山东滕州市荆泉地下水源地特征及水质安全性评价

郑梦琪，兰 天，杨海博，张秋虎，赵 耀，赵 耘

(1.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院, 山东 济南 250000; 2.山东正元建设工程有限责任公司， 山东 济南 250000)

地下水作为重要的供水水源，在社会经济发展和人民生产生活中发挥着至关重要的作用[1-2]。在我国，地下水占总供水量的16.8%[3-4]，随着人类活动的加剧，供水水源地安全问题变得越来越突出。为了切实保护地下水供水水源，保障社会经济的供水需求，开展地下水水源地安全评价工作具有重要的意义。目前，国内外学者已开展关于地下水源地安全评价和水环境风险的研究[5]。王琨等[6]探讨了地下水允许开采量、可持续开采量和安全开采量的概念和内涵，并综合考虑社会、经济、技术、资源等多方面约束，定义了安全开采量和安全开采控制水位。于向前和马波[7-8]探讨了地下水安全性评价，将其分为质量安全性评价和数量安全性评价，建立了地下水整体安全性标准。姚治华等[9]概化了地下水饮用水源地安全内涵，从水质安全、水量安全、源安全、生态安全和管理安全五个方面构建了地下水饮用水源地安全评价指标体系，利用灰色关联分析法对北京顺义区6个地下水饮用水源地进行了评价。李云排[10]分析了西安地区地下水动态特征，并利用层次-集对分析法对5个地下水源地的供水安全状况进行了评价。栾风娇等[11]利用单因子评价法对新疆喀什地区东部叶尔羌河流域农村地区地下水水质安全进行了评价，将水质分为了3个类别。

滕州市位于山东枣庄市北部，荆泉水源地位于滕县东部丘陵谷地水文地质小区，水源地汇水面积1126km2，是滕州市城市居民的供水水源[12]。根据《山东省地下水水源地调查评价(微山湖东)》(山东省国土资源厅和山东省煤田地质局，2019年7月)报告，荆泉水源地自1975年建成投产后，开采量基本保持稳定，但在1986-1996年和2014年-2016年两个时间段出现持续的超采，地下水位呈现下降趋势，特别是2015年地下水超采引起的岩溶塌陷共发生了11次，2016年最低水位埋深达到37.57m；此外近年来，荆泉泉域内工业企业的发展以及废水的排放导致了水环境的恶化。这些由于城市的发展以及岩溶塌陷等地质灾害的发生，对该水源地的水质供水安全产生了较大影响，因此对荆泉水源地特征及水质安全性进行评价十分必要。本次研究以荆泉水源地为研究对象，在分析水源地特征的基础上，对水源地水质安全性进行评价。该研究对于滕州市供水安全以及荆泉水源地水资源开发利用和保护具有重要的理论和实际意义。

1 研究区及方法

1.1 研究区概况

荆泉水源地为滕州市生活用水水源，位于市区东北约8.5 km的俞寨村与后荆沟村之间。水源地共有水井11眼，供水覆盖面积34 km2，占城区规划面积的90%，覆盖人口30万人，现状供水量6.2×104m3/d[13]。水源地主要补给来源有大气降水入渗、河水渗漏及灌溉水回渗，排泄途径主要为人工开采和侧向径流。地下水总体由北东往南西方向运动。受地形地貌、地层构造、岩溶发育及水动力条件等因素影响，不同区域径流条件存在明显差异。东南部艾湖-贾庄-城头灰岩分布区，东西向地形坡度较大，地下水类型为岩溶水，由于灰岩裂隙岩溶发育的不均一性，地下水运移环境相对较差。南部芹沃-陡城-安阳变质岩分布区，地势较为平缓，地下水主要在基岩强风化带及其上部残积的粗颗粒松散层中运动，岩层渗透系数相差不大，地下水运动平缓，水力坡度较小。

本次研究数据均来自山东省地下水水源地调查评价项目，包括各水源地水文地质条件、、地下水动态数据、地下水化学数据、地下水资源量统计数据等。

1.2 研究方法

地下水水源地水质安全性评价由地下水水质现状评价(L)、地下水水质变化趋势评价(S)和地下水污染风险评价(R)3个指标组成，其中地下水污染风险评价(R)包括地下水脆弱性(V)评价、地下水污染源荷载风险(P′)评价、地下水污染风险强度(RⅡ)评价和地下水污染危害性(H)评价。评价时先利用这3个指标确定出地下水污染的警度W，然后将地下水污染预警警度作为地下水水质安全性分级指标。

对于水质现状评价主要采用单因子标准指数法和综合指数法进行评价；地下水水质变化趋势性评价主要利用综合指数法和Spearman秩相关系数法；地下水污染风险源及风险评估包括地下水脆弱性评价、污染源荷载风险评价、和地下水污染危害性评价，共3个一级指标，8个二级指标，评价时耦合GIS空间叠加分析。

图1 地下水水质安全性评价流程图Fig.1 Flow of groundwater quality safety evaluation

1.2.1 地下水水质(L)评价

地下水水质评价采用《地下水质量标准》GB-14848-2017[12]中规定的地下水综合评价方法，根据地下水水质标准5个质量分类，分别对应水质(L)评分值为1、2、3、4和5分。

1.2.2 地下水水质变化趋势(S)评价

地下水水水质变化趋势(S)评价采用综合指数[14]和Spearman秩相关系数法来分析。计算步骤如下：

(1)计算秩相关系数rs，计算方法见公式(1)。

(1)

式中，Xi为周期i到周期N按浓度值从小到大排列的序号；Yi为按时间排列的序号；N为时间周期。

(2)将秩相关系数rs的绝对值同Spearman秩相关系数统计表中的临界值wp相比较。

如果|rs|≥wp，且rs是负值，则表明水质呈变好趋势；如果|rs|≥wp，且rs是正值，表明水质呈变差趋势；如果|rs|

表1 地下水水质变化趋势(S)评分标准Table 1 Guoundwater quality change trend(S) scoring standard

1.2.3 地下水污染风险(R)评价

地下水污染风险评价主要考虑表2中3个指标内容。地下水污染风险评估的指标体系如表2所示。

表2 地下水污染风险评估的指标体系Table 2 Index system of groundwater pollution risk assessment

利用污染荷载P′与含水层固有脆弱性V，得到研究区污染风险强度RⅡ(P′/V)，再综合污染危害性(H)，得到污染风险(R)。运用Natural Breaks分级方法，将污染风险(R)分成低、中、高3个等级，对应的地下水污染风险(R)分值见表3。

表3 地下水污染风险R评分标准Table 3 Groundwater pollution risk R scoring standard

1.2.4 地下水水质安全性评价

地下水水质安全性评价是以地下水污染警度W为依据，地下水污染警度W由地下水水质现状(L)、水质变化趋势(S)、污染风险(R)3个指标确定。根据3个指标的排列组合，地下水污染预警的3个变量共计有45种状态，所对应的地下水污染预警级别详见表4。

表4 地下水污染预警级别划分对照表Table 4 Comparison table for classification of groundwater pollution early warning levels

由表4可知，地下水预警级别分为五类，由低到高依次用绿色、蓝色、黄色、橙色和红色表示。通过地下水污染预警警度作为地下水水质安全性分级指标，不同警度对应不同水质安全性，地下水水质安全性划分见表5。

表5 地下水水质安全性分级表Table 5 Safety classification of groundwater quality

2 水源地特征

2.1 水位动态特征

荆泉水源地自1975年建成投产以来，开采量基本保持稳定，近年来受农田灌溉及城市供水压力的影响，水源地开采量有所增加。1986～1996年，开采量在小于允许开采量的前提下稳步增加，由1.9万m3/d增致7.8万m3/d；1997～2005年开采量保持在8.2～8.7万m3/d；2006～2010年开采量又降至5.5～5.8万m3/d；2010～2015年，逐渐增加到了8.6万m3/d；2015年以后，开采量开始减小，减小至6.2万m3/d。2013年以前地下水位基本保持在4.3 m～13.62 m，仅有小幅振荡；2014～2016年地下水位呈陡降趋势，降幅在14.98 m/a。2014年荆泉水源地首次发生岩溶塌陷(年最低水位埋深14.41 m)，2015年岩溶塌陷发生频繁共发生11次(年最低水位埋深26.86 m)，2016年出现多年水位最低值(年最低水位埋深37.57 m)，发生3次岩溶塌陷。2016年以后，在减采和降水丰沛的共同作用下，水位回升至6.64 m，此后，荆泉水源地未发生岩溶塌陷地质灾害(地下水位埋深6.64～12.30 m)，详见图2。

图2 荆泉水源地多年水位、大气降水及开采量动态曲线Fig.2 Dynamic curve of multi-year level, atmospheric precipitation and exploitation in Jingquan water source fields

2.2 水质动态特征

根据水源地1991～2017年水质动态资料及本次采样分析成果，多年来以HCO3-Ca型水为主，其中在2010年为HCO3-Ca·Mg型水、2013年为HCO3·SO4-Ca·Na型水、2014年为HCO3·SO4-Ca·Na型水。TDS多小于500 mg/L，总硬度多小于300 mg/L。地下水水质多年动态表现为：1991～2017年水源地地下水各主要指标有逐渐升高的趋势，其中总硬度升高了0.80倍，矿化度升高了0.73倍，硫酸盐升高了3.37倍，氯化物升高了2.00倍，硝酸盐升高了1.41倍，钙离子升高了0.80倍，镁离子升高了0.78倍，钾和钠离子升高了1.08倍，地下水水质有变差的趋势，详见图3。

图3 荆泉水源地水质长期动态曲线Fig.3 Long term dynamic curve of water quality in Jingquan water source fields

3 结果与讨论

3.1 地下水水质现状(L)评价

利用1991—2017年荆泉水源地布设水质监测数据对水源地丰、枯时期水质状况进行了评价。丰水期，评价区西部包括荆泉水源地，地下水水质多为III类水，东部表现为IV类水；枯水期，评价区西部包括荆泉水源地，地下水水质为III类水，评价区中部出现V类水，东部表现为IV类水。取枯水期地下水水质作为现状评价结果，评价区大部分地下水水质现状L=3。通过地下水水质现状(L)评价结果，评价结果分为三个级别，分别为L=3、L=4、L=5。

3.2 地下水水质变化趋势(S)评价

利用1991—2017年地下水水质数据，监测点周期设定为1年为1个周期，利用公式(1)对荆泉水源地地下水水质变化趋势进行评价，得到研究区在荆泉水源地地下水水质变化趋势为恶化，水质变化趋势(S)取3；研究区其他区域地下水水质变化趋势为稳定，水质变化趋势(S)取2。分析1991—2017年水质变化原因，主要是由于荆泉水源地周边工农业活动，特别是荆泉水源地由于超采，形成了岩溶塌陷和天窗，导致了地表污染源的渗入。

3.3 地下水污染风险(R)评价

3.3.1 地下水脆弱性(V)评价结果

地下水的脆弱性(V)评价主要考虑径流因子C、上覆岩层因子(O)和大气降水因子(P)综合确定，根据叠加供水V=COP=C×O×P进行叠加分析，将结果划分5个等级。评价区结果详见图5，其中北部山区地层岩性多为火成岩，地形坡度大，不利于地表水汇聚下渗，脆弱性低；东南部山区灰岩裸露，岩溶发育，透水性强，脆弱性非常高；荆泉水源地附近，普遍覆盖第四系地层，对地下水有很好的自净防护功能，脆弱性中等。

图4 径流因子C评价图Fig.4 Runoff factor C evaluation

图5 上覆岩层O评价图Fig.5 O evaluation map of overlying strata

图6 含水层固有脆弱性COP评价图Fig.6 COP evaluation chart of inherent vulnerability of aquifer

3.3.2 污染源荷载风险(P′)评价

根据对研究区污染源资料研究，发现区内存在点源污染源和面源污染源。点污染源：在城头镇附近的滕州市山东恒仁工贸有限公司和山东辛化硅胶有限公司主要进行化工生产，工业源潜在污染源类型分级赋值(K)取9，Q值取1，经污水处理站处理后的废水均检验达标，故L取值0.4，工业源污染荷载P值为3.6。面源污染：根据调查研究区主要面源污染为农业污染，K值取5，农田类型为旱田，L值取0.6，由于不同农作物施用化肥和农药量不同，故Q值不同，种植树木和花生大豆的地块Q值取1，种植玉米小麦的地块Q值取2，种植蔬菜的地块Q值取3。综合研究区内的点源污染和面源污染，得出污染源荷载(P′)评价结果(详见图7)。

图7 污染源荷载风险(P′)评价图Fig.7 Pollution source load risk(P′) assessment diagram

图8 地下水污染风险强度(RⅡ)分区图Fig.8 Zoning map of groundwater pollution risk intensity

3.3.3 地下水污染风险强度(RⅡ)评价

图8为地下水污染风险强度RII计算结果，由图可见北部山区污染风险强度低，荆泉水源地附近污染风险强度较低，东南部灰岩裸露区污染风险强度较高。

3.3.4 地下水污染危害性(H)评价

根据研究区开采井的单井涌水量将含水层富水性分区划分为5个级别，通过对研究区含水层富水性和地下水水源地保护区等级划分，将富水性和保护区进行叠加得到的地下水污染危害性H，见图9。其中冯卯镇以北及桑村镇以南，含水层富水性较弱，非水源地保护区，地下水危害性指数较低；城头镇、东郭镇及荆泉水源地附近，随着含水层的富水性逐渐增强，地下水危害指数由低到高逐渐增加。

3.3.5 地下水污染风险(R)评价结果

利用表2和表3地下水污染风险(R)评价指标，结合GIS空间叠加功能将地下水脆弱性、污染源荷载风险、 地下水污染风险强度进行空间叠加得出地下水污染风险(R)。由图10可知整个研究区有 83.79%地下水污染风险等级低，分布在冯卯镇以北和桑村镇附近；有15.07%地下水污染风险等级为中，分布在研究区中南部；有1.14%地下水污染风险等级为高，分布在荆泉水源地附近及东南部灰岩裸露区。

图9 地下水污染危害性(H)分区图Fig.9 Zoning map of groundwater pollution hazard(H)

图10 地下水污染风险性(R)评价分区图Fig.10 Zoning map of groundwater pollution risk(R) assessmen

3.4 地下水水质安全性分级

由地下水水质(L)、水质变化趋势(S)和地下水污染风险(R)综合确定出地下水污染预警等级，进而确定水源地地下水水质安全性(详见图11)。评价区内“轻警”区域占总面积的83.41%，主要分布在评价区北部的岩浆岩区，东部桑村镇岩浆岩分布区，该区域内地下水水质现状为III类，水质变化趋势稳定，含水层脆弱性低～中等，富水性弱，非水源地保护区，地下水污染风险低，地下水水质安全性为安全；评价区内“中警”区域占总面积的14.87%，主要分布于荆泉水源地及其周边的含水层富水性高的地段以及东部灰岩裸露区，该区域内地下水水质现状为III类，水质变化趋势稳定，含水层脆弱性中等～高，含水层富水性高，地下水污染风险中～高，地下水水质安全性为临界安全。在此区间有发生污染的可能性，荆泉水源地及其所在的俞寨-秦林富水地段位于这个区域，应引起足够的重视；评价区内“重警”区域占总面积的0.45%，主要分布在香城镇驻地，城头镇局部区域，该区域水之现状为IV类水，水质变化趋势稳定，含水层脆弱性中等～高，富水性弱及较弱，地下水水质安全性为不安全；评价区内“巨警”区域占总面积的1.27%，主要分布在东郭镇南侧及城头镇东侧，这个区域地下水水质现状为IV类～V类水，水质变化趋势稳定，含水层脆弱性中等～高，附近有化工生产企业，含水层富水性高，地下水污染风险中～高，地下水水质安全性为极不安全。

图11 地下水水质安全性评价结果Fig.11 Safety assessment results of groundwater quality

综合分析研究区地下水水质安全性存在局部安全性较低，风险较高的原因，主要有以下几方面的因素。1)地理位置角度主要分布于城镇驻地或者附件有工业生产企业的位置，对于地下水水源地水质安全性增加了潜在风险污染源；2)地质条件角度是由于这些地区位于灰岩裸露区，地下水径流条件相对较好，地下水含水层上部不存在好的防污带，污染物质进入地下水含水层的风险较大；3)水文地质条件角度是由于人类活动的影响，现状条件下地下水水质已经相对稍差，从而增加了地下水水源水质安全性的风险。从上述原因提供了地下水水源保护的建议：1)建议将水源地准保护区划分界线北侧以长龙断裂和岩浆岩地层界线为界，南侧为桑村穹窿周围的岩浆岩地层界线为界；西侧以峄山断层为界(水源地附近与二级保护区边界线重合)，东侧以艾湖东侧地表分水岭为界；2)要严格执行一级保护区、二级保护区和准保护区划分的规程规范；3)加强准保护区的监控，特别是在主要上游径流补给区取缔高污染、高风险企业，加强水源地地下水环境监测，同时要对周边灰岩裸露区地下水环境加强监测；4)对于荆泉水源地保护区的划分方法要采用数值模型法进行确定。

4 结论

(1)1996～2016年荆泉水源地水位呈现下降趋势，地下水水质整体为III类水，中部和东部表现为IV和V类水，地下水水质趋于恶化状态。

(2)水源地附近及东南部灰岩裸露区地下水污染风险等级较高，其他地区地下水污染风险等级中低。

(3)研究区整体地下水水质安全性为安全，占总面积的83.41%；但荆泉水源地及其周边的含水层富水性高的地段以及东部灰岩裸露区(占总面积的14.87%)地下水安全性为临界安全；香城镇驻地、城头镇局部区域(总面积的0.45%)，地下水安全性为不安全；东郭镇南侧及城头镇东侧(占总面积的1.27%)地下水安全性为极不安全。