基于COP方法的徐州城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)巖溶水脆弱性評(píng)價(jià)

崔龍玉，姜素，黃敬軍

1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，南京 210018；2.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院)，南京 210018

0 引言

徐州市地處江蘇省西北部，東襟淮海，西接中原，南屏江淮，北扼齊魯，既是淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)的中心城市，又是江蘇省重點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)的三大都市圈核心城市之一。徐州城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育，水量大、質(zhì)量?jī)?yōu)的巖溶水是居民飲水和工礦企業(yè)的重要供水水源。隨著經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展和人口的不斷膨脹，用水需求也日益增加，為了保護(hù)地下水資源并合理開(kāi)發(fā)利用，在徐州規(guī)劃區(qū)開(kāi)展巖溶地下水脆弱性研究具有十分積極的作用。

地下水脆弱性是由Margat于1968年提出，他將地下水脆弱性定義為：在自然條件下，地表污染物通過(guò)擴(kuò)散和滲濾進(jìn)入地下水的可能性[1]。隨之發(fā)展出多種地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法，最為廣泛應(yīng)用的地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法為DRASTIC模型[1]，該方法主要適用于孔隙水和裂隙水，巖溶水由于其復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，影響其脆弱性的因素有別于孔隙水和裂隙水。因此，在2003年，歐洲科技領(lǐng)域合作組織(COST)第620號(hào)行動(dòng)提出了巖溶含水層的脆弱性評(píng)價(jià)方法，即“歐洲模式”[2]，它充分考慮了巖溶區(qū)特殊的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，是基于“起源--路徑--目標(biāo)”[3]的概念模型，其中包含不同的評(píng)價(jià)方法，如PI法、COP法、LEA法和Time-input法等。筆者以徐州城市規(guī)劃區(qū)為研究區(qū)，采用COP方法，運(yùn)用MapGIS對(duì)研究區(qū)內(nèi)巖溶水脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，編制徐州城市規(guī)劃區(qū)巖溶水脆弱性分區(qū)圖，為區(qū)內(nèi)巖溶水開(kāi)發(fā)利用和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

徐州城市空間整體格局呈現(xiàn)“群山環(huán)抱，一脈入城；兩河相擁，一湖映城”的特點(diǎn)，平原區(qū)分布在西北和東南部，低山丘陵及山前、山間平原區(qū)主要在中東部和西南部，總面積為3 126 km2。區(qū)內(nèi)地勢(shì)總體呈向東南傾斜，山體多為寒武系灰?guī)r組成的低山丘陵，海拔在100～200 m之間；平原區(qū)以覆蓋性巖溶為主，寒武系、奧陶系及震旦系灰?guī)r均有分布。徐州位于北亞熱帶與暖溫帶之間過(guò)渡帶，屬于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，多年平均降雨量為845.1 mm，降雨量雖十分充沛，但降雨年內(nèi)變化大，時(shí)空分布不均。區(qū)內(nèi)河流縱橫交錯(cuò)，湖沼、水庫(kù)星羅棋布，兩條較大的河流分別為北部的京杭運(yùn)河與斜穿東西向的故黃河。

徐州最主要的構(gòu)造為徐宿弧形構(gòu)造，多呈復(fù)式背斜與復(fù)式向斜的平行相間隔檔式發(fā)育，復(fù)式背斜核部主要由新元古界地層組成，復(fù)式向斜核部則多由二疊系地層組成(圖1)[4]。 與徐州弧形構(gòu)造帶伴生的還有一系列橫向和縱向斷裂，其中縱向壓扭性逆斷裂更發(fā)育，斷裂大致與徐宿弧形構(gòu)造平行，多傾向南東，橫向斷裂切斷了區(qū)內(nèi)所有地層，斷裂帶較寬，斷裂帶內(nèi)巖石碎裂，為區(qū)域性控水構(gòu)造[5]。

圖1 徐州市區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological structural map in Xuzhou City

徐州地下水的賦存和分布特征既有平原區(qū)的水文地質(zhì)特點(diǎn)，也有丘陵區(qū)的水文地質(zhì)特征，可劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水(以下簡(jiǎn)稱巖溶水)以及裂隙水。本次研究的重點(diǎn)為巖溶水，主要分布在垞城—柳新—拾屯—夾河一線以東地區(qū)，除了出露的基巖山區(qū)外，均被第四系松散層所覆蓋，可分為石炭系上統(tǒng)含水巖組(C2)、奧陶系中下統(tǒng)含水巖組(O)、寒武系含水巖組(∈)及震旦系含水巖組(Z)等4大類，含水巖組巖性多為灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r和砂頁(yè)巖夾灰?guī)r等(圖2)。

圖2 徐州城市規(guī)劃區(qū)巖溶水含水巖組分布圖Fig.2 Distribution of karst water aquifers in Xuzhou planning area

巖溶水作為徐州重要的供水水源以來(lái)，因其開(kāi)發(fā)利用早，開(kāi)采時(shí)間長(zhǎng)，也引發(fā)了一些環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。①為地下水水位下降，降落漏斗擴(kuò)大，以丁樓—茅村水源地為例，1980年該區(qū)漏斗面積僅8.3 km2，而到1995年底漏斗面積已擴(kuò)大到182.49 km2，到2014年7月漏斗面積已經(jīng)超過(guò)200 km2；②為地下水化學(xué)成分發(fā)生變化，局部水質(zhì)溶解性總固體超過(guò)III類水標(biāo)準(zhǔn)[6]，巖溶水污染風(fēng)險(xiǎn)不斷增加；③為巖溶塌陷，1986年以來(lái)，徐州市區(qū)已發(fā)生多起危害性較大的巖溶塌陷事故，絕大多數(shù)是因?yàn)榇罅块_(kāi)采巖溶地下水而引起的，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。

2 巖溶水脆弱性評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)

2.1 評(píng)價(jià)方法

由于巖溶水水文地質(zhì)條件復(fù)雜及其自身的特殊性，在收集并分析區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件并結(jié)合野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用針對(duì)巖溶水脆弱性的COP方法[7]進(jìn)行評(píng)價(jià)。COP方法也可以概括為“起源--路徑--目標(biāo)”模型，其中“起源”可以看做地下水潛在污染物釋放的區(qū)域，“路徑”為污染源釋放點(diǎn)(即“起源”)到所要保護(hù)的目標(biāo)的全部途徑，“目標(biāo)”則是需要保護(hù)的地下水[5]。評(píng)價(jià)因子為上覆巖層(O)、徑流條件(C)和降水(P)[8]，其中O因子代表上覆巖層對(duì)污染物的阻擋及保護(hù)能力，C因子代表地表的徑流條件，P因子代表降水對(duì)巖溶含水層脆弱性的影響[9]。分別為每個(gè)評(píng)價(jià)因子賦值、評(píng)分，利用MapGIS軟件進(jìn)行空間疊加分析，最終得到巖溶水脆弱性指數(shù)，編制徐州城市規(guī)劃區(qū)巖溶水脆弱性分區(qū)圖。

2.2 評(píng)價(jià)因子

2.2.1O因子(上覆巖層)

歐洲模式中將上覆巖層(包氣帶)分為表層土、次表層土、非石灰?guī)r巖石和非飽和帶的石灰?guī)r4層[10]。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件及鉆孔資料，將區(qū)內(nèi)上覆巖層概化為土層(OS)和巖層(OL)[2]。O因子保護(hù)能力的計(jì)算公式包括：

OL=Cn*∑(Ly*m)

(1)

O=OS+OL

(2)

式中：OL為上覆巖層的保護(hù)能力；Cn為含水層額外保護(hù)能力量化值；Ly為上覆巖層保護(hù)能力量化值；m為各巖層厚度(m)；OS為上覆土壤層的保護(hù)能力。

OS的取值由土壤的質(zhì)地和厚度決定，區(qū)內(nèi)土層可劃分為粉砂、粉土和粉質(zhì)黏土--黏土3類，其對(duì)巖溶水的保護(hù)能力的量化見(jiàn)表1，分值越大，保護(hù)能力越強(qiáng)，反之保護(hù)能力越弱。

表1 上覆巖層保護(hù)能力量化表(OS)[11]

Table 1 Quantitaive table of overlying layers protection capacity (OS)

厚度粉砂粉土粉質(zhì)黏土--黏土>2 m1.53.04.51～2 m1.02.54.0<1 m0.52.03.5

OL的取值通過(guò)巖性、裂隙發(fā)育情況、巖層厚度和含水層性質(zhì)來(lái)量化，歐洲模式中將上覆巖層巖性分為13類，在整理分析區(qū)內(nèi)揭露基巖鉆孔資料的基礎(chǔ)上，筆者選取區(qū)內(nèi)分布最多的7種巖石，對(duì)Ly進(jìn)行評(píng)價(jià)(表2)，分值越高保護(hù)能力越強(qiáng)。

表2 巖性賦值量化表(Ly)[11]

同時(shí)，若含水層為承壓水或其上有半隔水層，巖溶水會(huì)受到額外的保護(hù)(Cn)[12]，無(wú)隔水頂板保護(hù)的巖溶水巖層其上覆巖層保護(hù)能力最弱，分值最低(表3)。按照公式(1)得出OL包氣帶巖層的保護(hù)能力。

表3 額外保護(hù)能力量化表(Cn)[11]

巖溶水包氣帶保護(hù)能力是土層及巖層合力作用的結(jié)果，O因子是土層保護(hù)能力與巖層保護(hù)能力的總和[12]。

利用公式(2)計(jì)算O因子分值，分值越高上覆巖層保護(hù)能力越高，反之保護(hù)能力越低。將O因子劃分為5個(gè)等級(jí)：分別為保護(hù)能力弱、保護(hù)能力較弱、保護(hù)能力中等、保護(hù)能力較強(qiáng)和保護(hù)能力強(qiáng)(表4)。

表4O因子上覆巖層保護(hù)能力量化表[11]

Table 4 Quantitaive table of overlying layers protection capacity (factorO)

O12(2～4](4～8](8～15]保護(hù)能力弱較弱中等較強(qiáng)強(qiáng)

2.2.2C因子(徑流條件)

C因子用來(lái)校正O因子的系數(shù)，代表發(fā)生集中滲濾的幾率和該區(qū)上覆巖層保護(hù)能力退化的情況[13]。C因子分為兩種情況：第一種是存在落水洞的區(qū)域，第二種是其他區(qū)域。根據(jù)實(shí)際情況，區(qū)內(nèi)沒(méi)有落水洞，因此C因子僅與地表巖溶特征(sf)和坡度--植被(sv)有關(guān)，其計(jì)算公式為：

C=sf*sv

(3)

根據(jù)巖石的裸露與否以及巖溶發(fā)育程度對(duì)地表巖溶形態(tài)特征(sf)進(jìn)行賦值[14](表5)，一般裸露的石灰?guī)r賦值較低，不透水的非巖溶地區(qū)賦值較高。

表5 地表巖溶特征(sf)量化表[11]

上覆巖層是否有植被及其密度都會(huì)影響地下水的入滲和徑流過(guò)程，坡度對(duì)徑流具有積極的影響。坡度(s)--植被(v)具體分值見(jiàn)表6。

表6 坡度(s)--植被(v)量化表[11]

C因子分值在0～1之間，C=0代表保護(hù)層功能完全喪失，C=1代表O因子保護(hù)能力沒(méi)有被修正，將C因子劃分為5個(gè)等級(jí)(表7)。

2.2.3P因子(降水)

P因子代表的是降水對(duì)巖溶水脆弱性的影響。根據(jù)區(qū)內(nèi)的實(shí)際情況，選擇極端降雨事件次數(shù)(rd)和達(dá)到平均降水量天數(shù)(se)來(lái)反映降水對(duì)脆弱性的影響[12]。極端降雨事件是24 h降雨量在80 mm以上的暴雨和大暴雨，平均降雨量是24 h降雨量在20～80 mm。P因子計(jì)算公式為：

P=rd*se

(4)

其結(jié)果可量化為5個(gè)等級(jí)(表8)，保護(hù)能力退化強(qiáng)表示污染物通過(guò)降水進(jìn)入巖溶水的可能較大，反之則較小。

2.2.4 巖溶水脆弱性

基于上述評(píng)價(jià)結(jié)果，按式(5)疊加C、O、P3個(gè)評(píng)價(jià)因子得出巖溶水脆弱性指標(biāo)，并將巖溶水脆弱性劃分為5個(gè)等級(jí)(表9)。

K=C*O*P

(5)

表7 徑流條件C因子量化表[12]

表8 降水P因子量化表[13]

表9 巖溶水脆弱性等級(jí)[11]

3 評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

3.1 O因子評(píng)價(jià)結(jié)果

按照式(1)、式(2)和表1、表3計(jì)算得出O因子分值,并根據(jù)表4對(duì)O因子保護(hù)能力進(jìn)行等級(jí)劃分(圖3)。

由圖3可以看出，大部分地區(qū)為保護(hù)能力較強(qiáng)；基巖裸露區(qū)是巖溶水的重要補(bǔ)給區(qū)，且不具有土層保護(hù)，因此基巖裸露區(qū)及其周圍包氣帶保護(hù)能力等級(jí)為低或較低；南部部分地區(qū)保護(hù)能力等級(jí)可達(dá)到強(qiáng)。

3.2 C因子評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)式(3)計(jì)算得出C因子分值，并繪制C因子保護(hù)能力退化程度分區(qū)圖(圖4)。C因子保護(hù)能力退化程度強(qiáng)的區(qū)域主要集中在基巖裸露區(qū)，坡度在8%～31%之間，且?guī)r溶發(fā)育；其余大部分地區(qū)保護(hù)能力退化程度較低或低。

圖3 O因子上覆巖層的保護(hù)能力分區(qū)圖Fig.3 Partition map of overlying layers protection capacity (factor O)

圖4 徑流條件(C因子)分區(qū)圖Fig.4 Partition map of concentration flow (factor C)

3.3 P因子評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)收集并分析區(qū)內(nèi)降雨資料，徐州地區(qū)P因子沒(méi)有太大差異，根據(jù)式(4)計(jì)算得出P=1，因此，降水對(duì)研究區(qū)巖溶水的脆弱性影響很低，本次評(píng)價(jià)暫忽略降水對(duì)巖溶水脆弱性的影響。

3.4 巖溶水脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果

利用MapGIS空間分析模塊，疊加O因子和C因子得出徐州地區(qū)巖溶水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)圖(圖5)，各等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 巖溶水脆弱性各等級(jí)所占百分比

Table 10 Percentage of each grades of karst water vulnerability

K面積/km2占比/%高464.3023.12較高275.6013.73中157.607.85較低232.3711.57低878.1043.73

圖5 巖溶水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)圖Fig.5 Partition map of karst water vulnerability assessment

由評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，區(qū)內(nèi)43.73%的地區(qū)脆弱性低，該區(qū)都有較厚的第四系土層覆蓋，包氣帶保護(hù)能力較強(qiáng)，地勢(shì)平坦，保護(hù)能力退化程度較弱；脆弱性高和較高的地區(qū)分別占比23.12%和13.73%，主要為寒武系、奧陶系基巖裸露區(qū)及其周圍地區(qū)，由于缺少上覆土層的保護(hù)，巖溶裂隙也比較發(fā)育，其包氣帶保護(hù)能力弱，保護(hù)能力退化程度強(qiáng)，故脆弱性高--較高。

4 結(jié)論

(1)COP法能夠針對(duì)巖溶水水文地質(zhì)條件及其自身特殊性進(jìn)行巖溶水脆弱性評(píng)價(jià)，進(jìn)而為巖溶水保護(hù)提供依據(jù)。

(2)徐州巖溶水脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，巖溶水脆弱性主要受其包氣帶保護(hù)能力的影響：基巖裸露區(qū)由于缺少上覆土層保護(hù)，其脆弱性一般高或較高，占總面積的23.12%、13.73%；大部分地區(qū)為隱伏型巖溶，巖溶水包氣帶保護(hù)能力較強(qiáng)，脆弱性等級(jí)一般也為低或較低，占總面積的43.73%、11.57%；脆弱性中等地區(qū)占總面積的7.85%。

(3)脆弱性高或較高的地區(qū)主要集中在基巖裸露及其周邊地區(qū)，巖溶水污染風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高；同時(shí)，該區(qū)屬于巖溶水補(bǔ)給區(qū)，因此，在巖溶水開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，進(jìn)一步劃分巖溶水保護(hù)區(qū)，控制人類活動(dòng)，以保證巖溶水水源安全。

(4)低脆弱性地區(qū)由于表層的保護(hù)，地表人類活動(dòng)對(duì)巖溶水的影響較小，但仍需合理規(guī)劃工農(nóng)業(yè)活動(dòng)。