山东省地下水环境演化规律

张中祥，罗斐，张海林

(1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014；2.山东省地质矿产勘查开发局地下水资源与环境创新团队，山东 济南 250100)

0 引言

地下水是地质历史时期水循环的产物，以含水介质为核心的地下水系统必然随气候、地质、构造、水文和生态等自然环境变化以及人类活动的影响而演变[1-2]。地下水环境演化影响因素包括内因和外因两方面：内因主要指地下水的赋存条件，在人类发展的历史时期对地下水环境演化的贡献可以忽略。外因是指对水文地质条件产生不同影响的自然因素和人为因素的总和。自然因素主要包括气象和水文两个方面，它们的变化具有多年周期性特点，对地下水环境演化存在周期性或多年均衡性；人为因素是经济社会发展过程中人类的活动方式和活动强度，对地下水环境演化的贡献往往最为明显[3]。

不同时期人类的活动方式和活动强度不同，对地下水环境的干扰程度也不同。近50年来，人类工程活动对山东省地下水环境演化的影响可分为3个阶段：第一阶段(1965年前)为地下水天然补给量大于排泄量，地下水以准天然状态流动，化学组分基本处于天然状态；第二阶段(1966—1980年)为排泄与补给基本平衡，局部地下水位下降，地下水检出环境污染物质；第三阶段(1980年以来)为排泄量大于补给量，区域地下水位下降，局部地下水严重超采形成复合超采漏斗，地下水天然组分发生显著变化。

研究结果表明，山东省地下水动力场和化学场均发生了不同程度的变化，但由于不同区域降水多寡、人类工程活动强度和经济发展水平的差异，所造成的演化程度不同。那么，如何对山东省地下水环境演化有一个全面、整体的认识，也就是说怎样才能直观反映山东省地下水环境的演化程度？目前，国内外关于区域地下水环境演化综合评价研究成果较少，更没有成熟的评价方法。采用地下水动力场和化学场演化程度叠加的方式，探讨地下水环境演化综合评价方法，初步总结山东省地下水环境演化的基本规律。

1 评价方法、原理

1.1 评价方法

在地下水动力场和化学场演化研究的基础上，引入“地下水环境演化综合指数”的概念。所谓“地下水环境演化综合指数”是选取一定时期内能够体现地下水环境演化规律的主要因子，并根据其对地下水环境演化贡献大小，确定每个影响因子的权重，再对影响因子按变幅大小分别赋值、叠加，得出某一区域地下水环境演化综合指数，最后按综合指数大小进行分区评价。

1.2 评价原理

1.2.1 评价时段

据区域研究结果，将1978—2015年作为地下水环境演化综合评价的研究时段。该时段人类工程活动强烈，地下水环境发生了较大变化。

1.2.2 评价因子

地下水动力场和化学场演化主要体现在水位和水质两个方面，将水位和水质确定为一级评价因子。其中，水位采用评价时段内的变差值，包含浅层孔隙水和深层孔隙水水位变幅2个二级评价因子，岩溶水和基岩裂隙水视为动态平衡；水质选取矿化度和总硬度变差为二级评价因子。

1.2.3 评价因子权重

评价因子权重是对评价主体贡献大小量化的重要指标。由地下水循环系统分析，在某一特定区域地下水动力场的变化往往是化学场变化的前提，如莱州湾南岸海(咸)水入侵是由于山前平原区浅层淡水的大量开采[4]，造成水位下降→天然流场变异→超采漏斗形成、扩大→咸水南侵→矿化度升高→水化学环境变异→水文地质条件劣向演化程度加重，但在区域上，地下水动力环境和化学环境演化是地下水环境演化性质不同的两个方面，两者之间的关联度与地下水环境演化无关，即任何一方面的变化都会对地下水环境造成影响，故将水位变幅和水质(矿化度、总硬度)变幅视为对地下水环境演化同等重要的2个评价因子[5]，其权重比为1∶1。

1.2.4 评价分值

将地下水环境演化综合指数总分值按100分计，综合指数愈大演化程度愈高。其中水位变幅和水质变幅权重各占50%，评价分值均为50分(表1)。

表1 评价因子权重、分值

(1)水位变幅。包括鲁中南、鲁东山区外围山前地带和鲁西北平原区浅层和深层孔隙水，基岩山区山间谷地孔隙水、岩溶水和裂隙水不参与该次评价(图1)。其中浅层孔隙水和深层孔隙水水位变幅均占水位评价分值的50%，评价分值各为25分。

(2)水质变幅。鲁西北平原区深层孔隙水与当地大气降水、地表水和其他含水层水力联系弱，水质相对稳定，不参与该次评价(图2)。矿化度和总硬度变差包含区域浅层孔隙水、岩溶水和基岩裂隙水，而矿化度更能体现水质的总体特征，矿化度变差和总硬度变差分别占水质评价分值的70%和30%，评价分值分别为35分和15分。

1.2.5 评价因子分区赋值

评价因子赋值在各单因子变差图上进行，赋值大小关系到评价分区精度和评价结果。首先根据每个评价因子的变幅大小划分出变幅区间，再根据二级评价因子的分值来确定变幅区间的赋值大小。

(1)水位变幅赋值。区内浅层孔隙水水位有升有降，而深层孔隙水水位一直处于下降状态。从地下水环境演化的角度，一般认为水位上升属正效应、下降属负效应，规定水位上升为负值、下降为正值。对鲁西北平原土壤盐渍化区，浅层地下水水位适当下降能够减轻土壤盐渍化程度，但从地下水动力场演化的角度仍视为负效应。据1978—2015年浅层孔隙水、深层孔隙水水位变幅统计结果，变幅区间赋值见表2。

(2)水质变幅赋值。研究时段内，地下水矿化度和总硬度在区域上有升有降，认为升高为负效应、降低为正效应，规定升高为正值、降低为负值。由1978—2015年区域地下水矿化度、总硬度统计进行变幅区间划分。区间赋值见表2。

1—+4～+6;2—+2～+4;3—0～±2;4—-2～-4;5—-4～-6;6—-6～-8;7—-8～-10;8—-10～-20;9—<-20(“+”为水位升高，“-”为水位降低；单位m)图1 山东省地下水水位变差分区图(1978—2015年)

1—-1000～-1500;2—-500～-1000;3—0～±500;4—+500～1000;5—+1000～1500;6—+1500～2000(“-”表示矿化度减小值，“+”表示矿化度增加值；单位mg/L)图2 山东省地下水矿化度变差分区图(1978—2015年)

2 综合评价分区

地下水环境演化综合评价分级是根据综合评价指数对演化程度的半定量化研究，所采用的资料均为历年实测，所选评价因子虽有一定的局限性，但评价结果能够直观反映出多年来山东省地下水环境的总体演化趋势和演化程度。

表2 评价因子变幅分区赋值

根据各评价因子权重、分区赋值进行地下水环境演化综合评价指数计算。计算结果显示：地下水环境演化综合评价指数介于-30～60之间。经反复讨论、对比，将地下水环境演化程度划分为三种类型:优向演化区、波动平衡区和劣向演化区，对应的综合评价指数分别为≤-10，-10～10和≥10。针对劣向演化区综合评价指数又划分为5个亚区，按趋差程度分为五级演化区(表3、图3)。

表3 山东省地下水环境演化综合评价

从评价结果来看，山东省地下水环境优向演化区只在局部小范围内发生，波动平衡区一般发生在地下水相对贫乏的基岩山区和鲁西北平原区，劣向演化区主要发生在浅层孔隙水资源富集且人类活动强烈的区域。

3 地下水环境演化区综述

3.1 优向演化区

综合评价指数≤-10。主要分布在鲁西北平原区的济阳、商河、陵县北、乐陵西、临清东、东明北和嘉祥凸起以南以及胶州湾沿岸。评价时段内或水位上升或矿化度、总硬度降低，地下水环境总体向好的方向演化。总体来看，该类型区浅层水位变幅不大，矿化度和总硬度背景值较高，在区域地下水大规模开采的拉动下，浅层地下水循环条件局部得到改善，矿化度、总硬度降低。如齐河—济阳沿黄地带浅层孔隙水水位变幅±2m，处于相对稳定状态，深层孔隙水水位变幅小于30m，而总硬度由700～1000mg/L降至150～300mg/L。

3.2 波动平衡区

综合评价指数-10～10。广泛分布在鲁中南、鲁东丘陵山区和鲁西北平原深层漏斗外围区及黄河三角洲地区。评价时段内地下水水位、水质没有出现持续升高或降低的现象，评价因子变幅在某一区间值内波动，总面积约88250km2，占评价区面积的58%。

(1)鲁中南和鲁东丘陵山区

有利的地形地貌和水文气象条件，使地下水循环交替加快，各类型地下水水位变化主要受大气降水控制、调节，具有以丰补欠、多年平衡的特点。矿化度、总硬度背景值较低，其含量变化在某一区间上下波动或变幅较小。

(2)鲁西北平原区深层漏斗外围区

深层地下水开采致水位总体下降，地下水动力场发生了改变，但在德州、滨州、菏泽等深层漏斗区的外围，水位降差值一般小于50m。浅层孔隙水大多为咸水-微咸水，开采量不大，局部人工开采能够得到年内大气降水补给，水位呈多年平衡，矿化度和总硬度基本维持在40年前的水平。

(3)黄河三角洲地区深、浅层地下水均为咸水，人工开采十分微弱，水位、水质总体没有发生大的改变，水文地质条件处于相对稳定状态。

3.3 劣向演化区

综合评级指数≥10。评价时段内或水位持续下降或矿化度、总硬度升高，水文地质条件总体向差的方向演化。该类型区总面积为62709km2，占评价区面积的41%。其分布与水文地质条件和人类活动关系密切，一般分布在浅层孔隙水相对富集的大型河流冲洪积扇区、山间河谷区、滨海平原区以及深层地下水开采高强度区和人口密集、工业发达的城区附近。

图3 山东省地下水环境演化综合评价图

根据评价结果，结合水文地质条件、所处地理位置、流域、地下水成因等，将劣向演化区划分为12个演化亚区。

(1)鲁西南平原冲积劣向演化亚区：位于鲁西南平原中南部，包括曹县全部及单县、成武、郓城、菏泽城区的部分地区。其中，曹县南、成武西等局部地区属二级演化区。从评价因子分析，浅层孔隙水水位降幅0～6m，其中东南部(成武以东)是该区水位降幅较大的区域。深层孔隙水水位降幅在菏泽城区超采漏斗中心最大，约80m，向外围依次降低[6]。浅层孔隙水矿化度增幅在菏泽以北一般500～1000mg/L，巨野以北局部1000～1500mg/L，菏泽以南大部分地区0～500mg/L；总硬度增幅0～300mg/L，其中增幅50～150mg/L面积最大。可见，该亚区深层孔隙水水位降低和浅层孔隙水矿化度增高对地下水环境劣向演化贡献最大。

(2)冠县-莘县-阳谷-东阿-茌平劣向演化亚区：浅层孔隙水水位降幅一般0～14m，冠县-莘县-阳谷超采漏斗区降幅4～20m，茌平-东阿一带降幅在2m上下波动。深层孔隙水水位降幅10～60m，茌平县城附近大于55m，阳谷城区以东40m，两地均形成了各自独立的超采漏斗，其余地区降幅一般15～35m。浅层孔隙水矿化度增幅在莘县-聊城-茌平以南较大，尤其在东阿一带增幅达1500mg/L，阳谷一带增幅500～1000mg/L。浅层孔隙水总硬度变幅为0～-150mg/L，冠县-莘县-阳谷漏斗区呈降低趋势，外围基本没有发生变化[7-9]。浅、深层水位下降是造成该亚区劣向演化的主要因素，其次为浅层矿化度增高。

(3)德州-武城-夏津劣向演化亚区：浅层孔隙水水位降幅0～8m，由北而南降幅增大，夏津县城及其以西是浅层孔隙水开采较为集中的地区。深层孔隙水水位降幅40～100m，形成以德州、武城、夏津为中心的漏斗区，德州城区附近降幅近40年间超过了100m，武城、夏津县城附近降幅分别大于80m，55m。浅层孔隙水矿化度增幅0～1000mg/L，总硬度在武城-夏津一带呈降低趋势，降幅一般50～150mg/L。深层孔隙水集中开采引发水位下降是造成该亚区劣向演化的主导因素。

(4)禹城南劣向演化亚区：深层孔隙水水位降幅30～40m。浅层孔隙水矿化度增幅0～1500mg/L，且由外及内增幅逐渐增大；总硬度西部增加、东部降低，西部增幅一般50～300mg/L，东部降幅50～150mg/L。浅层孔隙水矿化度、总硬度升高是该亚区劣向演化的主因。

(5)滨州-惠民劣向演化亚区：分布在滨州市区至惠民县城之间。深层孔隙水水位降幅25～85m，滨州城区附近降幅最大。浅层孔隙水矿化度增幅500～1500mg/L，总硬度变化不大。可见，深层水水位降低和浅层孔隙水矿化度增高是劣向演化的主因[10]。

(6)乐陵-庆云劣向演化亚区：分布在乐陵和庆云县城一带，含一、二、三、四级演化级别，其中三、四级位于两县城之间及其以北地区。浅层孔隙水矿化度增幅500～2000mg/L，是全区矿化度增幅最大的地区之一，是劣向演化的主要因素。

(7)孝妇河-淄河-弥河-白浪河-潍河-胶莱河山前冲洪积扇劣向演化亚区：位于泰-沂山前诸河冲洪积扇区，呈近EW向带状分布，含一、二、三、四、五级演化级别，其中一、二、三级区在淄(博)-潍(坊)山前连为一体，四级区在广饶、寿光、昌邑一带独立分布，五级演化区只分布在广饶县城西侧小范围内。

浅层孔隙水水位降幅4～20m，在带状区的外围降幅较小，至广饶、寿光、昌潍漏斗中心区降幅大于20m。深层孔隙水水位降幅20～100m，在高青-博兴-广饶漏斗区水位降幅对地下水环境演化影响较大，博兴县城附近尤甚，其余地区影响较小。浅层孔隙水矿化度增幅500～2000mg/L，其中济南东南部西营、广饶-昌潍漏斗区矿化度增幅较大，尤其是昌邑以北海(咸)水入侵区增幅大于2000mg/L。浅层孔隙水总硬度增幅50～300mg/L，西营一带增幅大于300mg/L，寿光-潍坊150～300mg/L。该区是境内地下水环境劣向演化程度最高、影响因素最复杂的地区[11]，四项二级评价因子对地下水环境劣向演化均有贡献，其中以浅层孔隙水水位降低和矿化度升高为主。

(8)汶-泗河流域山间、山前冲洪积扇劣向演化亚区：位于汶、泗河山间、山前第四系分布区，河流中上游呈带状、下游呈面状展布，综合评价指数10～50，含一、二、三、四级演化级别，其中一级区分布面积最大，二、三级区分布在莱芜、新泰、宁阳、济宁等城区小范围内，四级演化区只在宁阳城区分布。

浅层孔隙水水位降幅除济宁市区附近为2～6m外，其余地区处于多年均衡状态。汶上-济宁中深层孔隙水水位降幅5～15m。浅层孔隙水矿化度增幅500～2000mg/L，总硬度增幅50～300mg/L。

以城区为中心的地下水矿化度和总硬度增高是劣向演化的主因。

(9)沂河-沭河流域山间、山前冲洪积劣向演化亚区：位于沂沭河流域中下游地区，北起沂南-莒县-日照、西到临沂-苍山。浅层孔隙水水位除郯城附近降幅2～10m外，其余地区均较小。矿化度绝大部分地区增幅500～1000mg/L。总硬度在沂南、莒县、临沂、莒南范围内增幅150～300mg/L，外围增幅50～150mg/L。郯城一带浅层孔隙水水位下降是劣向演化的主因，中北部地区则以总硬度升高为主。

(10)枣-滕山前冲洪积劣向演化亚区：该区为峄山、连子山、高山、抱犊山等山间诸河流冲积而成的山前平原。

浅层孔隙水水位在该区处于多年动态平衡，矿化度增幅500～1500mg/L，总硬度增幅50～300mg/L。矿化度、总硬度增高是劣向演化的主因。

(11)大沽河-五龙河流域山间冲洪积劣向演化亚区：位于五龙河上游、大沽河中上游地区，包括莱阳、莱西、胶州市的部分区域(含青岛市区附近)。地下水水位基本处于多年均衡状态。矿化度增幅500～1500mg/L，二级区增幅1000～1500mg/L。总硬度增幅50～300mg/L，二级区增幅150～300mg/L。北部二级区是人为污染造成，青岛市区受海水入侵和城市污染双重影响所致。

(12)胶北沿海诸河流域山前冲洪积劣向演化亚区：位于烟台、威海市北部的沿海平原区，西起莱州，经招远-龙口-蓬莱-烟台-威海至荣成市东部沿海地区。浅层孔隙水水位变幅较小。地下水矿化度增幅500～2000mg/L，在招远市区及西部、烟台市大沽夹河下游、威海市沿海地带增幅一般1000～2000mg/L，局部大于2000mg/L。总硬度增幅50～300mg/L，招远和威海沿海地区增幅一般150～300mg/L。

4 结语

自20世纪70年代后期开始，山东省地下水环境总体向差的方向演化，劣向演化区占总面积的40%左右。根据劣向演化区分布特点和贡献因子分析，浅层孔隙水水位局部下降和深层孔隙水水头整体降低是引发地下水动力环境改变、含水系统储水能力降低、可利用水资源量减少、海(咸)水入侵、地面沉降等地质环境问题发生的主要因素[12]。

平原区地下水污染呈现由点状向面状演化、由城市向农村扩散、由浅部向深部发展的趋势。丘陵山区及山前岩溶水水质较好，但在部分地区也相继出现泉水断流、地下水污染现象[13-14]。因此，应加强地下水资源合理开发利用总体规划，建立健全地下水监测网络体系，保护地下水环境质量。