济南地区岩溶地下水污染评价及保护措施

韩琳

(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)

0 引言

济南是著名的泉城，泉水是其城市的灵魂所在，十几年来，为保持泉水喷涌，济南市相继实施了“节水保泉”“引黄保泉”“回灌保泉”等一系列措施[1-7]。居民不得不以水质较差的黄河水作为生活水源，随着居民生活水平的提高，饮用水质更好的地下水已成为济南人民的诉求。然而，随着社会经济的发展，地下水遭受到了不同程度的污染[8-14]，对地下水环境进行质量评价是开采使用地下水的必要前提。前人对地下水环境质量评价进行了多方法研究，唐贺[15]采用改进灰色关联分析法，对大连市瓦房店区域11处国家地下水监测井水环境质量状况进行评价。王超[16]应用氮同位素分析硝酸盐水质污染与污染源类型的相关性，证明反硝化作用的存在。胡漾等[17]将主成分分析法、熵权法与贝叶斯理论三者进行耦合，以新疆准东煤田二号矿井及周边区域地下水为研究对象，进行实例分析，苏建云等[18]通过对TOPSIS方法的改进和拓展(加权欧氏距离平方的TOPSIS法)，实现了兼具绝对性与相对性综合性的水环境评价。本文在总结已有研究成果的基础上，对济南地区岩溶地下水污染进行了评价(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，济南地区优质地下水供水水文地质调查报告，2015年。，并提出了相关保护措施。

1 研究区概况

济南地区地处鲁中低山丘陵与鲁西北冲积平原交接带上，地势南高北低。大地构造上，济南地区横跨新华夏第二隆起带的鲁西隆起及新华夏第二沉降带的鲁西北坳陷区。南部为以古生代地层为主体的北倾单斜构造，北部为沉积厚度较大的第四纪和新近纪松散堆积物的凹陷区。南部的单斜构造中发育有多条规模较大的NNW向断裂，自东向西大致等距分布，将单斜构造分割为若干个断块。东西被分割成断块式的N倾单斜构造，是济南地区地质构造的基本特征，这些构造特征将济南地区水文地质单元分为5大部分，整个研究区地质构造见图1。济南地区地处中纬度内陆，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，降水具有明显的季节性，汛期为6—9月份，降水量占全年降水量的70%。研究区内水系纵横、河流、水库众多，地下水储量丰富，因此研究区地下水开发利用时间较早，开发利用水平也较高。但随着城区的不断扩展，地下水的补给通道减少，岩溶地下水的使用增加，这直接导致了岩溶地下水水位降速增快、水质污染等地质环境问题。

1—第四系；2—石炭系；3—奥陶系；4—寒武系；5—泰山岩群；6—侵入岩；7—岩脉；8—奥陶系顶板埋深等值线(m)；9—研究区范围界线

2 岩溶地下水污染评价

2.1 岩溶水污染程度评价

2.1.1 岩溶水环境背景值的确定

岩溶水环境背景值，也就是污染起始值，既是确定岩溶水污染程度的主要参数，也是岩溶水水质评价基础。本文通过分析研究区域地质、水文地质条件，结合社会经济发展状况进行本次研究。根据已有水质资料的全面性及有效性，本次研究岩溶水环境的背景值为：2002年平阴水文地质单元、1987年长清-孝里铺水文地质单元、1982—1989年济南泉域水文地质单元、1988—1990年白泉泉域、2003年明水泉域水质资料。

2.1.2 评价项目

2.1.3 评价方法

(1)单因子评价。以污染指数大小表示地下水污染程度，计算公式为：

式中：Pi—地下水中污染物i的污染指数；Ci—污染物i的实测浓度(mg/L)；Coi—地下水中污染物i的背景值(mg/L)；当Pi<1时为未污染;Pi>1时为污染。

(2)多因子评价。以综合污染指数进行多因子评价，计算公式为：

式中：P—地下水综合污染指数；n—污染物种类数；Pi—地下水中污染物i的污染指数。

(3)污染程度分级。根据污染物组分的污染种类数及其综合污染指数，依据表1对地下水进行污染程度分级。

表1 地下水污染程度分级

(4)污染程度分级评价。根据研究区范围大小，本研究在研究区内选取了55个有代表性的采样点，经过样品分析检测，确定了各污染物浓度。根据单因子评价方法计算出单种污染物的污染指数，然后用多因子评价方法进行因素累加确定地下水综合污染指数P值，根据2种方法的结果参考表1，对55个采样点进行了污染程度分级。结果表明55个采样点中未污染5个、轻污染35个、中度污染7个、重污染6个、严重污染2个。根据采样点污染情况，将研究区岩溶水污染程度划分为未污染、轻污染、中度污染、重污染、严重污染5个等级(图2)。

1—未污染;2—轻污染;3—中度污染;4—重污染;5—严重污染;6—分级界线;7—奥陶系顶板埋深等值线(m);8—研究区范围界线

2.2 岩溶水防污性能评价

2.2.1 评价方法

DRASTIC模型是美国环保局提出的，因其模型普适性较高，在美国以及我国都得到了较广泛的应用。中国地质调查局《地下水污染调查评价规范》(DD2007—01)，地下水系统防污性评价就建议采用DRASTIC模型。DRASTIC模型的基本思想是：水文地质单元的物理特性是影响含水层脆弱性的内因，允许用不同的反应含水层介质及其特征的水文地质参数来综合反应含水层的防污性能。

DRASTIC方法表达式为：

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

式中：Dr，Rr，Ar，Sr，Tr，Ir，Cr分别为各因子的级别值；Dw，Rw，Aw，Sw，Tw，Iw，Cw分别为各因子的权重值，各类级别值和权重值可通过查相应的指标因子确定。

2.2.2 评价因子及权重

模型取主要影响含水层防污性能的7个要素为评价指标，A为含水层介质，S为土壤介质，D为地下水埋深，R为净补给量，T为地形坡度，I为包气带介质，C为含水层渗透系数。计算所得的DRASTIC指数值越大，说明地下水面临污染的相对风险也越高，地下水的脆弱性也就越大。

2006年2月，中国地质调查局针对“全国地下水资源及环境问题调查评价”项目专门制定了《地下水脆弱性评价技术要求》，该技术要求对DRASTIC模型评分体系中的指标权重和部分指标标准特征值进行了改进，改进之处见表2、表3，根据改进内容，本次评价以第四系厚度代替地下水埋深，有效降水入渗量代替净补给量，对岩溶水防污性能进行评价。

表2 DRASTIC方法中各指标的权重

表3 10个级别7项指标的指标标准特征值

2.2.3 各分项指标的选取

第四系厚度：根据研究区以往探测的钻孔资料，确定计算评价的第四系厚度。

有效降水入渗量：根据各个水文地质单元的勘测报告、历年气象资料，采取分块确定

含水层介质类型：污染物在含水层中的运移受到含水层介质岩性的影响，根据以往探测的钻孔资料，确定含水层介质类型。

土壤介质：根据以往探测的钻孔资料，确定土壤介质类型。在本文中土壤介质如果为防污性能好的黏性土，评分就低；如果为防污性能差的砂性土，评分就高。

地形坡度：地形坡度因其是山前区域较为明显的特点之一，因此也作为一项评价指标。地形坡度越小，越有利于水流的汇集，增大了补给地下水的可能性。

包气带介质：包气带是衡量防污性能的重要指标，在污染物从地表进入地下水的过程中，起到了关键的作用。包气带中对于污染物起到阻截的主要是颗粒较细的黏性土部分，包气带厚度直观的反映出污染物进入地下水需要经过的距离，因此需要将颗粒大小和包气带厚度两项指标综合考虑。

含水层渗透系数：新指标体系综合考虑含水层介质岩性以及含水层渗透系数的影响，利用综合渗透系数来反映含水层在地下水固有脆弱性中的作用。用每种岩性的厚度在含水介质总厚度的比例，乘上其相应的经验渗透系数，加权求和，计算出包含弱透水介质在内的含水层的一个综合渗透系数。

2.2.4 综合评价

DRASTIC指数防污性程度分级定义：DRASTIC指数小于80，为防污高区；DRASTIC指数位于80～100之间，为防污中区；DRASTIC指数大于100，为防污低区。为了解研究区内地下水防污能力的高低，基于保证均匀覆盖和重点突出的原则，在研究区内51处进行钻孔探测，根据前述DRASTIC公式对各个钻孔点进行计算，结果显示51个钻孔点中DRASTIC指数小于80的有7个、80～100之间的有27个、大于100的有17个。根据钻孔点防污能力对研究区地下水防污程度进行分级(图3)。

3 优质地下水开发利用区划与保护措施

济南绝大部分地区的岩溶地下水污染程度属于未污染和轻度污染，水质较好，但也存在少数片区由于社会经济发展带来的人口增多和污染物增加，导致地下水遭受到了不同程度的污染。但未污染和轻度污染区占比较大并不意味着对岩溶水的保护可以放松警惕，对比污染程度分级图和防污程度分区图就会发现轻度污染区大部分都是防污程度低区，轻度污染的岩溶水随时可能因为保护不当导致污染加重。因此，在大力发展经济的同时做好地下水开发利用和有效保护极为重要。为此本文根据不同的地下水水文地质条件，对地下水开发进行了利用分区和保护分区，并根据分区提出了相应的保护措施(图3)。

1—防污高区;2—防污中区;3—防污低区;4—防污染程度分区界线;5—奥陶系顶板埋深等值线(m);6—研究区范围界线

3.1 地下水开发利用分区

济南地区岩溶水资源储量大，但由于岩溶发育的特殊性、岩溶水资源时空分布不均匀，此外，受自然条件或人类活动影响，已出现了诸如干旱缺水、地下水污染、城区扩展影响降水入渗、河流截流及防渗造成地表水渗漏量减少等地质环境问题。这些问题已成为了亟待解决的难题，制约济南的进一步可持续发展，考虑岩溶地下水开发利用现状及供需平衡关系，结合区内水资源分布现状和特定的地形地貌条件，本文对岩溶水资源开采进行了区划，基于此能对地下水进行合理开采利用。

调查表明，大气降水和地表水是济南地区岩溶地下水的重要补给来源。人工开采和泉水排泄是岩溶地下水重要排泄方式。受降水强度、地形地貌特征、岩溶发育强度等因素影响，岩溶水动态变化具有明显的调蓄性与周期性。济南地区400m以浅岩溶地下水已有不同程度的开发，但研究资料显示，平阴、长清-孝里铺水文地质单元和白泉泉域仍具有一定的开发潜力。在此基础上，依据“密切结合社会经济发展和人居需求，与地方经济相适应”“地表水与地下水联合开发利用”“以丰补欠”“分区分片开发”的原则，将研究区岩溶地下水划分为适度增采区、可增加开采区、济南城区张夏灰岩局部供水研究区和保泉控采区4个分区(图4)。

3.2 地下水环境保护区划及措施

地下水环境保护区根据济南地区5大水文地质单元划分(图1)，济南泉域南部山区水源涵养省级生态功能保护区将济南泉域和白泉泉域南部山区均划为水源涵养省级生态功能保护区，并提出了保护措施，其他3个水文地质单元的南部山区还没有划分水源涵养省级生态功能保护区。本次研究根据5个水文地质单元的水文地质条件，从水文地质保护角度出发，将研究区地下水环境保护区划分一般保护区、间接补给保护区和直接补给及汇集排泄保护区或直接补给保护区3个区，并针对各区水文地质条件及开发利用情况提出了保护措施。地下水资源保护措施:

(1)一般保护区。打井必须严格止水，防止串层污染岩溶地下水；区内不能建设污染严重的工矿企业，拟建厂必须经环境保护论证，采取严格防渗措施。

(2)间接补给保护区。封山植树造林涵养水源、增加降水补给量；严禁河床挖砂，保护地表水系，防止河流污染；农业实施节水措施，科学、合理施用化肥和农药，防止污染地下水；加强岩溶水长期动态观测工作，做到随时监测及时保护。

1—适度增采区；2—可增加开采区；3—停采控采开采区(含水层埋深350m以浅)；4—济南城区张夏灰岩局部供水研究区；5—防污染程度分区界线；6—奥陶系顶板埋深等值线(m)

(3)直接补给及汇集排泄保护区。封山植树造林涵养水源，增加岩溶水补给量；保护沟谷严禁河床挖砂，不得任意改造取直和采取防渗措施，确保地表水、地下水联合调配回灌补源；防止城市建设继续侵占直接补给保护区的面积，影响岩溶地下水补给量；严禁污水、垃圾任意排(堆)放，对已经污染的及时清理治理；加强地下水动态长期观测工作，做到随时监测及时保护。

4 结论

本文以济南地区岩溶地下水为研究对象，在岩溶地下水污染评价方面开展了污染程度和防污性能评价。结果表明济南大部分地区属于未污染或轻度污染地区，污染较为严重的地区范围较小。防污程度高区和中区所占比例较小，而且人口较多的城区基本都属于防污程度低区，这部分地区也是轻度污染地区，因此是保护的关键地区应当重点关注。根据以上研究成果，对地下水的保护和开发利用进行了区划，并给出了相关措施，以期为济南地区岩溶地下水的利用开发与保护提供相关依据和指导。