鲁中南水文地质区水源地防污性评价

王少娟，高帅，陈奂良，张文强

(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 250000；2.山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，山东 济南 250000；3.山东省地矿局地下水资源与环境重点实验室，山东 济南 250000)

0 引言

水资源是人类生存和发展的基本要素，我国淡水资源人均占有量仅占世界人均的1/4，随着经济、社会的快速发展及人口的大量增长，水资源需求也在不断增加[1-3]。同时，我国水资源存在时空分布不均、利用率低和污染严重等问题，严重制约着我国经济健康持续发展。地下水作为水资源重要的组成部分，可更新的地下水资源量占我国水资源总量的31%，特别是在我国北方地区，大部分生活、工业及农业用水取自于地下水。随着地下水资源的大量开采，在满足社会经济发展的同时，也带来了一系列的地下水环境问题，例如地面沉降、海水入侵、地下水污染等[4-6]，严重影响地下水生态及人民生命财产安全。因此，在保障社会经济健康稳定发展的同时，更需要科学合理地进行地下水资源保护规划。开展地下水防污性评价是研究和预防地下水污染的一种有效途径，可为地下水资源保护与开发利用提供基础的科学依据。

地下水环境对自然条件变化和人类活动带来的一系列问题的防护能力称为地下水防污性，主要与含水层结构、水动力条件、地下水形成条件、埋藏深度等对各种污染物具有自我防护能力的因素有关[7]，又分为自然防污性能和特殊防污性能两种。自然防污性能是指在一定地质、水文地质条件下，人类产生的污染物进入地下水的难易程度，只与地下水所处的地质环境条件有关，与污染物性质无关。特殊防污性能是指某种或者某类污染物进入地下水的难易程度，主要考虑污染物性质及其在地下水的迁移能力。国外水文地质学者在20世纪70年代就开始地下水防污性能的研究工作并取得了大量研究成果[8-10]。自20世纪80年开始，我国学者相继评价了不同地质、水文地质条件下的地下水防污性能或污染敏感性[7,11-12]。目前，常用的地下水防污性评价方法有迭置指数法、过程数学模拟法、统计方法、模糊数学法等，最常用的是迭置指数法中的加权率定系统法。加权率定系统法又包含GOD，DRASTIC，SEEPAGE，RPIK等方法，其中地下水防污性DRASTIC评价方法是美国环境保护署于1987年提出的[13]，由于其可操作性强、评价指标信息容易获得等优点，该方法在世界各国地下水防污性评价中得到广泛的应用。

山东省鲁中南水文地质区(1)山东省地矿工程勘察院，山东省地下水水源地调查评价报告，2019年。以中低山、丘陵为主，出露以太古代侵入岩及寒武纪、奥陶纪碳酸盐岩为主，该区是省内碳酸盐岩类裂隙岩溶水主要分布区。国内学者对鲁中南地区地质、水文地质条件研究较多[14-16]，同时，徐慧珍、袁春鸿等人[17-19]对鲁中南地区局部区域地下水防污性能进行了研究，不过针对鲁中南地区水源地专门性防污性评价研究较少。因此本文以鲁中南水文地质区主要水源地为研究对象，采用DRASTIC评价模型对研究区重要水源地进行防污性评价，对不同水文地质亚区、水源地类型进行分类研究，掌握研究区水源地防污性能分布规律及主要影响因素。

1 研究区概况

1.1 水文地质条件

根据山东省区域地质构造、地形地貌及含水岩组的分布和地下水的运动规律等区域水文地质特征，划分为鲁东水文地质区、鲁中南水文地质区和鲁西北水文地质区。鲁中南水文地质区位于山东省中南部，处在鲁西北平原与沂沭断裂带的东边界之间，包括济南、泰安、淄博、潍坊、济宁、枣庄、临沂及日照市的部分地区(图1)，面积约占全省的30.8%，属于暖温带半湿润季风气候，受地形影响，山区和丘陵气候也有所不同。多年平均气温13.3℃，多年平均降水量675.2mm，受地形、气流运动等因素影响，降水量时空分布不均，夏季盛行偏南风，炎热多雨，冬季以偏北风为主，寒冷干燥，春季天气多变，干旱少雨多风沙，秋季天气晴爽，冷暖适宜，多年蒸发量1100～2200mm。冬季寒冷干燥，夏季温热潮湿，降水集中于夏、秋两季。

1—松散岩类孔隙水；2—碎屑岩类孔隙水及夹碳酸盐岩孔隙岩溶裂隙水；3—碳酸盐岩类裂隙岩溶水；4—岩浆岩、变质岩类裂隙水；5—城市；6—河流；7—水文地质亚区(Ⅰ—平阴-临朐单斜水文地质亚区；Ⅱ—肥城-沂源单斜断陷水文地质亚区；Ⅲ—大汶口-沂南单斜断陷水文地质亚区；Ⅳ—曲阜-临沂单斜断陷水文地质亚区；Ⅴ—邹城-枣庄单斜断陷水文地质亚区；Ⅵ—安丘-临沭水文地质亚区)

研究区内水系比较发育，黄河横贯东西，京杭大运河纵贯南北，其他中小河流以泰沂山脉为中心，形成向四周分流的辐射状水系。南流河流主要是沂河和沭河，均经江苏入海；北流河流主要有潍河、弥河、白浪河及小清河的支流淄河、孝妇河和绣江河等；西流河流只有大汶河，经东平湖汇入黄河；其他还有泗河、城河、白马河、十字河、界河、泉河等，均汇入南四湖。东流河流均很小，如付疃河、潮河、吉利河、洋河、王戈庄河等，集水面积均在500km2以下。

研究区为以构造侵蚀为主的中低山丘陵区，呈一向北展布的扇形山地，长期缓慢上升，以构造侵蚀为主，地貌与地层、构造具有明显的一致性。中山区侵蚀切割强烈，山势险峻，峰顶海拔超过1000m，最高为泰山主峰，海拔1545m，切割深度大于400m；低山丘陵区，谷浅坡缓，切割深度小于400m。该区出露由碳酸盐岩地层构成的侵蚀溶蚀或剥蚀溶蚀形成的低山丘陵，谷坡陡峭，地表岩溶发育，同时还发育有剥蚀山间平原和山间河谷盆地。

该区的主要特点是大面积分布碳酸盐岩类裂隙岩溶水，一般分布在盆(谷)地南侧，主要走向为NW向，呈单斜产状向N倾伏于盆(谷)地的中部、北部，具有大面积降水直接或间接补给，小面积富集和集中排泄的特点，富水的不均匀性受构造、岩性的严格控制，在山前和山间盆地、谷地中的隐伏灰岩分布区形成岩溶水的富集带，单井出水量一般3000m3/d，局部可达5000～10000m3/d，为鲁中南地区大、中城市的主要供水水源，如济南、淄博、泰安等地。松散岩类孔隙水一般沿山间盆地、山间平原和河流两侧呈带状分布，水位埋深1～5m，含水层厚度1～10m，主要岩性为砂及砂砾石，单井出水量1000～3000m3/d，形成富水地段。

1.2 水源地概况

鲁中南水文地质区共有地下水水源地112个，主要分布在断裂带及岩性接触带等富水区域，根据地下水赋存条件，可将区内地下水水源地分为孔隙水型、岩溶水型水源地，其中孔隙水型水源地20个，岩溶水型水源地92个，主要以岩溶型水源地为主(图2)。

1—岩溶水源地；2—孔隙水源地

岩溶水型水源地主要分布在山前地带及山区单斜断陷盆地中，各岩溶水水文地质单元一般具有相对独立的补给、径流、排泄功能区，在汇集排泄区具有岩溶发育程度高、水量丰富、水位埋藏浅、易于开发的特点，构成岩溶水系统的富水地段，适于建设大型、特大型集中供水水源地。孔隙水型水源地主要分布在河流冲洪积扇、河谷和山前冲洪积平原地区，地下水位埋深不大，规模主要以中型水源地为主。

2 防污性能评价方法

2.1 评价方法

影响含水层防污性能的内因是水文地质单元的物理特性，允许用不同反映含水层介质及其特征的水文地质参数来综合反映含水层的防污性能。DRASTIC模型应用于世界许多国家的地下水防污性评价工作中，取得了良好的效果[20-24]。因此本文选取DRASTIC模型对鲁中南水文地质区水源地进行防污性能评价。

2.2 评价模型

地下水防污性能评价因子的选择原则是对地下水防污性能影响大且容易获取的指标。DRASTIC评价模型采用影响地下水防污性能的7个因子，如地下水埋深、含水层净补给量、含水层介质、土壤介质、地形坡度、包气带影响、含水层水力传导系数，根据每个因子对地下水防污性能影响的相对重要程度给予其相应的权重(1～5)，并用1～10的量化得分体系代表各因子数值范围区间或介质类型，因子量化得分越低表示地下水防污性能越好，反之越差。最后，各因子评分的线性加权和得到防污性能指数，DI值越高，防污性能越差，反之越好。根据防污性能指数划分评价区防污性能分级来评价地下水受污染的相对难易程度。

DI=wdDR+wrRR+waAR+wsSR+wtTR+wiIR+wcCR

式中：DI为基于DRASTIC模型的防污性能指数；DR，RR，AR，SR，TR，IR，CR为各评价因子的量化得分；wd，wr，wa，ws，wt，wi，wc为各评价因子的权重。

2.3 评价因子权重

不同评价因子对污染物穿过包气带、饱水带进入含水层过程的影响大小不同，因此，需要对各评价因子给定权重值，来反映各评价因子的相对重要性。权重的取值范围为1～5，对地下水防污性能影响大的权重值越大，反之越小。权重是不可改变的定值，分为所有污染物权重值和农药类污染物权重值，本文采取了基于所有污染物的典型权重值体系(表1)。

表1 评价因子权重体系

2.4 评价因子量化

评价因子的量化过程是地下水防污性评价的重要环节，DRASTIC模型中存在两类评价因子，其中，D，R，T，C为数值型因子，A，S，I为分类型因子。评价因子的量化思路是量化分值范围为1～10，防污性最好的评分为1，最差的为10，数值型因子的每个数据区间赋予一个分值，分类型因子的每种分类赋予一个分值，最后得到评分体系(表2)。

表2 评价因子评分体系

2.5 防污性评价分级

地下水防污性能评价的目的在于科学合理的划分评价区不同防污性能等级，指导评价区水源保护区划分及地下水资源的开发利用。为了更好地评价防污性能差异，根据评价区防污性能指数范围，将评价区地下水防污性能分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ5个级别(表3)。

表3 防污性能等级划分

3 结果与讨论

对研究区地下水水源地地下水防污性能进行统计发现，岩溶水源地中地下水防污性能中等及以上的有81个，占岩溶水源地总数的88.04%，其中防污性能为高的岩溶水源地数量最多为37个，占岩溶水源地总数的40.21%。而防污性能为低和非常低的有11个，仅占岩溶水源地总数的11.96%。表明研究区内大部分岩溶水源地防污性能较好，仅有少部分岩溶水源地具有污染物极易进入地下水系统的风险(图3)。

图3 水源地防污性能统计柱状图

孔隙水源地中地下水防污性能中等及以上的有12个，占孔隙水源地总数的60%，其中防污性能为高的数量最多为10个，无防污性能非常高的孔隙水源地。而防污性能为低和非常低的有8个，占孔隙水源地总数的40%，要大于相应的岩溶水源地。

3.1 岩溶水源地防污性能评价

防污性能非常低的岩溶水源地分布于平阴-临朐单斜水文地质亚区及邹城-枣庄单斜断陷水文地质亚区(图4)，防污性能低的岩溶水源地主要位于平阴-临朐单斜水文地质亚区及肥城-沂源单斜断陷水文地质亚区，防污性能中等的岩溶水源地主要分布于平阴-临朐单斜水文地质亚区、肥城-沂源单斜断陷水文地质亚区及邹城-枣庄单斜断陷水文地质亚区南部，防污性能高和非常高的岩溶水源地主要分布于平阴-临朐单斜水文地质亚区、曲阜-临沂单斜断陷水文地质亚区及邹城-枣庄单斜断陷水文地质亚区西北部。

1—防污性能非常低；2—防污性能低；3—防污性能中等；4—防污性能好；5—防污性能非常好

从水文地质功能区来看，防污性能中等及以下的岩溶水源地多分布于岩溶水系统的径流补给区，该区域多为裸露的寒武纪张夏组、炒米店组、三山子组及奥陶纪马家沟群灰岩，受到构造影响，地表岩溶裂隙发育强烈，大气降水可通过岩溶裂隙或溶洞快速转化为地下水，地表污染物容易进入含水层，导致岩溶含水层防污性能较差。其次位于山前地带的岩溶水源地，第四系厚度较薄，砂性土厚度一般0～0.5m，其下为岩溶含水层，第四系对污染物的阻挡能力有限，地下水防污性能较差。

防污性能高和非常高的岩溶水源地多分布于岩溶水系统的汇集排泄区，例如平阴-临朐单斜水文地质亚区北部、邹城-枣庄单斜断陷水文地质亚区西北部等，该区域隐伏的岩溶含水层一般会被一层稳定的、厚度较大的第四系土层覆盖，将其与第四系孔隙含水层和地表水隔开，能有效阻挡污染物直接进入岩溶含水层。部分岩溶水具有承压性，水位高于上覆第四系，因而对隐伏的岩溶含水层起到很好的保护作用。

3.2 孔隙水源地防污性能评价

研究区内孔隙水源地主要分布在肥城-沂源单斜断陷水文地质亚区、大汶口-沂南单斜断陷水文地质亚区及安丘-临沭水文地质亚区，防污性能中等及以下的孔隙水源地主要分布在肥城-沂源单斜断陷水文地质亚区和安丘-临沭水文地质亚区，防污性能高的孔隙水源地主要分布在大汶口-沂南单斜断陷水文地质亚区，无防污性能非常高级别的孔隙水源地(图5)。一般来讲，孔隙水富水地段岩性以砂和砂砾石为主，包气带岩性以砂砾石及粉细砂为主，且水位埋深较浅，一般在5～20m，由于包气带厚度较小，地表污染物更容易通过包气带渗漏进入含水层中。

1—防污性能非常低；2—防污性能低；3—防污性能中等；4—防污性能好；5—防污性能非常好

4 结论

(1)岩溶水源地防污性能具有区域性特点，防污性能中等及以下的岩溶水源地主要分布在平阴-临朐单斜水文地质亚区、肥城-沂源单斜断陷水文地质亚区及邹城-枣庄单斜断陷水文地质亚区南部，这些区域岩溶水源地防污性能较差，而平阴-临朐单斜水文地质亚区、曲阜-临沂单斜断陷水文地质亚区及邹城-枣庄单斜断陷水文地质亚区西北部岩溶水源地防污性能较好。

(2)岩溶水系统功能分区是影响岩溶水源地防污性能的重要因素，径流补给区大多灰岩裸露且地表岩溶裂隙发育强烈，缺少土壤介质、包气带等防护，大气降水通过岩溶裂隙或溶洞快速进入含水层，净补给量较大，地表污染物容易进入含水层，岩溶含水层防污性能较差。而排泄区隐伏的岩溶含水层一般存在较厚的土壤介质、包气带，有效阻挡污染物直接进入岩溶含水层，具备较高的防污性能。

(3)孔隙水源地防污性能整体低于岩溶水源地，孔隙水富水地段岩性以砂和砂砾石为主，水位埋深较浅，包气带厚度较小，地表污染物更容易通过包气带渗漏进入含水层，导致其防污性能较差。

(4)针对研究区地质、水文地质条件，结合水源地防污性评价成果，认为应保护沟谷、河道等渗漏区，避免地表污染物通过渗漏区进入含水层；严控在水源地保护区内新建、扩建有潜在污染的企业，对现有乡镇有污染的企业，严禁污水排放，垃圾堆放；村镇居民点的污水应集中收集、处理；保护地表水系，防止河流污染；农业要科学、合理施用化肥和农药，防止污染地下水；钻井时必须严格止水，防止串层污染岩溶地下水等。