鲁中地区泰安莱芜断陷盆地地下水水质安全性评价

摘要：地下水水质安全性评价是地下水资源保护的关键环节。为了阐明鲁中泰安莱芜断陷盆地地下水水质安全性，本次研究系统评价研究区地下水水质现状、水质变化趋势和地下水污染风险，并以此为基础开展地下水污染预警分级，揭示地下水水质安全性。评价结果显示，研究区内地下水污染预警等级分为巨警、重警和中警3个级别。其中，巨警区占研究区总面积的21%，表明该区地下水水质极不安全；重警区占研究区总面积的26%，主要分布在巨警区外围约5km范围，地下水水质不安全；其他地区为中警区，占研究区总面积的53%，地下水水质临界安全。该研究可为鲁中地区泰安莱芜断陷盆地地下水资源保护及合理开发利用提供有力支撑。

关键词：水质安全性；污染风险；地下水；污染预警；水源地；泰安莱芜断陷盆地；鲁中地区

中图分类号：P641；X143文献标识码：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.05.007

引文格式：魏凯，路兵，徐飞.鲁中地区泰安莱芜断陷盆地地下水水质安全性评价［J］.山东国土资源，2023，39（5）：4653.WEI Kai， LU Bing， XU Fei. Evaluation of Groundwater Quality Safety in Tai'an - Laiwu Faulted Basin in the Middle of Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（5）：4653.

0引言

地下水资源是淡水资源的主要来源之一［13］。我国地下水供水量约占总供水量的17%［45］。作为重要的供水水源，地下水在保障工农业用水和居民生活用水、支撑经济社会发展和生态环境平衡等方面发挥了至关重要的作用［67］。然而随着社会经济发展与人口增长，地下水污染问题日益严重［811］。

地下水的污染类型中，农业污染已成为地下水污染的主要类型之一［12］。山东省属于农业大省。其中，截至2020年，泰安市农业耕种面积为37.2万hm2，农业在该市的经济发展中占据主导地位［13］。然而，农业生产中化肥、农药的大量投入会导致氮、磷等元素会通过灌溉水或降雨作用渗入地下水，对地下水水質造成严重污染［14］。因此在该地区水源地开展地下水水质安全性评价，可为地下水资源保护及合理开发利用提供技术支撑。

目前，地下水水质安全性评价是区域地下水资源保护的关键环节［15］，其多采用地下水污染预警模型实现［1617］，即通过综合分析地下水水质现状、地下水水质变化趋势和地下水污染风险3个指标［1819］，对地下水污染情况进行综合预警，以确定水质安全性等级。基于该方法，本研究对泰安莱芜断陷盆地地下水水质安全性进行了评价。首先，通过对研究区水质资料的系统分析，明确了研究区地下水水质现状及水质变化趋势；然后对研究区地下水脆弱性、污染源负荷风险和污染危害进行了评价，揭示了研究区地下水的污染风险；最后，综合地下水水质状况、水质变化趋势和污染风险3个指标，确定研究区地下水污染预警等级和水质安全等级。

1研究区概况

泰安莱芜断陷盆地，位于山东省泰安市至济南市莱芜区西北一带（图1），面积约为2446.64km2。该区属暖温带季风大陆性气候，四季分明，季节性干旱严重［20］。根据1950—2018年统计资料，研究区多年平均气温为12℃，大风季节一般在3—5月，多为东北风；多年平均降水量为766mm，年最大降水量为1572mm，年最小降水量为263mm，日最大降雨量为223mm，年总蒸发量约为1800mm。

研究区地下水类型主要为孔隙水和岩溶水，主要用于工业、农业和生活供水，是农业灌溉的主要区域。此外，研究区社会经济发展较好，其中，泰安城区占地面积约为60km2，居住人口约60万人，工、农业产品十分丰富，旅游、商贸和餐饮等社会服务设施比较完善。

2材料与方法

2.1样品采集与处理

研究样品为泰安莱芜断陷盆地采集的47件地下水样，其中孔隙水样品17件，岩溶水样品30件。水样多采自农业灌溉机井和居民饮用水井。采样时取样瓶用新鲜水冲洗至少3次，取样点均为经常提水的开采井或压水井，取水前抽水10min以上，确保取得的水样能够反映采样点地下水的真实状况。

水样测试指标中，水温、pH在现场采用便携式多参数水质分析仪（HQ40D）测定。其他指标送至山东省地矿工程勘察院检测。其中，K+、Na+、Ca2+、Mg2+等常规阳离子采用电感耦合等离子体质谱仪（TSQ9000，最低检出限0.001mg/L）测定，Cl、SO24、NO3等常规阴离子采用离子色谱仪（Agilent7800，最低检出限0.01mg/L）测定，HCO3浓度、总硬度（TH）采用酸碱滴定法测定；总溶解固体（TDS）通过离子平衡方程计算得出。

2.2评价方法

地下水水质安全性由地下水水质现状、水质变化趋势和地下水污染风险3个指标确定的地下水污染预警级别表示［15］。其中，地下水污染风险评价又包括地下水脆弱性评价、地下水污染源荷载风险评价和地下水污染危害性评价。

2.2.1水质现状评价

地下水水质现状评价以我国现行的《地下水质量标准（GB/T14848—2017）［21］》为依据，包括单项评价和综合评价法。按《地下水水质标准》所列分类指标，通过综合评价将地下水水质划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ五类，分别对应水质现状（L）评分分值为1、2、3、4和5分（表1）。

2.2.2水质变化趋势评价

本研究采用Spearman秩相关系数法对水质变化趋势进行评价，计算公式如下：r=1-6∑（Xi-Yi）2n3-n（1）式中：r为秩相关系数；Xi为周期i到n按浓度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。然后，将r与spearman秩相关系数统计表［22］中临界值w比较，如果|r|≥w，且r为负值，表明水质呈变好趋势；如果|r|≥w，且r为正值，表明水质呈变差趋势；如果|r|＜w，表明水质呈稳定趋势。水质变好、稳定和变差趋势对应的水质变化趋势分值分别为1、2、3分。

2.2.3污染风险评价方法

地下水污染风险（R）评价基于地下水脆弱性（V）、污染源荷载风险（P）、污染危害性（U）3个指标。根据3个指标的评价分值再由表2得到地下水污染风险评价结果R，其中R为“0”表示低风险，R为“1”表示中风险，R为“2”表示高风险。

（1）地下水脆弱性（V）评价。地下水脆弱性评价由地下水易污性指标（DRASTIC）确定［2324］，主要包括水位埋深（D）、净补给量（R）、含水层岩性（A）、土壤类别（S）、地形坡度（T）、渗流区岩性（I）和水力传导系数（C）。地下水易污性综合指数（GVI）计算公式（2）：

GVI=DwDs+RwRs+AwAs+SwSs+TwTs+IwIs+CwCs（2）式中：w为指标权重；s为指标评分。

根据以往研究经验及相同地区研究成果［2526］，本次研究将各个指标的权重值依次赋为5、4、3、2、1、5、3。易污性评价指标评分体系按表2确定。

通常地下水脆弱性指数为23～226，易污性评价指标指数越大，则该区域的地下水就易于被污染。为了计算方便，将地下水脆弱性指数折算为1～10。地下水系統综合指数划分成5个级别，并设置评分分值，如表3所示。

（2）污染源荷载风险（P）评价。污染源荷载风险评价包括污染源类型、污染物产生量、污染物释放可能性及污染影响范围的识别。其中，污染源的类型K（包括毒性、污染物衰减能力、溶解性能等）、生成量Q（主要考虑降水量、污染源大小等）、污染物释放的可能性L（有或没有防护措施）和距离D。其中，污染源类型K的取值1～9（表4）；污染物生成量Q按小、中、大分别取值1、2、3；污染物释放可能性L分为0、0.5、1；距离D，按照距离污染源方圆500m、500～1000m、1000m外分别取值2、1、0。

基于上述指标确定污染源荷载指数（P），如公式（3）所示：P=K×Ｑ×Ｌ×Ｄ（3）式中：P为单个潜在污染源污染荷载指数；K为污染源类型的等级；Q为污染物产生量的等级；L为污染物释放可能性的等级；D为污染影响半径。依据污染源荷载指数获取污染源荷载风险分值（表5）。

（3）污染危害性（U）评价。无人区或人烟稀少的地区的地下水污染带来的危害性相对较低，地下水不作为饮用水时，地下水污染带来的危害性相对较低。因此，本研究基于地下水的使用目的确定地下水污染后导致的危害程度。污染危害性评价以地下水使用目的为分级指标，如表6所示。

2.2.4水质安全性评价

基于地下水水质现状（L）、水质变化趋势（S）和地下水污染风险（R）3个指标，确定地下水污染预警等级（W）。其中，地下水水质现状分5级；地下水水质变化趋势分为变好、稳定、恶化3级；地下水污染风险分低、中、高3级。3个变量排列组合共计有45种状态。其中，L1表示L=1，其他依次类推。依据环保部《国家突发环境事件应急预案（2014）》对可以预警的突发环境事件的预警分级，预警等级分为五类，由低到高依次用绿色预警、蓝色预警、黄色预警、橙色预警和红色预警表示［15］（表7），分别表示水质安全、水质较安全、水质临界安全、水质不安全和水质极不安全。

3结果与讨论

3.1水质现状（L）评价结果

基于测试结果分析，研究区地下水类型以孔隙水和岩溶水为主，总体上岩溶水水质优于孔隙水。在富水区中，羊里水源地为汇河冲积孔隙潜水，水化学类型主要为HCO3·SO4Ca型水（图2），该区地下水水质均以Ⅴ类水为主，水质现状（L）取值为5。寨里水源地为岩溶水，水化学类型主要为HCO3Ca型，该区地下水水质均以Ⅳ类水为主，水质现状（L）取值为4。省庄镇、邱家店镇和北集坡镇水源地为岩溶水，水化学类型为HCO3Ca型、HCO3·SO4Ca型，该区地下水水质均以Ⅳ类水为主，水质现状（L）取值为4。其他区域地下水水质均以III类水为主，水质现状（L）取值为3。

3.2水质变化趋势（S）评价结果

结合2013—2018年的地下水水质数据，以1年为评价周期，利用公式（1）对研究区地下水水质的变化趋势进行评价。评价结果表明，羊里镇和寨里镇水源地地下水水质变化稳定，水质变化趋势评分为2。省庄镇、邱家店镇和北集坡镇水源地地下水水质变化均趋于恶化，水质变化趋势评分为3。地下水水质恶化主要原因可能为省庄镇、邱家店镇和北集坡镇水源地城市化发展导致生活污水排放量增加，以及岩溶水开采引发的岩溶塌陷导致上层孔隙水或地表水污染源下渗。研究区其他地区地下水水质变化稳定，水质变化趋势评分（S）为2。

3.3污染风险（R）评价结果

3.3.1地下水脆弱性（V）

根据易污性评价指标体系评分标准对地下水脆弱性评价的各个指标赋分。并进行评价，研究区地下水脆弱性主要为4种类型（图3）。地下水脆弱性等级为Ⅴ的区域在羊里镇至范镇呈条带状分布，面积约为186.73km2，该区地下水最易受到污染；研究区的东部和南部，由莱芜的张家洼街道、口镇到泰安的徐家楼街道、邱家店镇，地下水脆弱性等级为Ⅳ，分布面积约为360.61km2，表明该区地下水极易受到污染；以上区域向南北两侧延申的区域为地下水脆弱性等级为Ⅲ，分布面积约为526.63km2，该区地下水容易受到污染；其他区域均为地下水脆弱性等级为Ⅱ的区域，该区地下水可能会受到污染。

3.3.2污染源荷载风险（P）

研究区的污染源主要是农业污染源和工业污染源。其中，农业污染在研究区农田普遍分布，农田类型主要为旱田。根据种植农作物类型所需肥料及农药差异，Q值取值不同。工业污染主要分布在莱城区山前平原的羊里镇和寨里镇，主要包括鲁中冶金矿山公司和温石埠铁矿开采，对其分别取值结合表4的评分标准，污染源荷载风险评价结果如图4所示，评分为1的区域主要分布在羊里镇和寨里镇，面积约为82.98km2；其他地区评分均为0。

3.3.3污染危害性（U）

根据泰安莱芜断陷盆地地下水富水性及其用途对地下水污染危害性进行评价。其中，羊里镇水源地单井涌水量大于1000m3/d的分布面积为37.85km2，该区内的羊里水源地开采量为5.0万～5.5万m3/d，主要用途为鲁中冶金矿山公司供水、人畜生活用水开采，农田灌溉用水开采等。寨里镇水源地单井涌水量大于1000m3/d的区域面积为26.51km2，主要用途为人畜生活用水，农田灌溉用水。省庄镇、邱家店镇和北集坡镇单井涌水量大于1000m3/d的区域面积87.14km2，泰安城区水源地、旧县水源地、埠阳庄水源地即位于该区内，主要用途为人畜生活用水，农田灌溉用水等。以上水源地地下水污染危害性（U）较大，分布面积约为846.67km2。其他地区地下水主要用于农业灌溉，地下水污染危害性（U）中等（图5）。

3.3.4污染风险（R）

基于上述研究区地下水脆弱性（V）、污染源荷载风险（P）、污染危害性（U）3个指标分区结果，结合表确定了研究区地下水污染风险（R）分区。如图6所示，研究区地下水水质安全评价结果显示，地下水污染高风险区主要分布在大王庄镇、羊里鎮和寨里镇水源地，分布面积约为83.16km2；地下水污染中等风险区主要分布在口镇、杨庄镇、范镇和邱家店镇水源地一带，分布面积约为427 83.16km2；研究区其他区域水源地均为地下水污染低风险区。

4地下水水质安全性评价

地下水水质安全性可由地下水污染预警等级表示。基于上述研究区地下水水质现状、地下水水质变化趋势和地下水污染风险评价结果，确定了研究区地下水污染预警等级（图7）。结果显示，研究区地下水污染预警等级分为巨警、重警和中警3个级别。其中，巨警区域主要分布在研究区中部羊里镇、杨庄镇和省庄镇一带，地下水水质现状为Ⅳ—Ⅴ类，水质变化趋势稳定—恶化，地下水污染风险中等—高，分布面积为511.14km2，占研究区总面积的21%，该区主要为水源地分布区、农业灌溉和工业分布区，地下水水质极不安全。因此该地区需要对地下水进行实时监测评价，加强地下水的保护与管理；严格把控工业废水处理质量，合理调整农业结构。重警区域主要分布在巨警区域外围约5km范围，包括泰安市城区及旧县水源地，地下水水质现状为Ⅳ类，水质变化趋势稳定，地下水污染风险低—中等，分布面积约为610.54km2，占研究区总面积的26%，主要为城镇居民区以及水源地，地下水水质不安全。该区需加强农业灌溉与生活用水的节水工作。研究区其他地区为中警区域，地下水水质现状为III类，水质变化趋势稳定，地下水污染风险低，分布面积为1258.50km2，占研究区总面积的53%，地下水水质临界安全。该区主要为农林业分布区，虽然地下水污染风险低，但是仍要注意地下水的合理开采。

5结论

本文系统评价了泰安莱芜断陷盆地地下水水质现状、水质变化趋势和地下水污染风险，并以此为基础开展了地下水污染预警分级。主要结论如下：

（1）研究区内地下水污染预警等级分为巨警、重警和中警3个级别。

（2）巨警区域主要分布在研究区中部羊里镇、杨庄镇和省庄镇一带，占研究区总面积的21%，该区地下水水质极不安全。重警区域主要分布在巨警区域外围约5km范围，包括泰安市城区及旧县水源地，占研究区总面积的26%，地下水水质不安全。研究区其他地区为中警区域，占研究区总面积的53%，地下水水质临界安全。

（3）研究区总体地下水质量不容乐观，应积极采取措施加强地下水的保护与管理。

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Evaluation of Groundwater Quality Safety in Tai'anLaiwu Faulted Basin in the Middle of Shandong Province Area

WEI Kai1， LU Bing2，  XU Fei1

（1. Key Laboratory of Karst Collapse Prevention and Control of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources， No.5 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources， Shandong Tai'an 271000， China; 2. Xintai Bureau of Natural Resources and Planning， Shandong Xintai 271200， China）

Abstract：Evaluation of groundwater quality safety is the key in groundwater resource protection. In order to clarify the safety of groundwater quality in Tai'an-Laiwu faulted basin  in Luxi area， present condition of groundwater quality， the trend of groundwater quality change， and the risk of groundwater pollution in the study area have been evaluated comprehensively. Groundwater pollution warning grading has been carried out， and the safety of groundwater quality has been revealled. It is showed that the groundwater pollution warning level in the study area can be divided into three levels， they are huge alarm， heavy alarm  and medium alarm. The huge alarm area accounts for 21% of the study area. It is indicated that the groundwater quality of this area is extremely unsafe. Heavy alarm area accounts for 26% of the study area， and mainly distributed in the outer area of about 5km of the huge alarm area with unsafe groundwater quality. The other areas are the medium alarm area， accounting for 53% of the study area， and the groundwater quality is critical safety. This study can provide strong support for the protection and rational exploitation of groundwater resources in Tai'an - Laiwu faulted basin in Luxi area.

Key words：Water quality safety; pollution risk; underground water; pollution warning; water source regions; Tai'an-Laiwu faulted basin; Luxi area