魯中地區泰安萊蕪斷陷盆地地下水水質安全性評價

摘要：地下水水質安全性評價是地下水資源保護的關鍵環節。為了闡明魯中泰安萊蕪斷陷盆地地下水水質安全性，本次研究系統評價研究區地下水水質現狀、水質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，揭示地下水水質安全性。評價結果顯示，研究區內地下水污染預警等級分為巨警、重警和中警3個級別。其中，巨警區占研究區總面積的21%，表明該區地下水水質極不安全；重警區占研究區總面積的26%，主要分布在巨警區外圍約5km范圍，地下水水質不安全；其他地區為中警區，占研究區總面積的53%，地下水水質臨界安全。該研究可為魯中地區泰安萊蕪斷陷盆地地下水資源保護及合理開發利用提供有力支撐。

關鍵詞：水質安全性；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

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.魯中地區泰安萊蕪斷陷盆地地下水水質安全性評價［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，地下水在保障工農業用水和居民生活用水、支撐經濟社會發展和生態環境平衡等方面發揮了至關重要的作用［67］。然而隨著社會經濟發展與人口增長，地下水污染問題日益嚴重［811］。

地下水的污染類型中，農業污染已成為地下水污染的主要類型之一［12］。山東省屬于農業大省。其中，截至2020年，泰安市農業耕種面積為37.2萬hm2，農業在該市的經濟發展中占據主導地位［13］。然而，農業生產中化肥、農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，對地下水水質造成嚴重污染［14］。因此在該地區水源地開展地下水水質安全性評價，可為地下水資源保護及合理開發利用提供技術支撐。

目前，地下水水質安全性評價是區域地下水資源保護的關鍵環節［15］，其多采用地下水污染預警模型實現［1617］，即通過綜合分析地下水水質現狀、地下水水質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安全性進行了評價。首先，通過對研究區水質資料的系統分析，明確了研究區地下水水質現狀及水質變化趨勢；然后對研究區地下水脆弱性、污染源負荷風險和污染危害進行了評價，揭示了研究區地下水的污染風險；最后，綜合地下水水質狀況、水質變化趨勢和污染風險3個指標，確定研究區地下水污染預警等級和水質安全等級。

1研究區概況

泰安萊蕪斷陷盆地，位于山東省泰安市至濟南市萊蕪區西北一帶（圖1），面積約為2446.64km2。該區屬暖溫帶季風大陸性氣候，四季分明，季節性干旱嚴重［20］。根據1950—2018年統計資料，研究區多年平均氣溫為12℃，大風季節一般在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，年總蒸發量約為1800mm。

研究區地下水類型主要為孔隙水和巖溶水，主要用于工業、農業和生活供水，是農業灌溉的主要區域。此外，研究區社會經濟發展較好，其中，泰安城區占地面積約為60km2，居住人口約60萬人，工、農業產品十分豐富，旅游、商貿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。水樣多采自農業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在現場采用便攜式多參數水質分析儀（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+等常規陽離子采用電感耦合等離子體質譜儀（TSQ9000，最低檢出限0.001mg/L）測定，Cl、SO24、NO3等常規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；總溶解固體（TDS）通過離子平衡方程計算得出。

2.2評價方法

地下水水質安全性由地下水水質現狀、水質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水質現狀評價

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

2.2.2水質變化趨勢評價

本研究采用Spearman秩相關系數法對水質變化趨勢進行評價，計算公式如下：r=1-6∑（Xi-Yi）2n3-n（1）式中：r為秩相關系數；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秩相關系數統計表［22］中臨界值w比較，如果|r|≥w，且r為負值，表明水質呈變好趨勢；如果|r|≥w，且r為正值，表明水質呈變差趨勢；如果|r|＜w，表明水質呈穩定趨勢。水質變好、穩定和變差趨勢對應的水質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）、滲流區巖性（I）和水力傳導系數（C）。地下水易污性綜合指數（GVI）計算公式（2）：

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

根據以往研究經驗及相同地區研究成果［2526］，本次研究將各個指標的權重值依次賦為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為23～226，易污性評價指標指數越大，則該區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折算為1～10。地下水系統綜合指數劃分成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（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；K為污染源類型的等級；Q為污染物產生量的等級；L為污染物釋放可能性的等級；D為污染影響半徑。依據污染源荷載指數獲取污染源荷載風險分值（表5）。

（3）污染危害性（U）評價。無人區或人煙稀少的地區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水質安全性評價

基于地下水水質現狀（L）、水質變化趨勢（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，地下水水質現狀分5級；地下水水質變化趨勢分為變好、穩定、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。其中，L1表示L=1，其他依次類推。依據環保部《國家突發環境事件應急預案（2014）》對可以預警的突發環境事件的預警分級，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），分別表示水質安全、水質較安全、水質臨界安全、水質不安全和水質極不安全。

3結果與討論

3.1水質現狀（L）評價結果

基于測試結果分析，研究區地下水類型以孔隙水和巖溶水為主，總體上巖溶水水質優于孔隙水。在富水區中，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），該區地下水水質均以Ⅴ類水為主，水質現狀（L）取值為5。寨里水源地為巖溶水，水化學類型主要為HCO3Ca型，該區地下水水質均以Ⅳ類水為主，水質現狀（L）取值為4。省莊鎮、邱家店鎮和北集坡鎮水源地為巖溶水，水化學類型為HCO3Ca型、HCO3·SO4Ca型，該區地下水水質均以Ⅳ類水為主，水質現狀（L）取值為4。其他區域地下水水質均以III類水為主，水質現狀（L）取值為3。

3.2水質變化趨勢（S）評價結果

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

3.3污染風險（R）評價結果

3.3.1地下水脆弱性（V）

根據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的區域在羊里鎮至范鎮呈條帶狀分布，面積約為186.73km2，該區地下水最易受到污染；研究區的東部和南部，由萊蕪的張家洼街道、口鎮到泰安的徐家樓街道、邱家店鎮，地下水脆弱性等級為Ⅳ，分布面積約為360.61km2，表明該區地下水極易受到污染；以上區域向南北兩側延申的區域為地下水脆弱性等級為Ⅲ，分布面積約為526.63km2，該區地下水容易受到污染；其他區域均為地下水脆弱性等級為Ⅱ的區域，該區地下水可能會受到污染。

3.3.2污染源荷載風險（P）

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

3.3.3污染危害性（U）

根據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，羊里鎮水源地單井涌水量大于1000m3/d的分布面積為37.85km2，該區內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，農田灌溉用水開采等。寨里鎮水源地單井涌水量大于1000m3/d的區域面積為26.51km2，主要用途為人畜生活用水，農田灌溉用水。省莊鎮、邱家店鎮和北集坡鎮單井涌水量大于1000m3/d的區域面積87.14km2，泰安城區水源地、舊縣水源地、埠陽莊水源地即位于該區內，主要用途為人畜生活用水，農田灌溉用水等。以上水源地地下水污染危害性（U）較大，分布面積約為846.67km2。其他地區地下水主要用于農業灌溉，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個指標分區結果，結合表確定了研究區地下水污染風險（R）分區。如圖6所示，研究區地下水水質安全評價結果顯示，地下水污染高風險區主要分布在大王莊鎮、羊里鎮和寨里鎮水源地，分布面積約為83.16km2；地下水污染中等風險區主要分布在口鎮、楊莊鎮、范鎮和邱家店鎮水源地一帶，分布面積約為427 83.16km2；研究區其他區域水源地均為地下水污染低風險區。

4地下水水質安全性評價

地下水水質安全性可由地下水污染預警等級表示。基于上述研究區地下水水質現狀、地下水水質變化趨勢和地下水污染風險評價結果，確定了研究區地下水污染預警等級（圖7）。結果顯示，研究區地下水污染預警等級分為巨警、重警和中警3個級別。其中，巨警區域主要分布在研究區中部羊里鎮、楊莊鎮和省莊鎮一帶，地下水水質現狀為Ⅳ—Ⅴ類，水質變化趨勢穩定—惡化，地下水污染風險中等—高，分布面積為511.14km2，占研究區總面積的21%，該區主要為水源地分布區、農業灌溉和工業分布區，地下水水質極不安全。因此該地區需要對地下水進行實時監測評價，加強地下水的保護與管理；嚴格把控工業廢水處理質量，合理調整農業結構。重警區域主要分布在巨警區域外圍約5km范圍，包括泰安市城區及舊縣水源地，地下水水質現狀為Ⅳ類，水質變化趨勢穩定，地下水污染風險低—中等，分布面積約為610.54km2，占研究區總面積的26%，主要為城鎮居民區以及水源地，地下水水質不安全。該區需加強農業灌溉與生活用水的節水工作。研究區其他地區為中警區域，地下水水質現狀為III類，水質變化趨勢穩定，地下水污染風險低，分布面積為1258.50km2，占研究區總面積的53%，地下水水質臨界安全。該區主要為農林業分布區，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結論

本文系統評價了泰安萊蕪斷陷盆地地下水水質現狀、水質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。主要結論如下：

（1）研究區內地下水污染預警等級分為巨警、重警和中警3個級別。

（2）巨警區域主要分布在研究區中部羊里鎮、楊莊鎮和省莊鎮一帶，占研究區總面積的21%，該區地下水水質極不安全。重警區域主要分布在巨警區域外圍約5km范圍，包括泰安市城區及舊縣水源地，占研究區總面積的26%，地下水水質不安全。研究區其他地區為中警區域，占研究區總面積的53%，地下水水質臨界安全。

（3）研究區總體地下水質量不容樂觀，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