魯中南基巖地區(qū)水文地質(zhì)特征及地下水環(huán)境地質(zhì)問題分析

顏翠翠，譚志容*，朱恒華，王煒龍

（1.山東省地勘局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊（山東省魯北地質(zhì)工程勘察院），山東德州253072；2.山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟南250013；3.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430074）

0 引言

眾所周知，2011 年山東省及周邊省份遭遇到60 年不遇的自然干旱天氣，導(dǎo)致魯南低山丘陵區(qū)地表水源干涸，農(nóng)作物灌溉和人畜飲水困難，缺水狀況十分嚴(yán)峻。為實現(xiàn)水文地質(zhì)工作從應(yīng)對式向主動式轉(zhuǎn)變，迫切需要查明區(qū)內(nèi)地下水資源分布狀況并制定地下水可持續(xù)利用對策。自2012 年開始，山東省自然資源廳陸續(xù)啟動了1∶5 萬標(biāo)準(zhǔn)分幅區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查項目，旨在提高我省水文地質(zhì)研究程度，服務(wù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟社會發(fā)展［1-7］?；诖耍敬瓮ㄟ^實施的水文地質(zhì)鉆孔及機民井調(diào)查資料發(fā)現(xiàn)，實施的鉆孔單井涌水量達到了1000～4000 m3/d，有效解決了當(dāng)?shù)赜盟y題，為下一步在魯中南基巖地區(qū)尋找新的目標(biāo)含水層、找水定井工作提供技術(shù)指導(dǎo)。取得了一系列水文地質(zhì)調(diào)查評價成果。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理條件

莒縣基巖地區(qū)地處魯東南低山丘陵區(qū)，位于日照市西部，處于“一帶一路”重要節(jié)點和山東半島藍色經(jīng)濟區(qū)、魯南經(jīng)濟帶重要交匯點上。沭河自北向南縱貫全縣。莒縣沭河下游地區(qū)是莒縣工農(nóng)業(yè)聚集地，莒縣“三大工業(yè)園區(qū)”和“十大企業(yè)集團”均位于區(qū)內(nèi)。是國家“智慧城市”、省級海綿城市、省級地下管廊建設(shè)試點、省級綠色示范區(qū)，國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)［8-12］。

1.2 氣象和水文

研究區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季變化分明，多年（1956-2020 年）平均氣溫為12.1～12.5 ℃，1992-2020 年多年平均降水量800.17 mm，平均蒸發(fā)量1018.40 mm［13-16］。區(qū)內(nèi)沿河流建設(shè)的大小水庫眾多，依托沭河和嶠山水庫以及上游的青峰嶺、小仕陽水庫，此外還建有“沭水東調(diào)”大型調(diào)水工程。它們積蓄了大量的地表水，可用于農(nóng)業(yè)灌溉，對河流的汛期調(diào)節(jié)起到很大的作用，而且還是城市工業(yè)及生活用水的主要水源地。

1.3 地層巖性

研究區(qū)隸屬于華北地層大區(qū)，位于魯西地層分區(qū)和魯東地層分區(qū)交界位置，沂沭斷裂帶之間。地層發(fā)育較齊全，出露地層主要有第四系，厚度778 m。西部邊界區(qū)段主要出露白堊紀(jì)王氏群紅土崖組，東部依次為白堊系青山群八畝地組和大盛群地層以及中生代正長斑巖、元古代輝長巖和二長花崗巖等［17-23］。

2 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1 地下水類型和富水性劃分

根據(jù)地下水的賦存條件，巖石的水理性質(zhì)及其地下水的水力特征，將研究區(qū)地下水劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和基巖裂隙水［24-28］4 種類型。

（1）松散巖類孔隙水含水層：主要分布在沿河兩岸及山谷地帶第四系地層分布區(qū)，圈定了姚家村-魏家村-東陳家村、岔河-董家城子-王家墩頭、西湖村-借莊3 處有集中供水意義的富水地段（圖1）。依據(jù)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件，結(jié)合抽水試驗取得的單井涌水量，按平均布井法計算，區(qū)內(nèi)松散巖類孔隙水地下水富水地段地下水可開采資源量為2395.50 萬m3/a。其中姚家村-魏家村-東陳家村富水地段可開采資源量1033.58 萬m3/a，岔河-董家城子-王家墩頭富水地段可開采資源量1137.94萬m3/a，西湖村-借莊富水地段可開采資源量223.98 萬m3/a。

（2）碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水和基巖裂隙水含水層：分布極不均勻，發(fā)育主要受地質(zhì)構(gòu)造控制的影響。通過總結(jié)地層阻水型蓄水構(gòu)造和斷層儲水型構(gòu)造2 種基巖蓄水構(gòu)造富水模型，在勘查過程中，對照精準(zhǔn)扶貧的要求和振興鄉(xiāng)村戰(zhàn)略部署，采用“探采結(jié)合”的方式，施工具有供水意義的水文地質(zhì)鉆孔10 眼，單井涌水量126.24～3744.00 m3/d（表1）。解決了缺水地區(qū)生活飲水和灌溉問題，取得了良好的社會效益。改善了魯中南低山丘陵缺水山區(qū)人民生活質(zhì)量，提高水文了地質(zhì)調(diào)查程度和研究水平，提升水文地質(zhì)工作服務(wù)民生、服務(wù)發(fā)展、服務(wù)生態(tài)文明建設(shè)的能力。

圖1 松散巖類孔隙水富水地段分布圖Fig.1 Distribution map of the pore water rich zones in loose rocks

表1 水文地質(zhì)鉆孔基本情況Table 1 Basic information of hydrogeological boreholes

①區(qū)內(nèi)大盛群田家樓組砂巖、礫巖裂隙相對發(fā)育，富水性好，單井涌水量多大于50 m3/d。在有較大集水面積內(nèi)的緩平坡地，巖脈穿插、構(gòu)造破碎較強烈的地帶［29］，單井涌水量＞100 m3/d，最大達300多m3/d。

如閆莊鎮(zhèn)許家莊ZK07 孔（圖2），孔深109.10 m，鉆遇地層以田家樓組一段紫紅色粉砂巖、泥巖、灰綠色礫巖為主，風(fēng)化殼厚度0.5 m，41.70～42.20 m、55.80～58.40 m 見水蝕跡象。水位埋深3.1 m，降深8.41 m 時，單井涌水量388.8 m3/d。據(jù)抽水試驗結(jié)果推算，降深15 m 時，該井涌水量637.69 m3/d。可解決近8000 人的生活用水需求。

圖2 許家莊ZK07 孔地質(zhì)圖Fig.2 Geology at ZK07 hole in Xujiazhuang

②區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖裂隙巖溶水主要賦存在奧陶系馬家溝群五陽山組、北庵莊組灰?guī)r中，灰?guī)r裂隙溶洞發(fā)育，地下水富水性強，單井涌水量＞1000 m3/d。在區(qū)內(nèi)出露有任家莊泉（圖3）和大薛莊泉（圖4），2017 年3 月測得任家莊泉流量為211.68、169.3、49.1 m3/d，大薛莊泉流量580 m3/d。

圖3 任家莊泉剖面圖Fig.3 Section view of Renjia Zhuang Spring

圖4 大薛莊泉剖面圖Fig.4 Section view of Dasherzhuang Spring

大薛莊泉東北35 m 處的ZK01 孔（圖5、圖6），孔深130.0 m，0～5.7 m 為青山群八畝地組一段紫紅色安山質(zhì)角礫巖，風(fēng)化殼厚度1 m；5.7～130.0 m 為北庵莊組淺灰色、灰白色厚層灰?guī)r；24.0～27.0 m、59.1～61.9 m 裂隙溶孔發(fā)育、有水蝕現(xiàn)象，鉆探過程中有漏水現(xiàn)象。水位埋深5.4 m，降深1.16 m 時，單井涌水量400.32 m3/d。推算降深15 m 時單井涌水量3744 m3/d。

圖5 大薛莊ZK01 孔地質(zhì)圖Fig.5 Geology at Hole ZK01 in Daxuezhuang

③基巖裂隙水賦存在中生代、元古代侵入巖和青山群噴出巖的風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙中。塊狀巖類裂隙水由于巖石致密堅硬，抗風(fēng)化剝蝕力較強，巖石完整性好，裂隙不發(fā)育，風(fēng)化帶發(fā)育深度較小，富水性弱，單井涌水量一般小于50 m3/d。在巖脈穿插、構(gòu)造破碎帶及地層巖性接觸帶上，部分井孔的單井涌水量可大于100 m3/d（圖7）。

長嶺鎮(zhèn)葛家橫溝ZK02 孔，孔深130.0 m，風(fēng)化殼厚度2 m，0～25.9 m 為中生代燕山期沂南超單元九蓮花山單元黃褐色正長斑巖，25.9～130.0 m 為灰綠色輝綠巖與大店超單元下官莊單元肉紅色中粗粒角閃云母石英二長巖互層。 24.70～25.90、

30.60～35.90、46.60～47.10、48.60～49.10、66.10～67.30、75.40～76.80、94.50～99.40、120.00～122.50 m 處見水蝕痕跡。水位埋深4.4 m，降深4.0 m 時，單井涌水量175.44 m3/d。據(jù)抽水試驗結(jié)果推算，降深15 m 時，該井涌水量561.1 m3/d?？山鉀Q7000 多人的生活用水需求。

圖6 大薛莊地層阻水蓄水構(gòu)造模型示意Fig.6 Schematic diagram of the stratingraphic water-retaining structure model in Daxuezhuang

圖7 葛家橫溝ZK02 孔地質(zhì)圖Fig.7 Geology at ZK02 hole in Gejia Henggou

2.2 地下水補給、徑流、排泄條件

研究區(qū)內(nèi)多年平均降水量呈下降趨勢，1956-1990 年多年平均降水量810 mm，2006-2010 年多年平均降水量786.72 mm，2017 年年降水量656.1 mm。另外，2012 年5 月盆地內(nèi)地下水位埋深多在2～5 m，到2017 年6 月區(qū)內(nèi)水位埋深多在4～8 m。因此區(qū)內(nèi)大氣降水入滲補給與20 世紀(jì)80 年代相比略有減小。

2014 年“沭水東調(diào)”工程興建以來，青峰嶺水庫、小仕陽水庫、嶠山水庫不再向灌區(qū)放水灌溉，與以前相比區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉量大幅減小，灌溉回滲補給量也相應(yīng)減小。

2.3 地下水開采現(xiàn)狀

區(qū)內(nèi)地下水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，開采量760.8505 萬m3/a，占總開采量的63.1%。工業(yè)用水開采量373.7164 萬m3/a，占總開采量的30.99%。農(nóng)村生活用水開采量37.687 萬m3/a，占總開采量的3.12%。城鎮(zhèn)生活用水開采量33.592 萬m3/a，占總開采量的2.79%（圖8）。開采井多分布在莒縣盆地和沿河谷地，井深多小于40 m，少數(shù)井深在50～130m，開采層位以松散巖類孔隙水為主。區(qū)內(nèi)現(xiàn)已建成7 處較大的地下水水源聯(lián)村集中供水工程，覆蓋人口約14 萬人，另有村級的小型集中供水工程多處。目前區(qū)內(nèi)仍有1/3 的人口飲用水為分散式供水。

圖8 區(qū)內(nèi)地下水開發(fā)利用餅狀圖Fig.8 Pie chart of groundwater exploitation and utilization

3 地下水環(huán)境地質(zhì)問題

地下水環(huán)境地質(zhì)問題根據(jù)其形成原因可分為原生環(huán)境地質(zhì)問題與次生環(huán)境地質(zhì)問題。區(qū)內(nèi)原生環(huán)境地質(zhì)問題為局部地區(qū)地下水中部分離子含量超過了生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值，形成劣質(zhì)水問題。次生環(huán)境地質(zhì)問題主要為人類活動造成地下水中有毒有害物質(zhì)含量的升高，產(chǎn)生了地下水污染問題。此外，地下水大量開采造成地下水水位的降低，導(dǎo)致了泉眼斷流。

3.1 地下水污染

區(qū)內(nèi)地下水質(zhì)量以Ⅲ類、Ⅳ類和Ⅴ類為主，其中Ⅲ類水占全區(qū)面積的49.88%。超過Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的組分主要是硝酸鹽、總硬度、鐵，其次為氟化物等。

3.1.1 評價方法

根據(jù)《區(qū)域地下水污染調(diào)查評價規(guī)范》（DZ/T0288-2015）推薦的變化指數(shù)地下水污染評價方法，計算公式為：

式中：I——硝酸鹽的變化指數(shù)；C——地下水中硝酸鹽實測含量（以N 計，mg/L）；C0——區(qū)內(nèi)地下水中硝酸鹽的背景含量（以N 計，mg/L）。

3.1.2 硝酸鹽背景含量確定

由區(qū)內(nèi)各監(jiān)測點多年水質(zhì)檢測結(jié)果可知，地下水中硝酸鹽含量年際呈鋸齒狀突變，地下水中硝酸鹽含量不穩(wěn)定。在沒有人類活動影響的天然條件下，地下水中的硝酸鹽含量極低。根據(jù)各監(jiān)測點硝酸鹽含量的動態(tài)變化特征，結(jié)合飲用水中硝酸鹽含量對人體健康的影響，如我國的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）中規(guī)定硝酸鹽（以N 計）限值為10 mg/L。世界現(xiàn)行飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中，WHO與歐盟為NO3-含量50 mg/L（以N 計為11.29 mg/L），美國為硝酸鹽含量（以N 計為10 mg/L）。本次進行地下水中硝酸鹽污染評價時，選取10 mg/L 作為背景含量。

3.1.3 評價結(jié)果及污染分級

采用式（1）計算各水樣點硝酸鹽的變化指數(shù)，并以硝酸鹽的變化指數(shù)I＜1、1～2、2～3、＞3 將地下水硝酸鹽污染劃分為未污染、輕度污染、中度污染與重度污染4 級（表2、圖9）。

表2 泉歷史流量和現(xiàn)流量對照Table 2 Comparison of spring flow

3.2 泉水枯竭

區(qū)內(nèi)出露的大小泉點眾多，均分布在河流溝谷、水庫邊。莒縣幅調(diào)查到泉點17 處，大店幅調(diào)查到泉點9 處。對照20 世紀(jì)80 年代完成的1∶20 萬水文地質(zhì)調(diào)查圖中的泉點發(fā)現(xiàn)，由于區(qū)內(nèi)多年平均降水量呈下降趨勢，泉水補給量減小，再加上泉點周邊機民井的建造，降低了泉點附近的地下水水位，造成區(qū)內(nèi)泉水流量減小直至斷流（表2、圖1）。

圖9 地下水硝酸鹽污染程度評價圖Fig.9 Evaluation map of groundwater nitrate pollution severity

3.3 水位下降

現(xiàn)狀條件下，由于人工開采和工程活動的影響，孔隙水地下水位整體上呈下降趨勢（圖10），特別是在莒縣縣城北的董家屯、牛家村-沈家村-豐家村、七里墩子以及沭河?xùn)|的董家城子、王家坪一帶，水位降幅0.28～1.60 m/a，改變了地下水的局部流向。

圖10 莒縣陵陽鎮(zhèn)岳家莊科村監(jiān)測孔水位動態(tài)Fig.10 Monitoring hole water level dynamics at Yuejiazhuangke village,Lingyang town of Lu county

4 地下水資源利用與保護建議

（1）加強地下水水質(zhì)保護工作，大力實施農(nóng)村衛(wèi)生綜合治理，對生活垃圾和污廢水集中堆放、收集和處理；嚴(yán)格控制發(fā)展大規(guī)模畜類、禽類的養(yǎng)殖業(yè)；在農(nóng)業(yè)蔬菜種植區(qū)及果樹種植區(qū)，控制農(nóng)藥的不合理使用和化肥的大量使用。

（2）加強地下水監(jiān)測工作，進一步建立健全地下水動態(tài)監(jiān)測體系，對水位水質(zhì)進行全面監(jiān)測，及時了解地下水動態(tài)變化情況。

（3）加強地下水水質(zhì)和污染調(diào)查評價。為了合理開發(fā)利用和保護寶貴的地下水資源，保障供水安全，建議開展地下水水質(zhì)和污染專項調(diào)查。

（4）加強提高地?zé)崴幕毓嘈剩瑥亩?jié)約水資源；對回?fù)P水進行蓄水收集，沉淀處理后繼續(xù)回灌，控制水位下降，降低對地質(zhì)環(huán)境的影響。