巖溶地下水污染預(yù)警：以山東省劉征水源地為例

陳奐良，王金曉，林廣奇，張文強，滕 躍

(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(jì)南 250013；2.山東省地下水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250013)

巖溶地下水是我國重要的飲用水來源之一。據(jù)相關(guān)報道，我國的巖溶地下水資源量約有2×10m/a，約占總地下水資源量的1/4。巖溶地下含水層具有隱蔽性和埋藏分布復(fù)雜性等特點。針對日益嚴(yán)重的地下水污染問題，有學(xué)者提出了“以防為主、防治結(jié)合、防重于治”的管理策略，也就是通過預(yù)警模型對地下水污染的發(fā)展趨勢進(jìn)行及時預(yù)測， 在地下水水質(zhì)惡化前發(fā)出警報，為制定地下水資源的科學(xué)管理措施提供依據(jù)。因此，地下水污染預(yù)警已成為保護(hù)地下水資源的一個重要手段。

我國地下水污染預(yù)警的概念最早可以追溯到2000年，由趙勇勝提出并以GIS為平臺開發(fā)了地下水污染預(yù)警信息系統(tǒng)；洪梅等研究了以地下水水質(zhì)作為主要指標(biāo)的地下水污染預(yù)警模型；張偉紅將地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、地下水水質(zhì)變化趨勢和地下水污染風(fēng)險結(jié)合起來，提出了地下水污染預(yù)警的警戒線；Jamin等將SEQESO、GMS、GIS三者聯(lián)用進(jìn)行了地下水污染風(fēng)險評價預(yù)警;Naddeo等使用意大利地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)將水體中單種污染組分劃分為5 個等級，并根據(jù)系列數(shù)據(jù)中的最小值、達(dá)25%值、中值、達(dá)75%值和最大值對河流水質(zhì)污染進(jìn)行了預(yù)警。

綜上可見，前人對地下水污染預(yù)警的研究大多是單獨基于地下水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的評價預(yù)測或針對含水層本身的防污性能評價，綜合考慮地下水水質(zhì)、水文地質(zhì)參數(shù)和污染源進(jìn)行分析的研究較少，而針對巖溶地下水污染預(yù)警的研究更加少見。為此，本文針對巖溶地下含水層的特點，將地下水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)與水文地質(zhì)參數(shù)、污染源分析相結(jié)合，選用合適的評價參數(shù)和模型，構(gòu)建了完整的巖溶地下水污染預(yù)警評價模型，并應(yīng)用該評價模型對山東省劉征水源地開展了地下水污染預(yù)警實例研究，以為當(dāng)?shù)刂贫ǖ叵滤廴痉乐闻c風(fēng)險管控措施提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處山東省中部，行政區(qū)劃屬淄博市，研究范圍為永流水源地、大武水源地、劉征水源地、黑旺水源地和北下冊水源地周邊地區(qū)，見圖1。根據(jù)已有氣象資料以及前人的研究結(jié)果可知，研究區(qū)地處中緯度地區(qū)，屬暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年(1971—2015年)平均氣溫為12.8℃，平均蒸發(fā)量為1 804 mm，平均降水量為633.9 mm。永流水源地一帶不屬于水源地保護(hù)區(qū)，大武、黑旺、北下冊水源地一帶屬于水源地二級保護(hù)區(qū)，劉征水源地一帶屬于水源地一級保護(hù)區(qū)。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the geographical location of the study area

研究區(qū)內(nèi)地層由南向北呈現(xiàn)新近系、奧陶系、第四系巖性，中部南北向分布著淄河斷裂帶，是淄博盆地規(guī)模最大的一組斷裂構(gòu)造，總體走向NE35°，主斷裂傾向SE，傾角為60°～70°，平面延伸長度達(dá)60 km，水平斷距為13 km。

根據(jù)已有水文資料，研究區(qū)水文地質(zhì)分區(qū)屬于淄河地塹及太河水庫上游單斜構(gòu)造水文地質(zhì)小區(qū)，主要富水類型為碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，中部南北水源地一帶具有強富水性，單井涌水量大于1 000 m/d，局部水源地中心如大武、劉征水源地單井涌水量大于5 000 m/d。

2 巖溶地下水污染預(yù)警評價模型

通過對國內(nèi)外已有的地下水污染預(yù)警方面的理論和技術(shù)方法進(jìn)行對比分析，確定以地下水污染風(fēng)險、水文地質(zhì)條件、污染源特征、地層介質(zhì)防護(hù)性能和污染物遷移轉(zhuǎn)化特征等作為巖溶地下水污染預(yù)警評價指標(biāo)體系的基本要素，并構(gòu)建了巖溶地下水污染預(yù)警評價體系的技術(shù)框架，將地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、地下水水質(zhì)變化趨勢和地下水污染風(fēng)險3個指標(biāo)的不同等級排列組合，綜合劃分為5個地下水污染預(yù)警等級。基于GIS平臺，運用軟件的疊加分析功能和組合矩陣法，構(gòu)建了巖溶地下水污染多因素耦合的預(yù)警評價模型，具體技術(shù)框架見圖2。

圖2 巖溶地下水污染預(yù)警評價模型Fig.2 Early warning evaluation system for karst groundwater contamination

2.1 地下水水質(zhì)污染現(xiàn)狀與變化趨勢評價方法

對比不同地下水水質(zhì)分析方法，并結(jié)合已有地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)資料，本文選用綜合指數(shù)法作為研究區(qū)巖溶地下水水質(zhì)污染評價方法，這與我國《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中的評價方法一致，并規(guī)定地下水水質(zhì)綜合評價結(jié)果按單指標(biāo)評價結(jié)果的最高類別確定。

在實際應(yīng)用研究中，使用巖溶地下水水質(zhì)污染預(yù)警評價模型對地下水水質(zhì)變化進(jìn)行預(yù)測。通過分析系列地下水水質(zhì)預(yù)測方法，根據(jù)已有地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)，本文采用時間序列分析方法，利用研究區(qū)多年地下水水質(zhì)觀測數(shù)據(jù)資料來分析地下水水質(zhì)的動態(tài)變化情況，并預(yù)測未來地下水水質(zhì)進(jìn)而判斷地下水水質(zhì)的變化趨勢。

2.2 巖溶地下水污染風(fēng)險評價方法

人類生產(chǎn)、生活產(chǎn)生的污染以及巖溶含水層的固有脆弱性共同構(gòu)成了巖溶地下水污染風(fēng)險。因此，本文提出采用以下3個主要指標(biāo)來評價巖溶地下水受污染的風(fēng)險程度：巖溶含水層的固有脆弱性指數(shù)(

V

)、污染源荷載風(fēng)險評價指數(shù)(

P

)、巖溶地下水污染危害性綜合指數(shù)(

H

)。巖溶地下水污染風(fēng)險程度評估的疊加方法如下：

RII=P

/

V

(1)

R=RII

×

H

(2)

式中：

RII

為巖溶地下水污染風(fēng)險強度指數(shù)；

P

為污染源荷載風(fēng)險評價指數(shù)；

V

為巖溶含水層的固有脆弱性指數(shù)；

R

為巖溶地下水污染風(fēng)險綜合指數(shù)；

H

為巖溶地下水污染危害性綜合指數(shù)。

2.2.1 巖溶含水層的固有脆弱性評價方法

含水層的固有脆弱性是自然條件下含水層在有污染發(fā)生時表現(xiàn)出的內(nèi)部固有敏感屬性，可以反映地下水受到污染的難易程度。針對研究區(qū)巖溶含水層的實際情況，對比已有的COP、EPIK和PI模型等含水層脆弱性評價模型的適用條件，選擇COP模型作為本研究區(qū)巖溶含水層的固有脆弱性評價模型。巖溶含水層的固有脆弱性評價因子包括徑流因子

C

、上覆巖層因子

O

和大氣降水因子

P

，COP模型采用

C

、

O

、

P

3個評價因子的乘積來評價含水層的固有脆弱性，其評價模型如下：COP=

C

×

O

×

P

(3)

將COP值即巖溶含水層的固有脆弱性指數(shù)劃分為5個等級來定義巖溶含水層的脆弱性，見表1。

表1 巖溶含水層的固有脆弱性等級劃分Table 1 Karst aquifer inherent vulnerability classclassification

2.2.2 污染源荷載風(fēng)險評價方法

從實際情況出發(fā)，創(chuàng)建了由污染物釋放的可能性

L

(有無泄漏、有無防護(hù)措施)、污染物產(chǎn)生量

Q

、污染源種類

K

(包括衰減能力、毒性和遷移性等)3個指標(biāo)組成的污染源荷載風(fēng)險評價指標(biāo)體系。建立的污染源荷載風(fēng)險評價模型如下：

P=L

×

Q

×

K

(4)

式中：

P

為單個潛在污染源荷載風(fēng)險評價指數(shù)

(

無量綱

)

；

L

為污染物釋放的可能性等級指標(biāo)劃分

(

無量綱

)

；

Q

為污染物產(chǎn)生量等級指標(biāo)劃分

(

無量綱

)

；

K

為潛在污染源類型的等級指標(biāo)劃分

(

無量綱

)

。

2.2.3 巖溶地下水污染危害性評價方法

巖溶地下水污染危害性是指巖溶地下水受到污染后造成的危害程度，主要由巖溶含水層富水性和巖溶地下水水源保護(hù)區(qū)等級來確定。建立的巖溶地下水污染危害性評價模型如下：

H=Ur

×

Vr

(5)

式中：

H

為巖溶地下水污染危害性綜合指數(shù)(無量綱)；

Ur

為巖溶地下水水源保護(hù)區(qū)等級指標(biāo)劃分(無量綱)；

Vr

為巖溶含水層富水性等級指標(biāo)劃分(無量綱)。

2.3 巖溶地下水污染預(yù)警評價方法

將地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、地下水水質(zhì)變化趨勢和地下水污染風(fēng)險結(jié)合起來，對研究區(qū)巖溶地下水污染進(jìn)行預(yù)警分析，并劃分預(yù)警等級進(jìn)而得到地下水污染預(yù)警的警度，即利用地下水水質(zhì)現(xiàn)狀

L

、地下水水質(zhì)變化趨勢

S

、地下水污染風(fēng)險

R

三者共同確定地下水污染預(yù)警的警度

W

。地下水水質(zhì)現(xiàn)狀

L

按照我國《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)分為5級；地下水水質(zhì)變化趨勢

S

分為3級，分別為變好、穩(wěn)定、惡化；地下水污染風(fēng)險

R

分為3級，分別為低、中、高。巖溶地下水污染預(yù)警的3個變量共計有45種組合狀態(tài)，分別對應(yīng)不同的警度

W

(見表2)，其中將警度

W=

2時設(shè)為地下水水質(zhì)發(fā)生污染的臨界值，警度

W>

2時表明研究區(qū)地下水水質(zhì)可能發(fā)生了污染，應(yīng)重點關(guān)注此區(qū)域地下水水質(zhì)。

表2 巖溶地下水污染預(yù)警等級劃分對照表Table 2 Comparison of karst groundwater contamination early warning grades

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)巖溶地下水水質(zhì)現(xiàn)狀與變化趨勢分析

本文利用研究區(qū)現(xiàn)有地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)資料，按《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)對劉征水源地2015年水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行地下水質(zhì)量分析，得到劉征水源地巖溶地下水水質(zhì)等級分區(qū)，見圖3。

圖3 研究區(qū)巖溶地下水水質(zhì)等級分區(qū)圖Fig.3 Zoning map of status of karst groundwater quality grade in the study area

由圖3可見，研究區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)現(xiàn)狀為Ⅲ類水和Ⅳ類水占主體，Ⅱ類水?dāng)?shù)量較少。

另外，利用劉征水源地2008—2015年共8年的地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)，運用地下水污染預(yù)警軟件(GWQEW)對2016年地下水水質(zhì)狀況進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而利用2008—2016年地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)分析地下水水質(zhì)的變化趨勢，得到劉征水源地巖溶地下水水質(zhì)變化趨勢分區(qū)，見圖4。

圖4 研究區(qū)巖溶地下水水質(zhì)變化趨勢分區(qū)圖Fig.4 Zoning map of trends in karst groundwater quality in the study area

由圖4可見，研究區(qū)內(nèi)26.0%的區(qū)域巖溶地下水水質(zhì)呈變好趨勢，主要分布在大武水源地和永流水源地一帶；43.8%的區(qū)域巖溶地下水水質(zhì)基本不變，主要分布在劉征水源地以北和北下冊水源地及其東北一帶；30.2%的區(qū)域巖溶地下水水質(zhì)呈變差趨勢，主要分布在劉征—黑旺水源地中部一帶。

3.2 研究區(qū)巖溶地下水污染風(fēng)險評價

3.2.1 研究區(qū)巖溶含水層的固有脆弱性評價

本文利用已構(gòu)建的巖溶含水層COP模型對研究區(qū)巖溶含水層的固有脆弱性進(jìn)行評價，即使用ArcGIS軟件的插值分析得到研究區(qū)巖溶含水層的固有脆弱性分區(qū)，見圖5。

圖5 研究區(qū)巖溶含水層的固有脆弱性分區(qū)圖Fig.5 Zoning map of inherent vulnerability index of karst aquifers in the study area

由圖5可見，研究區(qū)內(nèi)0.4%的區(qū)域巖溶含水層的固有脆弱性很高，4.2%的區(qū)域巖溶含水層的固有脆弱性較高，49.9%的區(qū)域巖溶含水層的固有脆弱性中等，26.5%的區(qū)域巖溶含水層的固有脆弱性較低，20.0%的區(qū)域巖溶含水層的固有脆弱性很低；大武水源地南部、劉征水源地西南部和北下冊水源地北部一帶巖溶含水層的固有脆弱性較高，說明含水層本身的抗污能力較弱。

3.2.2 研究區(qū)污染源荷載風(fēng)險評價

根據(jù)現(xiàn)有劉征水源地地下水水質(zhì)資料，此次研究只考慮齊魯石化熱電廠灰場一個工業(yè)點源污染，其每年灰水排放量為360×10t，因此

K

值取7，相應(yīng)的

Q

值取2，

L

值取0.9，根據(jù)公式(4)計算得到該工業(yè)污染源荷載風(fēng)險評價指數(shù)

P

值為12.6。巖溶含水層中地下水的流動不可忽視，故其點源污染也會在其附近形成一定的污染區(qū)域，本文采用下游遷移綜合指數(shù)

F

確定點源污染形成的水滴形污染區(qū)域長軸與短軸的數(shù)值，并綜合考慮點源位置的富水性、水力梯度以及巖溶發(fā)育情況，確定點源沿水流方向和垂直水流方向形成的污染擴(kuò)散范圍18，最終確定其

F

<10，因此該點源沿水流方向形成的污染擴(kuò)散距離為1 000 m，垂直水流方向形成的污染擴(kuò)散距離為300 m。研究區(qū)已有的污染源荷載風(fēng)險評價指數(shù)分區(qū)，見圖6。其中，齊魯石化熱電廠灰場周圍存在水滴形污染區(qū)域，其余地區(qū)由于沒有污染源數(shù)據(jù)資料故本次不做污染源荷載風(fēng)險評價。

圖6 研究區(qū)污染源荷載風(fēng)險評價指數(shù)分區(qū)圖Fig.6 Zoning map of contamination source loading risk evaluation index in the study area

3.2.3 研究區(qū)巖溶地下水污染危害性評價

將收集到的研究區(qū)巖溶含水層富水性和巖溶地下水水源保護(hù)區(qū)等級指標(biāo)劃分進(jìn)行疊加后，得到研究區(qū)巖溶地下水污染危害性綜合指數(shù)分區(qū)，見圖7。

圖7 研究區(qū)巖溶地下水污染危害性綜合指數(shù)分區(qū)圖Fig.7 Zoning map of karst groundwater contamination hazardous comprehensive index in the study area

由圖7可見，研究區(qū)巖溶地下水污染危害性綜合指數(shù)較高的地區(qū)位于巖溶含水層的富水性較好的區(qū)域，且處于保護(hù)區(qū)的地下水源地一帶，其地下水受到污染時更易影響地下水水質(zhì)以及居民生活安全。

3.2.4 研究區(qū)巖溶地下水污染風(fēng)險評價

研究區(qū)巖溶地下水污染風(fēng)險綜合指數(shù)

R

分區(qū)，見圖8。

圖8 研究區(qū)巖溶地下水污染風(fēng)險綜合指數(shù)分區(qū)圖Fig.8 Zoning map of karst groundwater contamination risk comprehesive index in the study area

由圖8可見，研究區(qū)內(nèi)99.86%的區(qū)域巖溶地下水污染為低風(fēng)險，0.12%的區(qū)域巖溶地下水污染為中風(fēng)險，0.02%的區(qū)域巖溶地下水污染為高風(fēng)險；巖溶地下水污染風(fēng)險綜合指數(shù)(

R

)為中和高的地區(qū)主要分布在齊魯石化熱電廠灰場附近，由于其他區(qū)域無污染源，故整體上看研究區(qū)巖溶地下水污染風(fēng)險程度較低。

3.3 研究區(qū)巖溶地下水污染預(yù)警評價

基于研究區(qū)巖溶地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、地下水水質(zhì)變化趨勢和地下水污染風(fēng)險的評價結(jié)果，借助ArcGIS空間分析功能，可得到研究區(qū)巖溶地下水污染的預(yù)警結(jié)果，見圖9。

圖9 研究區(qū)巖溶地下水污染預(yù)警結(jié)果Fig.9 Early warning result of karst groundwater contamination in the study area

由圖9可見，研究區(qū)內(nèi)17.3%的區(qū)域巖溶地下水污染為無警，主要分布在永流水源地以及大武水源地東部、北下冊水源地以北一帶；34.3%的區(qū)域巖溶地下水污染為輕警，主要分布在劉征水源地北部、北下冊水源地周邊一帶；28.4%的區(qū)域巖溶地下水污染為中警，主要分布在劉征—黑旺水源地中部一帶；18.0%的區(qū)域巖溶地下水污染為重警，主要分布在大武水源地以南一帶；2.0%的區(qū)域巖溶地下水水質(zhì)污染為巨警，少量分布在劉征水源地周邊地區(qū)。

4 結(jié) 論

(1) 針對研究區(qū)巖溶地下水的實際水文地質(zhì)條件和地下水水質(zhì)狀況，將地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)和水文地質(zhì)參數(shù)、污染源分析相結(jié)合，并綜合考慮地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、地下水水質(zhì)變化趨勢和地下水污染風(fēng)險三個方面，構(gòu)建了巖溶地下水污染預(yù)警評價模型，最終將巖溶地下水污染預(yù)警級別即警度劃分為5個等級，并設(shè)置了警度臨界值，以作為是否優(yōu)先采取地下水污染防護(hù)措施的依據(jù)。

(2) 應(yīng)用已建立的巖溶地下水污染預(yù)警評價模型對山東省劉征水源地的地下水污染現(xiàn)狀、地下水污染變化趨勢和地下水污染風(fēng)險進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：研究區(qū)地下水水質(zhì)現(xiàn)狀主要以Ⅲ類水和Ⅳ類水為主，劉征—黑旺水源地中部一帶地下水水質(zhì)變差，齊魯石化熱電廠灰場附近地下水污染風(fēng)險較高，為該地區(qū)提供了準(zhǔn)確的地下水污染評價結(jié)果以及存在地下水污染高風(fēng)險的區(qū)域位置。

(3) 應(yīng)用本文建立的巖溶地下水污染預(yù)警評價模型對劉征水源地進(jìn)行巖溶地下水污染預(yù)警實例研究，結(jié)果顯示：大武水源地和劉征水源地東西兩側(cè)周邊地區(qū)巖溶地下水污染屬于重警和巨警，應(yīng)優(yōu)先對以上區(qū)域進(jìn)行地下水污染防護(hù)與修復(fù)，并以修復(fù)為主、監(jiān)測為輔，阻斷污染源頭，即對地下水污染超標(biāo)組分進(jìn)行修復(fù)，對其余地區(qū)則以地下水水質(zhì)監(jiān)測為主，從而防止地下水水質(zhì)進(jìn)一步惡化。