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1、泰安市岩溶水环境系统模拟分析刘立才1, 陈鸿汉1, 马振民2, 高宗军3 (1.中国地质大学水资源与环境工程系，北京 100083； 2.济南大学，山东 济南 250022；3.山东科技大学，山东 泰安 271019) 摘要:作者运用有限单元法，根据变化的历史开采布局和污染演化趋势，建立了水量水质耦合模型，对岩溶水资源进行了数值模拟评价。在此基础上，以现状开采量和历史水质污染的演化趋势为基准，对未来10年的岩溶水水位水质进行了预测，预测结果表明：在2010年，部分地区的氯离子浓度超出了饮用水标准，大部分地区的总硬度严重超标。 关键词:岩溶水; 污染； 耦合模型； 有限单元法中图分类号:X52
2、文献标识码:A 1 研究区地下水环境基本情况 中国北方岩溶区多属于干旱、半干旱季风气候区，年降雨分布极不均匀。地表河流多属于源短流急的季节性河流，地下岩溶水与地表水、大气降水联系转换密切。地下水是北方岩溶地区的主要水源。近年来，由于工业、农业、生活用水量的急剧增加，北方岩溶区地下水资源日益紧缺，呈现出水位下降的趋势。然而，北方岩溶水所面临的问题不仅仅是水量的衰竭，在第四系覆盖较浅的岩溶地区，由于超量开采岩溶水造成了地下水循环的改变，常常导致岩溶塌陷的发生。同时，由此而带来的水质污染已成为岩溶水中另一环境地质问题，其发展趋势令人担忧。本文以泰安市岩溶区为例，来探讨由于过量开采岩溶地下水所造成的地
3、下水环境地质问题。 泰安市位于泰山南麓，区内地层有太古界前震旦系，下古生界寒武系，奥陶系及新生界第三系、第四系。区内第四系分布厚度不一，一般为520m左右，寒武、奥陶灰岩大都隐伏于第四系之下，属于第四系浅埋覆盖型。区内的断裂发育，主要有北西北北西、北东北东东两组（图1）。 区内主要含水层为第四系含水层及奥陶、寒武灰岩含水层。第四系含水层由于富水性差且遭受严重污染，第四系孔隙水已没有供水意义。岩溶水作为泰安市主要的供水水源，其含水层主要由奥陶系中下统及寒武系上统的灰岩、白云岩等碳酸岩盐类地层组成。本区岩溶发育规律具有明显的不均一性，平面上，在靠近断裂构造部位较为发育，垂向上在碳酸盐岩地层上部裂隙
4、岩溶最为发育，随深度的增加，发育程度逐渐减弱。因此，含水层大都位于碳酸岩盐类地层的上部，一般厚度为7090m。在开采状态下，岩溶水系统的补、迳、排条件发生了根本性的改变，岩溶水的运动规律受开采强度及影响范围的支配，流场形态变化更为明显。岩溶水的主要补给来源有：变质岩裂隙水的侧向补给、邱家店水源地岩溶水的侧向补给以及第四系孔隙水的越流补给。由于岩溶水超量开采，激发了第四系孔隙水的垂向越流补给，使其成为岩溶水的主要补给来源之一，这使得岩溶水的水位变化与大气降水的关系更为密切。岩溶水的排泄方式以人工开采为主。由于岩溶水的过量开采，目前，已在城区水源地及旧县水源地形成了两大岩溶水降落漏斗。由于泰安地区
5、岩溶水的超量开采，该区已发生了一系列的环境地质问题，如岩溶塌陷，地裂缝，居民房屋开裂，地表水通过第四系入渗补给岩溶水引起地下水污染等1。所以，正确地评价地下水的开采量，有效地控制岩溶地下水水质污染程度已迫在眉睫，不容忽视。2 水量水质耦合模型的建立及模拟 在现状开采条件下对研究区岩溶地下水进行了均衡计算，结果见表1。计算结果表明：在2000年，城区水源地及旧县水源地的岩溶水开采量大于其补给量，地下水水位呈现出下降趋势，大量消耗岩溶水的存储量，表现为负均衡；而在邱家店水源地，岩溶水的补给量和排泄量基本处于均衡状态。 泰安地区的岩溶地下水的研究区的含水介质为碳酸盐岩，由于构造运动在本区活动强烈，碳
6、 酸盐岩较为破碎2。模型的边界条件确定为：北部以泰山断裂为界，东北部以岱 道庵断裂及奥陶系灰岩与第三系的不整合线为界，东南部以大汶河为界，西部以寒武系灰岩 与花岗片麻岩的接触线及滂河断裂为界（见图1）。表1 开采状态下（2000年）水量均衡计算汇总水源地城区(m3/d)旧县(m3/d)邱家店(m3/d)补给量越流侧向补给合计3044825283557311670444282113212057534217399排泄量侧向排泄人工开采合计571125711253219532198581498615844将边界上的长观孔作为变水头边界（图2），研究区的其余边界处理为二类流量边界。岩溶含水层的渗流方程
7、为： 图2 参数分区式中：T为岩溶含水层导水系数；S为承压时含水层弹性释水系数，无压时S为给水度；W2为岩溶含水层源汇项；H0初始水位(m)；Hb为一类边界水位(m) 对于岩溶水水量模型采用有限单元法进行二维数值模拟。根据漏斗区网格剖分致密、外围区稀疏的原则，对研究区进行三角网格剖分，共分成541个单元，309个节点。水文地质参数分区首先根据含水层位的岩性和初始流场特征确定，然后在参数识别的过程中进行调整，结果共计22个分区(图2)。参数识别是一个反演过程，即通过调整各参数分区的水文地质参数(导水系数和储水系数)，进行观测孔实测水位值和计算水位值的拟合3。当实测水位值和计算水位值的差小于给定的
8、误差值时，可认为各参数分区调整后的参数为各区水文地质参数的近似值。各分区的初始参数值依据研究区域的抽水试验而定。参数识别从1985年6月旱季开始至1986年10雨季结束，共3个时段，16个步长；时段确定原则是每年的旱雨季交替，每步长为一个月。以2000年旱季的水位数据进行验证。参数即导水系数和储水系数的识别结果见表2。城区水源地212号、邱家店水源地230号及旧县水源地225号长观孔的水位拟合曲线见图3、图4及图5，水位等值线拟合验证结果见图6。 图3 212号长观孔拟合曲线图4 230号长观孔拟合曲线 水质模型建立在水量模型的基础上。在水质模型中，将边界上的长观孔定为变浓度边界(图2)，其余
9、边界定为溶质通量边界。溶质运移的偏微分方程为： 图5 225号长观孔拟合曲线式中：I为源汇项；C0为初始浓度；Cb为给定浓度边界；D为弥散系数；u为孔隙平均流速；n为边界上某点(x,y)处的外法线方向上单位向量；f(x,y,t)为已知溶质通量函数。 用数值法求解水质模型时，采用多单元均衡法对岩溶水的氯离子及总硬度进行模拟预测。多单元均衡法能较好地保持局部和整体的质量平衡4。水质模型中的源汇项与水量模型中的补给和排泄一致，其源汇项包括：第四系孔隙水向岩溶水越流的垂向溶质通量；流量边界上的侧向溶质通量以及岩溶水开采时的溶质通量。其中越流的垂向溶质通量是岩溶水遭受污染的主要因素。由于济南和泰安的岩溶
10、发育条件很相似。在参数识别时，初始弥散系数和孔隙度根据在济南所做的示踪试验和各种岩溶岩样的孔隙度测定试验而定。参数识别在时间上与水量模型同步，识别结果见表2。在总硬度的调试过程中，考虑碳酸岩盐的溶解沉淀。通过不断的参数识别调试，可以得到较好的拟合验证结果。氯离子及总硬度浓度等值线拟合验证结果分别见图7、图8。 表2 参数分区参数分区导水系数T/(m2/d)给水度孔隙度n纵向弥散度L/m横向弥散度L/m总硬度溶解动力学常数KC(H0/1cm2h)1234567891011121314151617181920212211072020003602002000500035002003500200110
11、1101006050001000800400200060040000.0550.0070.00440.000250.00010.00010.00870.000060.000050.000030.000030.0120.0120.0020.00160.000080.00720.00050.060.00180.0080.00020.130.160.190.160.140.160.190.140.110.150.120.120.150.1330.130.150.160.170.160.150.160.151.452.408.602.851.165.689.602.802.402.501.501.32
12、1.322.004.02.002.503.002.504.103.602.800.450.490.900.680.410.800.970.560.530.510.420.400.400.500.800.500.520.630.520.660.630.541.20E-095.90E-072.40E-071.20E-064.00E-095.40E-095.40E-082.00E-094.00E-093.94E-095.10E-081.10E-071.10E-077.94E-073.94E-095.40E-091.40E-071.70E-063.94E-095.40E-095.40E-095.40E
13、-09图7 2000年6月氯离子浓度验证等值线图8 2000年6月总硬度验证等值线3 岩溶水环境预报及其分析 岩溶水环境的预报是一个正演过程，即在识别后的参数不变的情况下，在现有的开采布局和历史水质资料及其演化的基础上对未来的水位水质进行宏观上的预测。自80年代至2000年，城区在总体上削减开采量的同时，开采布局也有所调整，岩溶水漏斗中心的自来水井逐渐被关闭，但自备井依然处于开采状态，訾灌庄地区和旧镇南部的开采量有所增加。运用所建立的岩溶水水量水质耦合模型，以2000年6月为基准，在现状开采量的基础上，对2010年的水位、氯离子及总硬度进行预报，预报结果见图9、图10及图11。 从2010年的
14、水位水质预报结果可以看出，较之于2000年，由于开采布局的调整，在城区岩溶水漏斗中心的水位逐渐回升的同时，城区外围的水位呈现出降低的趋势。城区岩溶水的水质污染情况和水位的变化关系密切，例如随着城区漏斗中心的水位回升，旧镇铁路三角区的污染得以缓解，但随着城区外围水位下降，外围的水质污染有所加重。这充分表明了岩溶水的流场特征直接影响第四系孔隙水和地表水向岩溶水的越流量，而越流量的大小和地表污染程度对岩溶水的环境质量起着控制作用。图9 现状开采下2010年6月水位预测等值线图10 现状开采下2010年6月氯离子浓度预测等值线 旧县水源地作为主要的供水源地，由于岩溶水资源过量开采，该区岩溶地下水水位呈
15、现下降趋势，预测到2010年时，旧县水源地的漏斗中心水位将下降到85m左右。而且岩溶水的污染有继续恶化的趋势，其原因在于：滂河作为地表的主要纳污渠道，由于河道的第四系厚度较薄，局部地段与岩溶直接接触，形成“天窗”补给，已对岩溶地下水的水质直接构成威胁。 在邱家店水源地，由于农业活动加剧以及污染的汶河第四系孔隙水的侧向补给，遭受污染的第四系孔隙水越流补给岩溶水，造成岩溶水的污染程度不断加重。从2010年预测的氯离子及总硬度浓度等值线可以看出：氯离子在部分地区超出了饮用水标准；总硬度在大部分地区超标。预测结果说明：不合理的农业施肥，工业污水的随意排放，严重污染的河道对第四系孔隙水的补给，第四系孔隙
16、水对岩溶水激发越流的补给，使得岩溶水资源环境向恶化的方向发展。所以，如果不削减岩溶水的开采量，调整开采布局，对地表污染源进行有效控制，可以预见，在未来十年内旧县的岩溶塌陷还将继续发展，水质将持续恶化。4 结 论 （1）岩溶水作为泰安市的主要供水水源，已处于过量开采状态。应削减岩溶水的开采量，调整开采布局。（2）工业生活废水的随意排放及过量的农业活动使得岩溶水的污染有进一步恶化的趋势，直接影响该区岩溶水的可持续利用。（3）要对地表的农业面状污染源和河道线状污染源进行控制与治理，对工业污水进行处理，以减轻岩溶水的污染程度。 参 考 文 献： 1马振民，陈鸿汉，刘立才.泰安市第四系水文地质结构对浅层地下水污染敏感性控制作用研究J.地球科学，2000，25(5).2中国北方岩溶含水介质研究J中国岩溶，1990，9(4).3Javandel，等.林学钰，李生彩，赵勇胜，侯印伟译，地下水运移数学模型手册M.长春：吉林科学技术出版社，1985.4孙讷正.地下水污染数学模型和数值方法M.北京：地质出版社，1989收稿日期：2001-12+04基金项目：国家自然科学基金重点项目(49832005)。作者简介：刘立才(1973-)，男，江苏赣榆人，博士研究生，从事地下水污染与控制研究工作。