鲁中南基岩地区水文地质特征及地下水环境地质问题分析

颜翠翠，谭志容*，朱恒华，王炜龙

（1.山东省地勘局第二水文地质工程地质大队（山东省鲁北地质工程勘察院），山东德州253072；2.山东省地质调查院，山东 济南250013；3.中国地质大学（武汉）环境学院，湖北 武汉430074）

0 引言

众所周知，2011 年山东省及周边省份遭遇到60 年不遇的自然干旱天气，导致鲁南低山丘陵区地表水源干涸，农作物灌溉和人畜饮水困难，缺水状况十分严峻。为实现水文地质工作从应对式向主动式转变，迫切需要查明区内地下水资源分布状况并制定地下水可持续利用对策。自2012 年开始，山东省自然资源厅陆续启动了1∶5 万标准分幅区域水文地质调查项目，旨在提高我省水文地质研究程度，服务当地生态文明建设和经济社会发展［1-7］。基于此，本次通过实施的水文地质钻孔及机民井调查资料发现，实施的钻孔单井涌水量达到了1000～4000 m3/d，有效解决了当地用水难题，为下一步在鲁中南基岩地区寻找新的目标含水层、找水定井工作提供技术指导。取得了一系列水文地质调查评价成果。

1 研究区概况

1.1 自然地理条件

莒县基岩地区地处鲁东南低山丘陵区，位于日照市西部，处于“一带一路”重要节点和山东半岛蓝色经济区、鲁南经济带重要交汇点上。沭河自北向南纵贯全县。莒县沭河下游地区是莒县工农业聚集地，莒县“三大工业园区”和“十大企业集团”均位于区内。是国家“智慧城市”、省级海绵城市、省级地下管廊建设试点、省级绿色示范区，国家现代农业示范区［8-12］。

1.2 气象和水文

研究区属暖温带季风气候区，四季变化分明，多年（1956-2020 年）平均气温为12.1～12.5 ℃，1992-2020 年多年平均降水量800.17 mm，平均蒸发量1018.40 mm［13-16］。区内沿河流建设的大小水库众多，依托沭河和峤山水库以及上游的青峰岭、小仕阳水库，此外还建有“沭水东调”大型调水工程。它们积蓄了大量的地表水，可用于农业灌溉，对河流的汛期调节起到很大的作用，而且还是城市工业及生活用水的主要水源地。

1.3 地层岩性

研究区隶属于华北地层大区，位于鲁西地层分区和鲁东地层分区交界位置，沂沭断裂带之间。地层发育较齐全，出露地层主要有第四系，厚度778 m。西部边界区段主要出露白垩纪王氏群红土崖组，东部依次为白垩系青山群八亩地组和大盛群地层以及中生代正长斑岩、元古代辉长岩和二长花岗岩等［17-23］。

2 研究区水文地质条件

2.1 地下水类型和富水性划分

根据地下水的赋存条件，岩石的水理性质及其地下水的水力特征，将研究区地下水划分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水和基岩裂隙水［24-28］4 种类型。

（1）松散岩类孔隙水含水层：主要分布在沿河两岸及山谷地带第四系地层分布区，圈定了姚家村-魏家村-东陈家村、岔河-董家城子-王家墩头、西湖村-借庄3 处有集中供水意义的富水地段（图1）。依据区内水文地质条件，结合抽水试验取得的单井涌水量，按平均布井法计算，区内松散岩类孔隙水地下水富水地段地下水可开采资源量为2395.50 万m3/a。其中姚家村-魏家村-东陈家村富水地段可开采资源量1033.58 万m3/a，岔河-董家城子-王家墩头富水地段可开采资源量1137.94万m3/a，西湖村-借庄富水地段可开采资源量223.98 万m3/a。

（2）碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水和基岩裂隙水含水层：分布极不均匀，发育主要受地质构造控制的影响。通过总结地层阻水型蓄水构造和断层储水型构造2 种基岩蓄水构造富水模型，在勘查过程中，对照精准扶贫的要求和振兴乡村战略部署，采用“探采结合”的方式，施工具有供水意义的水文地质钻孔10 眼，单井涌水量126.24～3744.00 m3/d（表1）。解决了缺水地区生活饮水和灌溉问题，取得了良好的社会效益。改善了鲁中南低山丘陵缺水山区人民生活质量，提高水文了地质调查程度和研究水平，提升水文地质工作服务民生、服务发展、服务生态文明建设的能力。

图1 松散岩类孔隙水富水地段分布图Fig.1 Distribution map of the pore water rich zones in loose rocks

表1 水文地质钻孔基本情况Table 1 Basic information of hydrogeological boreholes

①区内大盛群田家楼组砂岩、砾岩裂隙相对发育，富水性好，单井涌水量多大于50 m3/d。在有较大集水面积内的缓平坡地，岩脉穿插、构造破碎较强烈的地带［29］，单井涌水量＞100 m3/d，最大达300多m3/d。

如闫庄镇许家庄ZK07 孔（图2），孔深109.10 m，钻遇地层以田家楼组一段紫红色粉砂岩、泥岩、灰绿色砾岩为主，风化壳厚度0.5 m，41.70～42.20 m、55.80～58.40 m 见水蚀迹象。水位埋深3.1 m，降深8.41 m 时，单井涌水量388.8 m3/d。据抽水试验结果推算，降深15 m 时，该井涌水量637.69 m3/d。可解决近8000 人的生活用水需求。

图2 许家庄ZK07 孔地质图Fig.2 Geology at ZK07 hole in Xujiazhuang

②区内碳酸盐岩裂隙岩溶水主要赋存在奥陶系马家沟群五阳山组、北庵庄组灰岩中，灰岩裂隙溶洞发育，地下水富水性强，单井涌水量＞1000 m3/d。在区内出露有任家庄泉（图3）和大薛庄泉（图4），2017 年3 月测得任家庄泉流量为211.68、169.3、49.1 m3/d，大薛庄泉流量580 m3/d。

图3 任家庄泉剖面图Fig.3 Section view of Renjia Zhuang Spring

图4 大薛庄泉剖面图Fig.4 Section view of Dasherzhuang Spring

大薛庄泉东北35 m 处的ZK01 孔（图5、图6），孔深130.0 m，0～5.7 m 为青山群八亩地组一段紫红色安山质角砾岩，风化壳厚度1 m；5.7～130.0 m 为北庵庄组浅灰色、灰白色厚层灰岩；24.0～27.0 m、59.1～61.9 m 裂隙溶孔发育、有水蚀现象，钻探过程中有漏水现象。水位埋深5.4 m，降深1.16 m 时，单井涌水量400.32 m3/d。推算降深15 m 时单井涌水量3744 m3/d。

图5 大薛庄ZK01 孔地质图Fig.5 Geology at Hole ZK01 in Daxuezhuang

③基岩裂隙水赋存在中生代、元古代侵入岩和青山群喷出岩的风化裂隙和构造裂隙中。块状岩类裂隙水由于岩石致密坚硬，抗风化剥蚀力较强，岩石完整性好，裂隙不发育，风化带发育深度较小，富水性弱，单井涌水量一般小于50 m3/d。在岩脉穿插、构造破碎带及地层岩性接触带上，部分井孔的单井涌水量可大于100 m3/d（图7）。

长岭镇葛家横沟ZK02 孔，孔深130.0 m，风化壳厚度2 m，0～25.9 m 为中生代燕山期沂南超单元九莲花山单元黄褐色正长斑岩，25.9～130.0 m 为灰绿色辉绿岩与大店超单元下官庄单元肉红色中粗粒角闪云母石英二长岩互层。 24.70～25.90、

30.60～35.90、46.60～47.10、48.60～49.10、66.10～67.30、75.40～76.80、94.50～99.40、120.00～122.50 m 处见水蚀痕迹。水位埋深4.4 m，降深4.0 m 时，单井涌水量175.44 m3/d。据抽水试验结果推算，降深15 m 时，该井涌水量561.1 m3/d。可解决7000 多人的生活用水需求。

图6 大薛庄地层阻水蓄水构造模型示意Fig.6 Schematic diagram of the stratingraphic water-retaining structure model in Daxuezhuang

图7 葛家横沟ZK02 孔地质图Fig.7 Geology at ZK02 hole in Gejia Henggou

2.2 地下水补给、径流、排泄条件

研究区内多年平均降水量呈下降趋势，1956-1990 年多年平均降水量810 mm，2006-2010 年多年平均降水量786.72 mm，2017 年年降水量656.1 mm。另外，2012 年5 月盆地内地下水位埋深多在2～5 m，到2017 年6 月区内水位埋深多在4～8 m。因此区内大气降水入渗补给与20 世纪80 年代相比略有减小。

2014 年“沭水东调”工程兴建以来，青峰岭水库、小仕阳水库、峤山水库不再向灌区放水灌溉，与以前相比区内农业灌溉量大幅减小，灌溉回渗补给量也相应减小。

2.3 地下水开采现状

区内地下水主要用于农业灌溉，开采量760.8505 万m3/a，占总开采量的63.1%。工业用水开采量373.7164 万m3/a，占总开采量的30.99%。农村生活用水开采量37.687 万m3/a，占总开采量的3.12%。城镇生活用水开采量33.592 万m3/a，占总开采量的2.79%（图8）。开采井多分布在莒县盆地和沿河谷地，井深多小于40 m，少数井深在50～130m，开采层位以松散岩类孔隙水为主。区内现已建成7 处较大的地下水水源联村集中供水工程，覆盖人口约14 万人，另有村级的小型集中供水工程多处。目前区内仍有1/3 的人口饮用水为分散式供水。

图8 区内地下水开发利用饼状图Fig.8 Pie chart of groundwater exploitation and utilization

3 地下水环境地质问题

地下水环境地质问题根据其形成原因可分为原生环境地质问题与次生环境地质问题。区内原生环境地质问题为局部地区地下水中部分离子含量超过了生活饮用水卫生标准限值，形成劣质水问题。次生环境地质问题主要为人类活动造成地下水中有毒有害物质含量的升高，产生了地下水污染问题。此外，地下水大量开采造成地下水水位的降低，导致了泉眼断流。

3.1 地下水污染

区内地下水质量以Ⅲ类、Ⅳ类和Ⅴ类为主，其中Ⅲ类水占全区面积的49.88%。超过Ⅲ类水标准的组分主要是硝酸盐、总硬度、铁，其次为氟化物等。

3.1.1 评价方法

根据《区域地下水污染调查评价规范》（DZ/T0288-2015）推荐的变化指数地下水污染评价方法，计算公式为：

式中：I——硝酸盐的变化指数；C——地下水中硝酸盐实测含量（以N 计，mg/L）；C0——区内地下水中硝酸盐的背景含量（以N 计，mg/L）。

3.1.2 硝酸盐背景含量确定

由区内各监测点多年水质检测结果可知，地下水中硝酸盐含量年际呈锯齿状突变，地下水中硝酸盐含量不稳定。在没有人类活动影响的天然条件下，地下水中的硝酸盐含量极低。根据各监测点硝酸盐含量的动态变化特征，结合饮用水中硝酸盐含量对人体健康的影响，如我国的《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）中规定硝酸盐（以N 计）限值为10 mg/L。世界现行饮用水水质标准中，WHO与欧盟为NO3-含量50 mg/L（以N 计为11.29 mg/L），美国为硝酸盐含量（以N 计为10 mg/L）。本次进行地下水中硝酸盐污染评价时，选取10 mg/L 作为背景含量。

3.1.3 评价结果及污染分级

采用式（1）计算各水样点硝酸盐的变化指数，并以硝酸盐的变化指数I＜1、1～2、2～3、＞3 将地下水硝酸盐污染划分为未污染、轻度污染、中度污染与重度污染4 级（表2、图9）。

表2 泉历史流量和现流量对照Table 2 Comparison of spring flow

3.2 泉水枯竭

区内出露的大小泉点众多，均分布在河流沟谷、水库边。莒县幅调查到泉点17 处，大店幅调查到泉点9 处。对照20 世纪80 年代完成的1∶20 万水文地质调查图中的泉点发现，由于区内多年平均降水量呈下降趋势，泉水补给量减小，再加上泉点周边机民井的建造，降低了泉点附近的地下水水位，造成区内泉水流量减小直至断流（表2、图1）。

图9 地下水硝酸盐污染程度评价图Fig.9 Evaluation map of groundwater nitrate pollution severity

3.3 水位下降

现状条件下，由于人工开采和工程活动的影响，孔隙水地下水位整体上呈下降趋势（图10），特别是在莒县县城北的董家屯、牛家村-沈家村-丰家村、七里墩子以及沭河东的董家城子、王家坪一带，水位降幅0.28～1.60 m/a，改变了地下水的局部流向。

图10 莒县陵阳镇岳家庄科村监测孔水位动态Fig.10 Monitoring hole water level dynamics at Yuejiazhuangke village,Lingyang town of Lu county

4 地下水资源利用与保护建议

（1）加强地下水水质保护工作，大力实施农村卫生综合治理，对生活垃圾和污废水集中堆放、收集和处理；严格控制发展大规模畜类、禽类的养殖业；在农业蔬菜种植区及果树种植区，控制农药的不合理使用和化肥的大量使用。

（2）加强地下水监测工作，进一步建立健全地下水动态监测体系，对水位水质进行全面监测，及时了解地下水动态变化情况。

（3）加强地下水水质和污染调查评价。为了合理开发利用和保护宝贵的地下水资源，保障供水安全，建议开展地下水水质和污染专项调查。

（4）加强提高地热水的回灌效率，从而节约水资源；对回扬水进行蓄水收集，沉淀处理后继续回灌，控制水位下降，降低对地质环境的影响。