濟南地區(qū)巖溶地下水污染評價及保護措施

韓琳

(山東省地質礦產勘查開發(fā)局八〇一水文地質工程地質大隊，山東 濟南 250014)

0 引言

濟南是著名的泉城，泉水是其城市的靈魂所在，十幾年來，為保持泉水噴涌，濟南市相繼實施了“節(jié)水保泉”“引黃保泉”“回灌保泉”等一系列措施[1-7]。居民不得不以水質較差的黃河水作為生活水源，隨著居民生活水平的提高，飲用水質更好的地下水已成為濟南人民的訴求。然而，隨著社會經濟的發(fā)展，地下水遭受到了不同程度的污染[8-14]，對地下水環(huán)境進行質量評價是開采使用地下水的必要前提。前人對地下水環(huán)境質量評價進行了多方法研究，唐賀[15]采用改進灰色關聯(lián)分析法，對大連市瓦房店區(qū)域11處國家地下水監(jiān)測井水環(huán)境質量狀況進行評價。王超[16]應用氮同位素分析硝酸鹽水質污染與污染源類型的相關性，證明反硝化作用的存在。胡漾等[17]將主成分分析法、熵權法與貝葉斯理論三者進行耦合，以新疆準東煤田二號礦井及周邊區(qū)域地下水為研究對象，進行實例分析，蘇建云等[18]通過對TOPSIS方法的改進和拓展(加權歐氏距離平方的TOPSIS法)，實現(xiàn)了兼具絕對性與相對性綜合性的水環(huán)境評價。本文在總結已有研究成果的基礎上，對濟南地區(qū)巖溶地下水污染進行了評價(1)山東省地質礦產勘查開發(fā)局八〇一水文地質工程地質大隊，濟南地區(qū)優(yōu)質地下水供水水文地質調查報告，2015年。，并提出了相關保護措施。

1 研究區(qū)概況

濟南地區(qū)地處魯中低山丘陵與魯西北沖積平原交接帶上，地勢南高北低。大地構造上，濟南地區(qū)橫跨新華夏第二隆起帶的魯西隆起及新華夏第二沉降帶的魯西北坳陷區(qū)。南部為以古生代地層為主體的北傾單斜構造，北部為沉積厚度較大的第四紀和新近紀松散堆積物的凹陷區(qū)。南部的單斜構造中發(fā)育有多條規(guī)模較大的NNW向斷裂，自東向西大致等距分布，將單斜構造分割為若干個斷塊。東西被分割成斷塊式的N傾單斜構造，是濟南地區(qū)地質構造的基本特征，這些構造特征將濟南地區(qū)水文地質單元分為5大部分，整個研究區(qū)地質構造見圖1。濟南地區(qū)地處中緯度內陸，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，降水具有明顯的季節(jié)性，汛期為6—9月份，降水量占全年降水量的70%。研究區(qū)內水系縱橫、河流、水庫眾多，地下水儲量豐富，因此研究區(qū)地下水開發(fā)利用時間較早，開發(fā)利用水平也較高。但隨著城區(qū)的不斷擴展，地下水的補給通道減少，巖溶地下水的使用增加，這直接導致了巖溶地下水水位降速增快、水質污染等地質環(huán)境問題。

1—第四系；2—石炭系；3—奧陶系；4—寒武系；5—泰山巖群；6—侵入巖；7—巖脈；8—奧陶系頂板埋深等值線(m)；9—研究區(qū)范圍界線

2 巖溶地下水污染評價

2.1 巖溶水污染程度評價

2.1.1 巖溶水環(huán)境背景值的確定

巖溶水環(huán)境背景值，也就是污染起始值，既是確定巖溶水污染程度的主要參數(shù)，也是巖溶水水質評價基礎。本文通過分析研究區(qū)域地質、水文地質條件，結合社會經濟發(fā)展狀況進行本次研究。根據(jù)已有水質資料的全面性及有效性，本次研究巖溶水環(huán)境的背景值為：2002年平陰水文地質單元、1987年長清-孝里鋪水文地質單元、1982—1989年濟南泉域水文地質單元、1988—1990年白泉泉域、2003年明水泉域水質資料。

2.1.2 評價項目

2.1.3 評價方法

(1)單因子評價。以污染指數(shù)大小表示地下水污染程度，計算公式為：

式中：Pi—地下水中污染物i的污染指數(shù)；Ci—污染物i的實測濃度(mg/L)；Coi—地下水中污染物i的背景值(mg/L)；當Pi<1時為未污染;Pi>1時為污染。

(2)多因子評價。以綜合污染指數(shù)進行多因子評價，計算公式為：

式中：P—地下水綜合污染指數(shù)；n—污染物種類數(shù)；Pi—地下水中污染物i的污染指數(shù)。

(3)污染程度分級。根據(jù)污染物組分的污染種類數(shù)及其綜合污染指數(shù)，依據(jù)表1對地下水進行污染程度分級。

表1 地下水污染程度分級

(4)污染程度分級評價。根據(jù)研究區(qū)范圍大小，本研究在研究區(qū)內選取了55個有代表性的采樣點，經過樣品分析檢測，確定了各污染物濃度。根據(jù)單因子評價方法計算出單種污染物的污染指數(shù)，然后用多因子評價方法進行因素累加確定地下水綜合污染指數(shù)P值，根據(jù)2種方法的結果參考表1，對55個采樣點進行了污染程度分級。結果表明55個采樣點中未污染5個、輕污染35個、中度污染7個、重污染6個、嚴重污染2個。根據(jù)采樣點污染情況，將研究區(qū)巖溶水污染程度劃分為未污染、輕污染、中度污染、重污染、嚴重污染5個等級(圖2)。

1—未污染;2—輕污染;3—中度污染;4—重污染;5—嚴重污染;6—分級界線;7—奧陶系頂板埋深等值線(m);8—研究區(qū)范圍界線

2.2 巖溶水防污性能評價

2.2.1 評價方法

DRASTIC模型是美國環(huán)保局提出的，因其模型普適性較高，在美國以及我國都得到了較廣泛的應用。中國地質調查局《地下水污染調查評價規(guī)范》(DD2007—01)，地下水系統(tǒng)防污性評價就建議采用DRASTIC模型。DRASTIC模型的基本思想是：水文地質單元的物理特性是影響含水層脆弱性的內因，允許用不同的反應含水層介質及其特征的水文地質參數(shù)來綜合反應含水層的防污性能。

DRASTIC方法表達式為：

DRASTIC=DrDw+RrRw+ArAw+SrSw+TrTw+IrIw+CrCw

式中：Dr，Rr，Ar，Sr，Tr，Ir，Cr分別為各因子的級別值；Dw，Rw，Aw，Sw，Tw，Iw，Cw分別為各因子的權重值，各類級別值和權重值可通過查相應的指標因子確定。

2.2.2 評價因子及權重

模型取主要影響含水層防污性能的7個要素為評價指標，A為含水層介質，S為土壤介質，D為地下水埋深，R為凈補給量，T為地形坡度，I為包氣帶介質，C為含水層滲透系數(shù)。計算所得的DRASTIC指數(shù)值越大，說明地下水面臨污染的相對風險也越高，地下水的脆弱性也就越大。

2006年2月，中國地質調查局針對“全國地下水資源及環(huán)境問題調查評價”項目專門制定了《地下水脆弱性評價技術要求》，該技術要求對DRASTIC模型評分體系中的指標權重和部分指標標準特征值進行了改進，改進之處見表2、表3，根據(jù)改進內容，本次評價以第四系厚度代替地下水埋深，有效降水入滲量代替凈補給量，對巖溶水防污性能進行評價。

表2 DRASTIC方法中各指標的權重

表3 10個級別7項指標的指標標準特征值

2.2.3 各分項指標的選取

第四系厚度：根據(jù)研究區(qū)以往探測的鉆孔資料，確定計算評價的第四系厚度。

有效降水入滲量：根據(jù)各個水文地質單元的勘測報告、歷年氣象資料，采取分塊確定

含水層介質類型：污染物在含水層中的運移受到含水層介質巖性的影響，根據(jù)以往探測的鉆孔資料，確定含水層介質類型。

土壤介質：根據(jù)以往探測的鉆孔資料，確定土壤介質類型。在本文中土壤介質如果為防污性能好的黏性土，評分就低；如果為防污性能差的砂性土，評分就高。

地形坡度：地形坡度因其是山前區(qū)域較為明顯的特點之一，因此也作為一項評價指標。地形坡度越小，越有利于水流的匯集，增大了補給地下水的可能性。

包氣帶介質：包氣帶是衡量防污性能的重要指標，在污染物從地表進入地下水的過程中，起到了關鍵的作用。包氣帶中對于污染物起到阻截的主要是顆粒較細的黏性土部分，包氣帶厚度直觀的反映出污染物進入地下水需要經過的距離，因此需要將顆粒大小和包氣帶厚度兩項指標綜合考慮。

含水層滲透系數(shù)：新指標體系綜合考慮含水層介質巖性以及含水層滲透系數(shù)的影響，利用綜合滲透系數(shù)來反映含水層在地下水固有脆弱性中的作用。用每種巖性的厚度在含水介質總厚度的比例，乘上其相應的經驗滲透系數(shù)，加權求和，計算出包含弱透水介質在內的含水層的一個綜合滲透系數(shù)。

2.2.4 綜合評價

DRASTIC指數(shù)防污性程度分級定義：DRASTIC指數(shù)小于80，為防污高區(qū)；DRASTIC指數(shù)位于80～100之間，為防污中區(qū)；DRASTIC指數(shù)大于100，為防污低區(qū)。為了解研究區(qū)內地下水防污能力的高低，基于保證均勻覆蓋和重點突出的原則，在研究區(qū)內51處進行鉆孔探測，根據(jù)前述DRASTIC公式對各個鉆孔點進行計算，結果顯示51個鉆孔點中DRASTIC指數(shù)小于80的有7個、80～100之間的有27個、大于100的有17個。根據(jù)鉆孔點防污能力對研究區(qū)地下水防污程度進行分級(圖3)。

3 優(yōu)質地下水開發(fā)利用區(qū)劃與保護措施

濟南絕大部分地區(qū)的巖溶地下水污染程度屬于未污染和輕度污染，水質較好，但也存在少數(shù)片區(qū)由于社會經濟發(fā)展帶來的人口增多和污染物增加，導致地下水遭受到了不同程度的污染。但未污染和輕度污染區(qū)占比較大并不意味著對巖溶水的保護可以放松警惕，對比污染程度分級圖和防污程度分區(qū)圖就會發(fā)現(xiàn)輕度污染區(qū)大部分都是防污程度低區(qū)，輕度污染的巖溶水隨時可能因為保護不當導致污染加重。因此，在大力發(fā)展經濟的同時做好地下水開發(fā)利用和有效保護極為重要。為此本文根據(jù)不同的地下水水文地質條件，對地下水開發(fā)進行了利用分區(qū)和保護分區(qū)，并根據(jù)分區(qū)提出了相應的保護措施(圖3)。

1—防污高區(qū);2—防污中區(qū);3—防污低區(qū);4—防污染程度分區(qū)界線;5—奧陶系頂板埋深等值線(m);6—研究區(qū)范圍界線

3.1 地下水開發(fā)利用分區(qū)

濟南地區(qū)巖溶水資源儲量大，但由于巖溶發(fā)育的特殊性、巖溶水資源時空分布不均勻，此外，受自然條件或人類活動影響，已出現(xiàn)了諸如干旱缺水、地下水污染、城區(qū)擴展影響降水入滲、河流截流及防滲造成地表水滲漏量減少等地質環(huán)境問題。這些問題已成為了亟待解決的難題，制約濟南的進一步可持續(xù)發(fā)展，考慮巖溶地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀及供需平衡關系，結合區(qū)內水資源分布現(xiàn)狀和特定的地形地貌條件，本文對巖溶水資源開采進行了區(qū)劃，基于此能對地下水進行合理開采利用。

調查表明，大氣降水和地表水是濟南地區(qū)巖溶地下水的重要補給來源。人工開采和泉水排泄是巖溶地下水重要排泄方式。受降水強度、地形地貌特征、巖溶發(fā)育強度等因素影響，巖溶水動態(tài)變化具有明顯的調蓄性與周期性。濟南地區(qū)400m以淺巖溶地下水已有不同程度的開發(fā)，但研究資料顯示，平陰、長清-孝里鋪水文地質單元和白泉泉域仍具有一定的開發(fā)潛力。在此基礎上，依據(jù)“密切結合社會經濟發(fā)展和人居需求，與地方經濟相適應”“地表水與地下水聯(lián)合開發(fā)利用”“以豐補欠”“分區(qū)分片開發(fā)”的原則，將研究區(qū)巖溶地下水劃分為適度增采區(qū)、可增加開采區(qū)、濟南城區(qū)張夏灰?guī)r局部供水研究區(qū)和保泉控采區(qū)4個分區(qū)(圖4)。

3.2 地下水環(huán)境保護區(qū)劃及措施

地下水環(huán)境保護區(qū)根據(jù)濟南地區(qū)5大水文地質單元劃分(圖1)，濟南泉域南部山區(qū)水源涵養(yǎng)省級生態(tài)功能保護區(qū)將濟南泉域和白泉泉域南部山區(qū)均劃為水源涵養(yǎng)省級生態(tài)功能保護區(qū)，并提出了保護措施，其他3個水文地質單元的南部山區(qū)還沒有劃分水源涵養(yǎng)省級生態(tài)功能保護區(qū)。本次研究根據(jù)5個水文地質單元的水文地質條件，從水文地質保護角度出發(fā)，將研究區(qū)地下水環(huán)境保護區(qū)劃分一般保護區(qū)、間接補給保護區(qū)和直接補給及匯集排泄保護區(qū)或直接補給保護區(qū)3個區(qū)，并針對各區(qū)水文地質條件及開發(fā)利用情況提出了保護措施。地下水資源保護措施:

(1)一般保護區(qū)。打井必須嚴格止水，防止串層污染巖溶地下水；區(qū)內不能建設污染嚴重的工礦企業(yè)，擬建廠必須經環(huán)境保護論證，采取嚴格防滲措施。

(2)間接補給保護區(qū)。封山植樹造林涵養(yǎng)水源、增加降水補給量；嚴禁河床挖砂，保護地表水系，防止河流污染；農業(yè)實施節(jié)水措施，科學、合理施用化肥和農藥，防止污染地下水；加強巖溶水長期動態(tài)觀測工作，做到隨時監(jiān)測及時保護。

1—適度增采區(qū)；2—可增加開采區(qū)；3—停采控采開采區(qū)(含水層埋深350m以淺)；4—濟南城區(qū)張夏灰?guī)r局部供水研究區(qū)；5—防污染程度分區(qū)界線；6—奧陶系頂板埋深等值線(m)

(3)直接補給及匯集排泄保護區(qū)。封山植樹造林涵養(yǎng)水源，增加巖溶水補給量；保護溝谷嚴禁河床挖砂，不得任意改造取直和采取防滲措施，確保地表水、地下水聯(lián)合調配回灌補源；防止城市建設繼續(xù)侵占直接補給保護區(qū)的面積，影響巖溶地下水補給量；嚴禁污水、垃圾任意排(堆)放，對已經污染的及時清理治理；加強地下水動態(tài)長期觀測工作，做到隨時監(jiān)測及時保護。

4 結論

本文以濟南地區(qū)巖溶地下水為研究對象，在巖溶地下水污染評價方面開展了污染程度和防污性能評價。結果表明濟南大部分地區(qū)屬于未污染或輕度污染地區(qū)，污染較為嚴重的地區(qū)范圍較小。防污程度高區(qū)和中區(qū)所占比例較小，而且人口較多的城區(qū)基本都屬于防污程度低區(qū)，這部分地區(qū)也是輕度污染地區(qū)，因此是保護的關鍵地區(qū)應當重點關注。根據(jù)以上研究成果，對地下水的保護和開發(fā)利用進行了區(qū)劃，并給出了相關措施，以期為濟南地區(qū)巖溶地下水的利用開發(fā)與保護提供相關依據(jù)和指導。