構(gòu)層，礫石成分復(fù)雜，具分選性和定向疊瓦狀排列，砂質(zhì)充填，微膠結(jié)，局部砂層中交錯層理發(fā)育。該層一般構(gòu)成安寧河漫灘，Ⅰ～Ⅱ級階地。全新統(tǒng)殘坡積、湖積層多為棕紅色粘土層，灰黑色淤泥層則多為山原及山間洼地堆積物。

調(diào)查分析認(rèn)為，工作區(qū)內(nèi)土層厚度小于20cm的地區(qū)主要分布于坡度大于15°的山坡和山頂區(qū)；土層厚度20cm～100 cm主要分布于坡度5°～15°之間的緩坡、山間谷地地區(qū)；土層厚度100cm～150 cm主要分布于坡度小于5°的安寧河谷等谷地區(qū)；土層厚度大于150cm的主要分布在山前地帶。

工作區(qū)主要土壤類型有紅壤、黃壤、黃棕壤、棕壤、紫色土、水稻土、石灰土，土層CEC值(土壤陽離子交換量)均在10 meq/100g～100 meq/100g，在一定pH值(=7)時，每千克土壤中所含有的全部交換性陽離子的厘摩爾數(shù)就為CEC值，CEC值的大小，基本上代表了土壤可能保持的養(yǎng)分?jǐn)?shù)量，即保肥性的高低。數(shù)值越大保肥力越強，<10 meq/100g為弱，10 meq/100g～100 meq/100g為中，100 meq/100g～200 meq/100g為較強，>200 meq/100g為強，土層保護性蓋層的防污性能取決于溶蝕溶蝕縫內(nèi)充填物性質(zhì)和充填程度，都是由CEC值計算而來的。根據(jù)不同土壤類型特征、厚度評分標(biāo)準(zhǔn)(表1、表2)，綜合得到P指標(biāo)賦值分級圖(圖1)。

表1 P因子(保護性蓋層)分類表Tab.1 P factor(Protective caprock) classification table

表2 P因子(保護性蓋層)評分表Tab.2 P factor(Protective caprock) score table

3.2 土地類型與利用程度(L)

根據(jù)土地類型與利用現(xiàn)狀分區(qū)圖，評價區(qū)可分為林地、草地、園地、耕地、裸地、村鎮(zhèn)及工礦用地等五種, L因子取值詳見表3。

由工作區(qū)土地開發(fā)利用情況，根據(jù)表3得到L指標(biāo)賦值分級圖(圖2)。

圖1 P因子分級圖Fig.1 P factor classification diagram

土地類型及利用程度評分特性描述林地(L1)10以喬木為主、植被覆蓋率大于60%的有林地(不包括幼林)草地(L2)8以灌叢、荒草為主的土地(包括幼林)園地(L3)6用于種植果樹的土地耕地(L4)4用于耕種的土地(包括菜地)裸地(L5)2幾乎無植被覆蓋城鎮(zhèn)及工礦用地(L6)1包括居民區(qū)、工廠和礦山用地、公路等工程建設(shè)用地

圖2 L因子分級圖Fig.2 L factor classification diagram

3.3 表層巖溶帶發(fā)育強度(E)

工作區(qū)多屬中高山區(qū)，受氣候、地形、水動力條件等的影響，表層巖溶帶發(fā)育程度相對較弱。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)圖中的出露地層巖組類型，對表層巖溶帶發(fā)育進(jìn)行分級(表4)，最后獲得表層巖溶帶發(fā)育強度分布圖(圖3)。

3.4 入滲補給強度(I)

圖3 E因子分級圖Fig.3 E factor classification diagram

入滲補給強度可采用巖溶含水層的入滲補給類型和補給強度兩個分因子來描述。調(diào)查顯示，評價區(qū)內(nèi)僅局部地區(qū)(巖溶含水層的入滲補給類型鹽邊縣格薩拉鄉(xiāng)、鹽源縣棉椏鄉(xiāng)一帶)發(fā)育有少量的落水洞，屬于點狀集中入滲補給；其它地區(qū)以面狀入滲補給為主。補給類型屬性分級詳見表5。

對于非巖溶區(qū)，入滲補給類型則根據(jù)平均地形坡度分別按I3、I4來考慮；對于地形坡度<10%的耕作、荒地區(qū)和坡度<25%的草地、林地區(qū)按I3來考慮。

表4 E因子(表層巖溶帶發(fā)育強度)評分表Tab.4 E factor(Epikarst development) score table

表5 入滲補給類型分類表Tab.5 Infiltration recharge type classification table

降雨強度也是影響入滲補給強度的主要因素之一。評價區(qū)不同時期的降水強度有很大差別，當(dāng)雨強小于下滲能力時，不產(chǎn)生地面徑流；暴雨期, 補給強度較大，初期會導(dǎo)致污染物大量而快速的遷移進(jìn)入目標(biāo)含水層， 但后期則具有較大的稀釋效應(yīng)。

攀西地區(qū)則屬于干濕季分明的亞熱帶季風(fēng)氣候，該區(qū)降水地區(qū)差異大，大部分地區(qū)年降水800～1 200mm。干、濕季的變換極為明顯，5～9月為雨季，10月至次年4月為旱季，雨季降水占全年總降水量的80%～90%。

圖4 攀西地區(qū)雨季多年平均降水量空間分布圖Fig.4 Spatial distribution diagram of annual mean precipitation

根據(jù)資料收集情況，降雨強度因子取雨季6～9月的多年月平均值(圖4)。結(jié)合入滲補給類型分級和降雨強度分級，將I因子劃分為12個級別(表6)，并得到評價區(qū)入滲補給強度分級圖(圖5)。

圖5 I因子分級圖Fig.5 Ifactor classification diagram

表6 I因子(入滲補給強度)評分表Tab.6 I factor(Infiltration recharge intensity) score table (mm/a)

3.5 巖溶網(wǎng)絡(luò)發(fā)育情況(K)

采用地下水徑流模數(shù)作為評價含水層巖溶網(wǎng)絡(luò)發(fā)育的參數(shù)(表7)。

徑流模數(shù)范圍值的確定以1∶50萬水文地質(zhì)圖為基礎(chǔ)，結(jié)合1∶20萬區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查成果和本項目野外調(diào)查成果，重點圈定徑流模數(shù)>10L·s-1·km-2的區(qū)域。將巖溶地下河強烈發(fā)育區(qū)(徑流模數(shù)>10L·s-1·km-2)概化為強烈發(fā)育的巖溶網(wǎng)，巖溶地下河中等發(fā)育區(qū)(10 L·s-1·km-2>徑流模數(shù)>5L·s-1·km-2)概化為中等發(fā)育的巖溶網(wǎng)，巖溶地下河強烈發(fā)育區(qū)(徑流模數(shù)<5L·s-1·km-2)概化為弱發(fā)育的巖溶網(wǎng)，其他區(qū)域為混合和裂隙含水層區(qū)(圖6)。

表7 K因子(巖溶網(wǎng)絡(luò))評分表Tab.7 K factor(karst network)score table

圖6 K因子分級圖Fig.6 K factor classification diagram

4 計算方法

為定量評價地下水系統(tǒng)防污性能大小, 需要對PLEIK屬性進(jìn)行數(shù)值計算, 主要包括兩個部分: 權(quán)重賦值確定與指標(biāo)等級劃分。計算方法見以下公式:

DI=Wp×Pi+WL×Lj+WE×Ek+WI×Im+WK×Kl

其中，DI值為防污性能等級評價值, DI值越低, 防污性能越??；Wp，WL，WE，WI，WK為權(quán)重賦值；Pi、Lj、Ek、Im、Kl為等級分值。

根據(jù)評價區(qū)特點分析，認(rèn)為影響地下水系統(tǒng)防污性能的主要因素是P和I，因為區(qū)內(nèi)地形高差大,導(dǎo)致山前地帶較多，即P4區(qū)域較多，P因子影響權(quán)重分配較大，同時，高差大也更大概率地讓巖溶含水層的入滲補給類型根據(jù)平均地形坡度分別按I3、I4來考慮，對I因子權(quán)重分配影響增大；其次是L和K因子，對于攀西地區(qū)來說，林地、草地占了全區(qū)90%以上，對L因子權(quán)重分配影響一般，而攀西地區(qū)85%以上為混合和含水層，對K因子權(quán)重分配影響一般；攀西地區(qū)多屬中高山區(qū)，受氣候、地形、水動力條件等的影響，表層巖溶帶發(fā)育程度相對較弱，而中高山區(qū)E表層帶大部分都不是很發(fā)育，E因子影響程度反而降低。

采用層次分析法求得各值權(quán)重：即以A=(P、L、E、I、K)為第一層次權(quán)重集，第二層權(quán)重集為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)。確定各層次判斷矩陣，并求解特征向量，特征向量的各分量即為權(quán)重值。最后求得

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

根據(jù)權(quán)重值計算DI值，最終劃分防污性能等級(表8)。

表8 DI值(Drastic指數(shù))分級表Tab.8 DI value (Drastic index)grading table

5 評價結(jié)果

根據(jù)以上各個因子分區(qū)圖，在arcgis中做空間分析，對各個指標(biāo)做相交分析，計算出攀西地區(qū)DI值屬性，再根據(jù)DI屬性值形成攀西地區(qū)防污性能評價分區(qū)圖(圖7)。攀西地區(qū)為中高山區(qū)，以碳酸鹽巖夾碎屑巖為主，表層巖溶弱發(fā)育。結(jié)合評價結(jié)果，地下水系統(tǒng)防污性能共分為4個區(qū)：防護性能好、防護性能較好、防護性能中等和防護性能較差。

總體上，評價區(qū)地下水系統(tǒng)防污性能較好，地下水系統(tǒng)防污性能好～較好級面積約占評價區(qū)總面積的82%，分布在除鹽源縣中部和鹽邊縣西北部的絕大部分地區(qū)，且連片分布。該區(qū)多為高山峽谷地貌，地形高差大，巖溶弱發(fā)育，且多夾有非巖溶地層。

地下水系統(tǒng)防污性能中等區(qū)面積約占評價區(qū)總面積的12%，主要分布在評價區(qū)中部(鹽源縣和鹽邊縣巖溶中等發(fā)育區(qū))和西北角(理塘縣東南部巖溶區(qū))，在東部和南部地區(qū)零星分布。

地下水系統(tǒng)防污性能較差區(qū)面積約占評價區(qū)總面積的6%，主要分布在鹽源縣中部和鹽邊縣西北部的巖溶發(fā)育區(qū)。

圖7 攀西地區(qū)防污性能評價分區(qū)圖Fig.7 Antipollution performance evaluation diagram in Panxi Area

6 地下水污染防治研究

受地形、水文地質(zhì)條件、人類活動強度等影響，攀西地區(qū)地下水質(zhì)量相對較好，地下水污染程度相對較輕，未發(fā)現(xiàn)3級及3級以上。因此，攀西地區(qū)一般保護區(qū)面積占總面積的96.43%，防控區(qū)占3.57%，無治理區(qū)。攀西地區(qū)未能劃分地下水污染治理區(qū)，并不是表示攀西地區(qū)沒有污染場地；只是這些污染場地均位于非巖溶區(qū)，且大多在河谷地帶，污染物主要對河谷內(nèi)局部第四系孔隙潛水產(chǎn)生污染。河谷地帶地下水會在短距離內(nèi)直接向地表水體排泄，對地下水的影響有限；而且這類污染源在攀西地區(qū)分布太多，堆存歷史悠久，很難處理。因此，本次評價將類似地區(qū)均劃為污染防控區(qū)。防控區(qū)面積2 878 km2，零星分布于米易、會理、甘洛、犍為、沐川等地區(qū)。區(qū)內(nèi)地下水多為Ⅲ類和Ⅳ類水質(zhì)局部污染源分布較多(以煤礦、硫鐵礦、鉛鋅礦、磷礦為主)，防污性能差—中等，人類活動較為頻繁。一般防護區(qū)廣泛分布于攀西地區(qū)，巖溶類型以裸露型巖溶區(qū)、侵蝕中高山區(qū)為主。區(qū)內(nèi)污染源相對較少，地下水防污性能較好～好，地下水類型以裂隙水、巖溶水為主，區(qū)內(nèi)人類活動相對較弱，地下水質(zhì)量以Ⅱ類和Ⅲ類為主。盡管各水源地目前水質(zhì)較好，但仍需要加大保護力度。

具體防治措施[3]為在防控區(qū)內(nèi)對水源地保護區(qū)內(nèi)已經(jīng)存在的重點污染企業(yè)進(jìn)行關(guān)停、搬遷，不能關(guān)停和搬遷的重點污染企業(yè)必須建設(shè)完善的污水處理設(shè)施，對污水進(jìn)行綜合處理，達(dá)標(biāo)后進(jìn)行綜合循環(huán)利用或排放；對水源地內(nèi)的固廢進(jìn)行清除和治理，為防止人類不合理活動對地下水水源地保護區(qū)水量、水質(zhì)造成影響，對每個地下飲用水水源地保護區(qū)實施護欄、圍網(wǎng)、警示牌等物理隔離工程。對水源地保護區(qū)應(yīng)建立防護林、綠地緩沖帶和應(yīng)急處理池建設(shè)工程。對巖溶漏斗和落水洞等污染物易直接進(jìn)入地下水系統(tǒng)的通道，必須劃入一級保護區(qū)。向巖溶漏斗和落水洞匯流的區(qū)域內(nèi)應(yīng)禁止污水直接排放。

在一般保護區(qū)內(nèi)目前區(qū)域地下水環(huán)境自凈能力強，具有一定的環(huán)境容量和污染負(fù)荷，地下水潛在污染的風(fēng)險較低。人類活動較小，注意環(huán)境保護，發(fā)揮地下水自身功能。加強環(huán)境保護，維護地下水功能，這一地區(qū)可根據(jù)實際情況，在各項環(huán)保措施充分落實的前提下，可考慮作為城市各縣市建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展的供水水源地[4]。

7 結(jié) 論

7.1 攀西地區(qū)屬于以裸露山區(qū)為主，PLEIK較適合于這種裸露區(qū)及區(qū)內(nèi)夾少量非巖溶區(qū)的，故采用PLEIK模型進(jìn)行評價較好。

7.2 總體上，攀西地區(qū)地下水系統(tǒng)防污性能較好，地下水系統(tǒng)防污性能好～較好級面積分布在除鹽源縣中部和鹽邊縣西北部的絕大部分地區(qū)，且連片分布。

7.3 攀西地區(qū)地下水質(zhì)量相對較好，地下水污染程度相對較輕，攀西地區(qū)未能劃分地下水污染治理區(qū)，并不是表示攀西地區(qū)沒有污染場地，只是這些污染場地均位于非巖溶區(qū)，且大多在河谷地帶，污染物主要對河谷內(nèi)局部第四系孔隙潛水產(chǎn)生污染。污染防控區(qū)零星分布于米易、會理、甘洛、犍為、沐川等地區(qū)。一般防護區(qū)廣泛分布于攀西地區(qū)。

7.4 攀西地區(qū)地下水污染防治主要分防控區(qū)和一般保護區(qū)。防治區(qū)對已經(jīng)存在的重點污染企業(yè)進(jìn)行關(guān)停、搬遷，或者綜合處理；對水源地內(nèi)的固廢進(jìn)行清除和治理，為防止人類不合理活動對地下水水源地保護區(qū)污染。對巖溶漏斗和落水洞劃入一級保護區(qū)。向巖溶漏斗和落水洞匯流的區(qū)域內(nèi)應(yīng)禁止污水直接排放。在一般保護區(qū)內(nèi)，注意加強環(huán)境保護，發(fā)揮地下水自身功能。可根據(jù)實際情況，在各項環(huán)保措施充分落實的前提下，可考慮作為城市各縣市建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展的供水水源地。