魯中地區(qū)泰安萊蕪斷陷盆地地下水水質(zhì)安全性評價

摘要：地下水水質(zhì)安全性評價是地下水資源保護的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了闡明魯中泰安萊蕪斷陷盆地地下水水質(zhì)安全性，本次研究系統(tǒng)評價研究區(qū)地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、水質(zhì)變化趨勢和地下水污染風險，并以此為基礎開展地下水污染預警分級，揭示地下水水質(zhì)安全性。評價結(jié)果顯示，研究區(qū)內(nèi)地下水污染預警等級分為巨警、重警和中警3個級別。其中，巨警區(qū)占研究區(qū)總面積的21%，表明該區(qū)地下水水質(zhì)極不安全；重警區(qū)占研究區(qū)總面積的26%，主要分布在巨警區(qū)外圍約5km范圍，地下水水質(zhì)不安全；其他地區(qū)為中警區(qū)，占研究區(qū)總面積的53%，地下水水質(zhì)臨界安全。該研究可為魯中地區(qū)泰安萊蕪斷陷盆地地下水資源保護及合理開發(fā)利用提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：水質(zhì)安全性；污染風險；地下水；污染預警；水源地；泰安萊蕪斷陷盆地；魯中地區(qū)

中圖分類號：P641；X143文獻標識碼：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.05.007

引文格式：魏凱，路兵，徐飛.魯中地區(qū)泰安萊蕪斷陷盆地地下水水質(zhì)安全性評價［J］.山東國土資源，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

地下水資源是淡水資源的主要來源之一［13］。我國地下水供水量約占總供水量的17%［45］。作為重要的供水水源，地下水在保障工農(nóng)業(yè)用水和居民生活用水、支撐經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境平衡等方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用［67］。然而隨著社會經(jīng)濟發(fā)展與人口增長，地下水污染問題日益嚴重［811］。

地下水的污染類型中，農(nóng)業(yè)污染已成為地下水污染的主要類型之一［12］。山東省屬于農(nóng)業(yè)大省。其中，截至2020年，泰安市農(nóng)業(yè)耕種面積為37.2萬hm2，農(nóng)業(yè)在該市的經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)主導地位［13］。然而，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥、農(nóng)藥的大量投入會導致氮、磷等元素會通過灌溉水或降雨作用滲入地下水，對地下水水質(zhì)造成嚴重污染［14］。因此在該地區(qū)水源地開展地下水水質(zhì)安全性評價，可為地下水資源保護及合理開發(fā)利用提供技術(shù)支撐。

目前，地下水水質(zhì)安全性評價是區(qū)域地下水資源保護的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［15］，其多采用地下水污染預警模型實現(xiàn)［1617］，即通過綜合分析地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、地下水水質(zhì)變化趨勢和地下水污染風險3個指標［1819］，對地下水污染情況進行綜合預警，以確定水質(zhì)安全性等級。基于該方法，本研究對泰安萊蕪斷陷盆地地下水水質(zhì)安全性進行了評價。首先，通過對研究區(qū)水質(zhì)資料的系統(tǒng)分析，明確了研究區(qū)地下水水質(zhì)現(xiàn)狀及水質(zhì)變化趨勢；然后對研究區(qū)地下水脆弱性、污染源負荷風險和污染危害進行了評價，揭示了研究區(qū)地下水的污染風險；最后，綜合地下水水質(zhì)狀況、水質(zhì)變化趨勢和污染風險3個指標，確定研究區(qū)地下水污染預警等級和水質(zhì)安全等級。

1研究區(qū)概況

泰安萊蕪斷陷盆地，位于山東省泰安市至濟南市萊蕪區(qū)西北一帶（圖1），面積約為2446.64km2。該區(qū)屬暖溫帶季風大陸性氣候，四季分明，季節(jié)性干旱嚴重［20］。根據(jù)1950—2018年統(tǒng)計資料，研究區(qū)多年平均氣溫為12℃，大風季節(jié)一般在3—5月，多為東北風；多年平均降水量為766mm，年最大降水量為1572mm，年最小降水量為263mm，日最大降雨量為223mm，年總蒸發(fā)量約為1800mm。

研究區(qū)地下水類型主要為孔隙水和巖溶水，主要用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活供水，是農(nóng)業(yè)灌溉的主要區(qū)域。此外，研究區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展較好，其中，泰安城區(qū)占地面積約為60km2，居住人口約60萬人，工、農(nóng)業(yè)產(chǎn)品十分豐富，旅游、商貿(mào)和餐飲等社會服務設施比較完善。

2材料與方法

2.1樣品采集與處理

研究樣品為泰安萊蕪斷陷盆地采集的47件地下水樣，其中孔隙水樣品17件，巖溶水樣品30件。水樣多采自農(nóng)業(yè)灌溉機井和居民飲用水井。采樣時取樣瓶用新鮮水沖洗至少3次，取樣點均為經(jīng)常提水的開采井或壓水井，取水前抽水10min以上，確保取得的水樣能夠反映采樣點地下水的真實狀況。

水樣測試指標中，水溫、pH在現(xiàn)場采用便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀（HQ40D）測定。其他指標送至山東省地礦工程勘察院檢測。其中，K+、Na+、Ca2+、Mg2+等常規(guī)陽離子采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（TSQ9000，最低檢出限0.001mg/L）測定，Cl、SO24、NO3等常規(guī)陰離子采用離子色譜儀（Agilent7800，最低檢出限0.01mg/L）測定，HCO3濃度、總硬度（TH）采用酸堿滴定法測定；總?cè)芙夤腆w（TDS）通過離子平衡方程計算得出。

2.2評價方法

地下水水質(zhì)安全性由地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、水質(zhì)變化趨勢和地下水污染風險3個指標確定的地下水污染預警級別表示［15］。其中，地下水污染風險評價又包括地下水脆弱性評價、地下水污染源荷載風險評價和地下水污染危害性評價。

2.2.1水質(zhì)現(xiàn)狀評價

地下水水質(zhì)現(xiàn)狀評價以我國現(xiàn)行的《地下水質(zhì)量標準（GB/T14848—2017）［21］》為依據(jù)，包括單項評價和綜合評價法。按《地下水水質(zhì)標準》所列分類指標，通過綜合評價將地下水水質(zhì)劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ五類，分別對應水質(zhì)現(xiàn)狀（L）評分分值為1、2、3、4和5分（表1）。

2.2.2水質(zhì)變化趨勢評價

本研究采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法對水質(zhì)變化趨勢進行評價，計算公式如下：r=1-6∑（Xi-Yi）2n3-n（1）式中：r為秩相關(guān)系數(shù)；Xi為周期i到n按濃度從小到大排列的序號；Yi為按時間排列的序號；n為時間周期。然后，將r與spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計表［22］中臨界值w比較，如果|r|≥w，且r為負值，表明水質(zhì)呈變好趨勢；如果|r|≥w，且r為正值，表明水質(zhì)呈變差趨勢；如果|r|＜w，表明水質(zhì)呈穩(wěn)定趨勢。水質(zhì)變好、穩(wěn)定和變差趨勢對應的水質(zhì)變化趨勢分值分別為1、2、3分。

2.2.3污染風險評價方法

地下水污染風險（R）評價基于地下水脆弱性（V）、污染源荷載風險（P）、污染危害性（U）3個指標。根據(jù)3個指標的評價分值再由表2得到地下水污染風險評價結(jié)果R，其中R為“0”表示低風險，R為“1”表示中風險，R為“2”表示高風險。

（1）地下水脆弱性（V）評價。地下水脆弱性評價由地下水易污性指標（DRASTIC）確定［2324］，主要包括水位埋深（D）、凈補給量（R）、含水層巖性（A）、土壤類別（S）、地形坡度（T）、滲流區(qū)巖性（I）和水力傳導系數(shù)（C）。地下水易污性綜合指數(shù)（GVI）計算公式（2）：

GVI=DwDs+RwRs+AwAs+SwSs+TwTs+IwIs+CwCs（2）式中：w為指標權(quán)重；s為指標評分。

根據(jù)以往研究經(jīng)驗及相同地區(qū)研究成果［2526］，本次研究將各個指標的權(quán)重值依次賦為5、4、3、2、1、5、3。易污性評價指標評分體系按表2確定。

通常地下水脆弱性指數(shù)為23～226，易污性評價指標指數(shù)越大，則該區(qū)域的地下水就易于被污染。為了計算方便，將地下水脆弱性指數(shù)折算為1～10。地下水系統(tǒng)綜合指數(shù)劃分成5個級別，并設置評分分值，如表3所示。

（2）污染源荷載風險（P）評價。污染源荷載風險評價包括污染源類型、污染物產(chǎn)生量、污染物釋放可能性及污染影響范圍的識別。其中，污染源的類型K（包括毒性、污染物衰減能力、溶解性能等）、生成量Q（主要考慮降水量、污染源大小等）、污染物釋放的可能性L（有或沒有防護措施）和距離D。其中，污染源類型K的取值1～9（表4）；污染物生成量Q按小、中、大分別取值1、2、3；污染物釋放可能性L分為0、0.5、1；距離D，按照距離污染源方圓500m、500～1000m、1000m外分別取值2、1、0。

基于上述指標確定污染源荷載指數(shù)（P），如公式（3）所示：P=K×Ｑ×Ｌ×Ｄ（3）式中：P為單個潛在污染源污染荷載指數(shù)；K為污染源類型的等級；Q為污染物產(chǎn)生量的等級；L為污染物釋放可能性的等級；D為污染影響半徑。依據(jù)污染源荷載指數(shù)獲取污染源荷載風險分值（表5）。

（3）污染危害性（U）評價。無人區(qū)或人煙稀少的地區(qū)的地下水污染帶來的危害性相對較低，地下水不作為飲用水時，地下水污染帶來的危害性相對較低。因此，本研究基于地下水的使用目的確定地下水污染后導致的危害程度。污染危害性評價以地下水使用目的為分級指標，如表6所示。

2.2.4水質(zhì)安全性評價

基于地下水水質(zhì)現(xiàn)狀（L）、水質(zhì)變化趨勢（S）和地下水污染風險（R）3個指標，確定地下水污染預警等級（W）。其中，地下水水質(zhì)現(xiàn)狀分5級；地下水水質(zhì)變化趨勢分為變好、穩(wěn)定、惡化3級；地下水污染風險分低、中、高3級。3個變量排列組合共計有45種狀態(tài)。其中，L1表示L=1，其他依次類推。依據(jù)環(huán)保部《國家突發(fā)環(huán)境事件應急預案（2014）》對可以預警的突發(fā)環(huán)境事件的預警分級，預警等級分為五類，由低到高依次用綠色預警、藍色預警、黃色預警、橙色預警和紅色預警表示［15］（表7），分別表示水質(zhì)安全、水質(zhì)較安全、水質(zhì)臨界安全、水質(zhì)不安全和水質(zhì)極不安全。

3結(jié)果與討論

3.1水質(zhì)現(xiàn)狀（L）評價結(jié)果

基于測試結(jié)果分析，研究區(qū)地下水類型以孔隙水和巖溶水為主，總體上巖溶水水質(zhì)優(yōu)于孔隙水。在富水區(qū)中，羊里水源地為匯河沖積孔隙潛水，水化學類型主要為HCO3·SO4Ca型水（圖2），該區(qū)地下水水質(zhì)均以Ⅴ類水為主，水質(zhì)現(xiàn)狀（L）取值為5。寨里水源地為巖溶水，水化學類型主要為HCO3Ca型，該區(qū)地下水水質(zhì)均以Ⅳ類水為主，水質(zhì)現(xiàn)狀（L）取值為4。省莊鎮(zhèn)、邱家店鎮(zhèn)和北集坡鎮(zhèn)水源地為巖溶水，水化學類型為HCO3Ca型、HCO3·SO4Ca型，該區(qū)地下水水質(zhì)均以Ⅳ類水為主，水質(zhì)現(xiàn)狀（L）取值為4。其他區(qū)域地下水水質(zhì)均以III類水為主，水質(zhì)現(xiàn)狀（L）取值為3。

3.2水質(zhì)變化趨勢（S）評價結(jié)果

結(jié)合2013—2018年的地下水水質(zhì)數(shù)據(jù)，以1年為評價周期，利用公式（1）對研究區(qū)地下水水質(zhì)的變化趨勢進行評價。評價結(jié)果表明，羊里鎮(zhèn)和寨里鎮(zhèn)水源地地下水水質(zhì)變化穩(wěn)定，水質(zhì)變化趨勢評分為2。省莊鎮(zhèn)、邱家店鎮(zhèn)和北集坡鎮(zhèn)水源地地下水水質(zhì)變化均趨于惡化，水質(zhì)變化趨勢評分為3。地下水水質(zhì)惡化主要原因可能為省莊鎮(zhèn)、邱家店鎮(zhèn)和北集坡鎮(zhèn)水源地城市化發(fā)展導致生活污水排放量增加，以及巖溶水開采引發(fā)的巖溶塌陷導致上層孔隙水或地表水污染源下滲。研究區(qū)其他地區(qū)地下水水質(zhì)變化穩(wěn)定，水質(zhì)變化趨勢評分（S）為2。

3.3污染風險（R）評價結(jié)果

3.3.1地下水脆弱性（V）

根據(jù)易污性評價指標體系評分標準對地下水脆弱性評價的各個指標賦分。并進行評價，研究區(qū)地下水脆弱性主要為4種類型（圖3）。地下水脆弱性等級為Ⅴ的區(qū)域在羊里鎮(zhèn)至范鎮(zhèn)呈條帶狀分布，面積約為186.73km2，該區(qū)地下水最易受到污染；研究區(qū)的東部和南部，由萊蕪的張家洼街道、口鎮(zhèn)到泰安的徐家樓街道、邱家店鎮(zhèn)，地下水脆弱性等級為Ⅳ，分布面積約為360.61km2，表明該區(qū)地下水極易受到污染；以上區(qū)域向南北兩側(cè)延申的區(qū)域為地下水脆弱性等級為Ⅲ，分布面積約為526.63km2，該區(qū)地下水容易受到污染；其他區(qū)域均為地下水脆弱性等級為Ⅱ的區(qū)域，該區(qū)地下水可能會受到污染。

3.3.2污染源荷載風險（P）

研究區(qū)的污染源主要是農(nóng)業(yè)污染源和工業(yè)污染源。其中，農(nóng)業(yè)污染在研究區(qū)農(nóng)田普遍分布，農(nóng)田類型主要為旱田。根據(jù)種植農(nóng)作物類型所需肥料及農(nóng)藥差異，Q值取值不同。工業(yè)污染主要分布在萊城區(qū)山前平原的羊里鎮(zhèn)和寨里鎮(zhèn)，主要包括魯中冶金礦山公司和溫石埠鐵礦開采，對其分別取值結(jié)合表4的評分標準，污染源荷載風險評價結(jié)果如圖4所示，評分為1的區(qū)域主要分布在羊里鎮(zhèn)和寨里鎮(zhèn)，面積約為82.98km2；其他地區(qū)評分均為0。

3.3.3污染危害性（U）

根據(jù)泰安萊蕪斷陷盆地地下水富水性及其用途對地下水污染危害性進行評價。其中，羊里鎮(zhèn)水源地單井涌水量大于1000m3/d的分布面積為37.85km2，該區(qū)內(nèi)的羊里水源地開采量為5.0萬～5.5萬m3/d，主要用途為魯中冶金礦山公司供水、人畜生活用水開采，農(nóng)田灌溉用水開采等。寨里鎮(zhèn)水源地單井涌水量大于1000m3/d的區(qū)域面積為26.51km2，主要用途為人畜生活用水，農(nóng)田灌溉用水。省莊鎮(zhèn)、邱家店鎮(zhèn)和北集坡鎮(zhèn)單井涌水量大于1000m3/d的區(qū)域面積87.14km2，泰安城區(qū)水源地、舊縣水源地、埠陽莊水源地即位于該區(qū)內(nèi)，主要用途為人畜生活用水，農(nóng)田灌溉用水等。以上水源地地下水污染危害性（U）較大，分布面積約為846.67km2。其他地區(qū)地下水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，地下水污染危害性（U）中等（圖5）。

3.3.4污染風險（R）

基于上述研究區(qū)地下水脆弱性（V）、污染源荷載風險（P）、污染危害性（U）3個指標分區(qū)結(jié)果，結(jié)合表確定了研究區(qū)地下水污染風險（R）分區(qū)。如圖6所示，研究區(qū)地下水水質(zhì)安全評價結(jié)果顯示，地下水污染高風險區(qū)主要分布在大王莊鎮(zhèn)、羊里鎮(zhèn)和寨里鎮(zhèn)水源地，分布面積約為83.16km2；地下水污染中等風險區(qū)主要分布在口鎮(zhèn)、楊莊鎮(zhèn)、范鎮(zhèn)和邱家店鎮(zhèn)水源地一帶，分布面積約為427 83.16km2；研究區(qū)其他區(qū)域水源地均為地下水污染低風險區(qū)。

4地下水水質(zhì)安全性評價

地下水水質(zhì)安全性可由地下水污染預警等級表示?；谏鲜鲅芯繀^(qū)地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、地下水水質(zhì)變化趨勢和地下水污染風險評價結(jié)果，確定了研究區(qū)地下水污染預警等級（圖7）。結(jié)果顯示，研究區(qū)地下水污染預警等級分為巨警、重警和中警3個級別。其中，巨警區(qū)域主要分布在研究區(qū)中部羊里鎮(zhèn)、楊莊鎮(zhèn)和省莊鎮(zhèn)一帶，地下水水質(zhì)現(xiàn)狀為Ⅳ—Ⅴ類，水質(zhì)變化趨勢穩(wěn)定—惡化，地下水污染風險中等—高，分布面積為511.14km2，占研究區(qū)總面積的21%，該區(qū)主要為水源地分布區(qū)、農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)分布區(qū)，地下水水質(zhì)極不安全。因此該地區(qū)需要對地下水進行實時監(jiān)測評價，加強地下水的保護與管理；嚴格把控工業(yè)廢水處理質(zhì)量，合理調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)。重警區(qū)域主要分布在巨警區(qū)域外圍約5km范圍，包括泰安市城區(qū)及舊縣水源地，地下水水質(zhì)現(xiàn)狀為Ⅳ類，水質(zhì)變化趨勢穩(wěn)定，地下水污染風險低—中等，分布面積約為610.54km2，占研究區(qū)總面積的26%，主要為城鎮(zhèn)居民區(qū)以及水源地，地下水水質(zhì)不安全。該區(qū)需加強農(nóng)業(yè)灌溉與生活用水的節(jié)水工作。研究區(qū)其他地區(qū)為中警區(qū)域，地下水水質(zhì)現(xiàn)狀為III類，水質(zhì)變化趨勢穩(wěn)定，地下水污染風險低，分布面積為1258.50km2，占研究區(qū)總面積的53%，地下水水質(zhì)臨界安全。該區(qū)主要為農(nóng)林業(yè)分布區(qū)，雖然地下水污染風險低，但是仍要注意地下水的合理開采。

5結(jié)論

本文系統(tǒng)評價了泰安萊蕪斷陷盆地地下水水質(zhì)現(xiàn)狀、水質(zhì)變化趨勢和地下水污染風險，并以此為基礎開展了地下水污染預警分級。主要結(jié)論如下：

（1）研究區(qū)內(nèi)地下水污染預警等級分為巨警、重警和中警3個級別。

（2）巨警區(qū)域主要分布在研究區(qū)中部羊里鎮(zhèn)、楊莊鎮(zhèn)和省莊鎮(zhèn)一帶，占研究區(qū)總面積的21%，該區(qū)地下水水質(zhì)極不安全。重警區(qū)域主要分布在巨警區(qū)域外圍約5km范圍，包括泰安市城區(qū)及舊縣水源地，占研究區(qū)總面積的26%，地下水水質(zhì)不安全。研究區(qū)其他地區(qū)為中警區(qū)域，占研究區(qū)總面積的53%，地下水水質(zhì)臨界安全。

（3）研究區(qū)總體地下水質(zhì)量不容樂觀，應積極采取措施加強地下水的保護與管理。

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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