巖溶水型水源地保護(hù)區(qū)劃分方法研究
——以濟(jì)南市曹樓水源地為例

王金曉，陳奐良，滕躍，高菡，張文強(qiáng)，張翼飛

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

水源地在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過程中有重要作用，劃分飲用水水源保護(hù)區(qū)并開展有效管理，是國際上普遍采用的水源保護(hù)措施，也是保護(hù)水源水質(zhì)安全最有效的措施之一，一方面可以通過一定的距離和時(shí)間，讓污染物在到達(dá)供水井前能夠被各種介質(zhì)所攔截凈化，使其濃度降低到目標(biāo)含量;另一方面也可以讓相關(guān)部門在地下水受污染后有一定的應(yīng)急處置時(shí)間，使地下飲用水源的水質(zhì)到達(dá)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn);實(shí)現(xiàn)地下飲用水水源地的長效發(fā)展[1-4]。我國借鑒美國和歐盟流程時(shí)間的劃分理念，發(fā)布了《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ 338—2018)，提出了應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間法確定地表水源水域保護(hù)區(qū)的劃分方法，同時(shí)，在地表水源陸域劃分方法中，借鑒了美國和歐盟全流域保護(hù)理念，增加了地形邊界法和緩沖區(qū)法，并考慮到我國土地利用緊張的現(xiàn)實(shí)，還對2種方法的適用條件分別進(jìn)行了規(guī)定，以方便各地在選擇保護(hù)區(qū)劃分方法時(shí)參考[5-8]。

地下水源保護(hù)和污染防治工作按保護(hù)區(qū)級別不同而要求不同，因此劃分各級保護(hù)區(qū)的界線十分關(guān)鍵。保護(hù)區(qū)如果劃分過小，則不能起到水源地的保護(hù)作用，如果劃分的過大，則可能增加不必要的保護(hù)和污染防治工作量，經(jīng)濟(jì)成本也會(huì)相應(yīng)提高，因此保護(hù)區(qū)范圍應(yīng)該科學(xué)合理地加以確定[9-16]。

現(xiàn)行的《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ338—2018)中提供了不同類型飲用水源地保護(hù)區(qū)的劃分方法，規(guī)范規(guī)定巖溶水型水源地，以上部潛水的一級保護(hù)區(qū)作為水源地的一級保護(hù)區(qū)，一般不設(shè)二級保護(hù)區(qū)[17-20]。巖溶水型水源地含水層具有非均質(zhì)、各項(xiàng)異性且滲透系數(shù)較大的特點(diǎn)，以現(xiàn)有規(guī)范劃分水源地保護(hù)區(qū)將缺少對下部巖溶水的保護(hù)。

為更準(zhǔn)確合理的劃分巖溶水型水源地保護(hù)區(qū)，采用組合法，以濟(jì)南市曹樓水源地為研究對象，在確定地下水主徑流通道的基礎(chǔ)上，選用巖溶含水層的水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算水源地保護(hù)區(qū)范圍，再結(jié)合水文地質(zhì)條件及地形地貌特征對保護(hù)區(qū)的邊界進(jìn)行修正，得到最終的保護(hù)區(qū)邊界。

1 水源地概況

1.1 水源地基本情況

曹樓水源地位于濟(jì)南市長清區(qū)歸德鎮(zhèn)曹樓村東1300m，孝里鋪斷裂東側(cè)(圖1)，總體處于區(qū)域裂隙巖溶水的徑流排泄區(qū)。

1—第四系；2—奧陶系；3—寒武系；4—侵入巖；5—斷裂；6—地下水水源地圖1 曹樓水源地區(qū)域地質(zhì)簡圖

曹樓水源地位于長孝富水區(qū)，該區(qū)屬于魯中南中低山丘陵碳酸鹽巖為主的水文地質(zhì)區(qū)、平陰-臨朐水文地質(zhì)亞區(qū)、平陰單斜巖溶水系統(tǒng)，其西南部與舊縣單斜巖溶水系統(tǒng)相鄰，東北部與濟(jì)南單斜巖溶水系統(tǒng)相鄰(濟(jì)南泉域)。曹樓水源地所在的長孝水文地質(zhì)單元具有以溶隙、溶孔為主及少量溶穴、管道組成的網(wǎng)絡(luò)型導(dǎo)水通道和蓄水體系，含水介質(zhì)導(dǎo)水和富水程度，具有各向異性和不均一性，它們相對獨(dú)立，具有各自的水文地質(zhì)條件。通過透水?dāng)嗔汛嬖谝欢ǖ乃β?lián)系，根據(jù)水文地質(zhì)條件，確定曹樓水源地為巖溶裂隙網(wǎng)絡(luò)型水源地。

1.2 水源地含水巖組類型及特征

曹樓水源地位于山前沖洪積平原區(qū)，地形較平坦，總體地勢南東高，北西低。根據(jù)濟(jì)南市長孝水源地曹樓井組階段性開采抽水試驗(yàn)總結(jié)報(bào)告(1)陸書南，陳奐良.濟(jì)南市長孝水源地曹樓井組階段性開采抽水試驗(yàn)總結(jié)報(bào)告，2011年。，曹樓水源地主要含水巖組為寒武-奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組，包括奧陶紀(jì)馬家溝群北庵莊組灰?guī)r、豹皮灰?guī)r裂隙巖溶含水亞組和寒武-奧陶紀(jì)九龍群三山子組微晶白云巖、細(xì)晶白云巖裂隙巖溶含水亞組2個(gè)含水亞組。

1.3 水源地補(bǔ)徑排條件

曹樓水源地位于長孝水文地質(zhì)單元裂隙巖溶水的徑流排泄區(qū)，南部巖溶水沿孝里鋪斷裂向北運(yùn)動(dòng)，與接受補(bǔ)給后由南東向北西運(yùn)動(dòng)的裂隙巖溶水匯合，使曹樓水源地周邊地帶形成了較強(qiáng)的富水地段。

水源地主要補(bǔ)給來源主要為大氣降水入滲補(bǔ)給，第四系孔隙水滲透補(bǔ)給及南部徑流補(bǔ)給。地下水流向由南東向北西方向運(yùn)動(dòng)，至孝里鋪斷裂附近折向北東。地下水的排泄途徑主要為地下徑流排泄及人工開采排泄。

1.4 水源地開發(fā)利用現(xiàn)狀

水源地有4眼供水井，開采井揭露的含水層主要為北庵莊組灰?guī)r及三山子組白云巖，含水層厚度74.89～97.90m。目前水源地一般開采3眼井，另外1眼作為備用井，水源地日開采量在4.08萬～4.56萬m3左右，單井開采量值約為13754.43m3/d，供應(yīng)濟(jì)南西客站附近的生活用水。

2 水源地保護(hù)區(qū)劃分方法

2.1 方法介紹

組合法是以水質(zhì)量守恒為基礎(chǔ)，即水源地范圍內(nèi)抽水量與補(bǔ)給量守恒。當(dāng)含水層系統(tǒng)的自然狀態(tài)下的地下水流動(dòng)強(qiáng)度高于因抽水導(dǎo)致的地下水流動(dòng)強(qiáng)度時(shí)，含水層系統(tǒng)固有流動(dòng)狀態(tài)占主導(dǎo)，此時(shí)保護(hù)區(qū)范圍呈橢圓；反之，當(dāng)因抽水導(dǎo)致的地下水流動(dòng)占主導(dǎo)時(shí)，保護(hù)區(qū)范圍近似呈圓形[1]。該方法適用于近似滿足以下條件的地下水水源地：含水層補(bǔ)給率和抽水率是不變的；區(qū)域地下水流場變化穩(wěn)定；抽水井相互之間沒有干擾或干擾可忽略；含水層邊界對抽水井的降落漏斗沒有影響。

曹樓水源地附近屬于地下水強(qiáng)徑流區(qū)，含水層系統(tǒng)固有的流通狀態(tài)占主導(dǎo)，因此其保護(hù)區(qū)范圍呈現(xiàn)橢圓形?！兜叵滤吹乇Ｗo(hù)區(qū)劃分方法與應(yīng)用》提出了利用組合法確定地下水水源地保護(hù)區(qū)的步驟(圖2)，并提出了相應(yīng)的計(jì)算公式(1)～(5)，本次利用公式初步計(jì)算水源地保護(hù)區(qū)的范圍。

圖2 保護(hù)區(qū)劃分過程圖

2.2 劃分過程

2.2.1 確定地下水流向

根據(jù)曹樓水源地2017年枯水期等水位線可知(圖3)，水源地附近地下水總體徑流方向由東南向西北，地下水主徑流通道一條沿西部孝里鋪斷裂由南西向北東，另一條由東南方向的東馬山村向西北方向徑流。

2.2.2 確定保護(hù)區(qū)在低水頭方向的邊界及保護(hù)區(qū)的寬度

利用公式(1)確定水源地保護(hù)區(qū)在高水頭和低水頭方向的延伸距離之比，利用公式(2)確定保護(hù)區(qū)最大寬度。

du/dd=Q/2πKib

(1)

w=Q/Kib

(2)

式中：du—保護(hù)區(qū)在高水頭方向的延伸距離(m);dd—保護(hù)區(qū)在低水頭方向的延伸距離(m)；Q—單井開采量13754.43m3/d;K—滲透系數(shù)，根據(jù)水源地抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得568.85m/d；i—平均水力梯度，根據(jù)等水位線圖確定為0.001；b—含水層厚度，取86.28m；w—保護(hù)區(qū)短軸最大寬度(m)。

由此計(jì)算得水源地保護(hù)區(qū)在高、低水頭方向的延伸距離比為44.62，保護(hù)區(qū)的短軸方向的最大寬度為280.24m。

2.2.3 計(jì)算水源地保護(hù)區(qū)的總面積

根據(jù)公式(3)計(jì)算水源地各級保護(hù)區(qū)的面積

A=tQ/bn

(3)

式中：A—以時(shí)間t為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的保護(hù)區(qū)總面積(m2)；t—給定的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，一級保護(hù)區(qū)取100d，二級保護(hù)區(qū)取1000d[4]；Q—開采量，取開采量的平均值13754.43m3/d；b—含水層厚度，取86.28m；n—巖溶裂隙率，取0.1。

計(jì)算得一級保護(hù)區(qū)面積為159416.203m2，二級保護(hù)區(qū)面積1594162.03m2。

1—巖溶水等水位線；2—巖溶水流向；3—統(tǒng)測點(diǎn)編號及水位標(biāo)高(m)圖3 曹樓水源地枯水期等水位線圖

2.2.4 計(jì)算保護(hù)區(qū)的長軸長度

根據(jù)公式(4)計(jì)算保護(hù)區(qū)長軸長度，根據(jù)公式(5)及在高水頭和低水頭方向的延伸距離之比計(jì)算水源地長軸在高、低水頭方向的延伸距離。

w/2=A/(πd/2)

(4)

d=dd+du

(5)

式中：A—以時(shí)間t為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的保護(hù)區(qū)總面積(m2)；w—保護(hù)區(qū)短軸最大寬度，取280.24m；d—保護(hù)區(qū)長軸長度，一級保護(hù)區(qū)724.66m，二級保護(hù)區(qū)7246.6m；du—保護(hù)區(qū)向高水頭方向的延伸距離，一級保護(hù)區(qū)708.57m，二級保護(hù)區(qū)7085.7m；dd—保護(hù)區(qū)向低水頭方向的延伸距離，一級保護(hù)區(qū)15.88m，二級保護(hù)區(qū)158.8m。

2.2.5 確定橢圓形保護(hù)區(qū)范圍

以計(jì)算后的數(shù)值分別圈定2條主徑流帶方向橢圓形保護(hù)區(qū)的范圍，疊加后初步得到水源地保護(hù)區(qū)的范圍。

3 保護(hù)區(qū)范圍修正

在初步確定保護(hù)區(qū)的范圍后，根據(jù)地形地貌、地層、構(gòu)造及水文地質(zhì)條件對保護(hù)區(qū)的邊界進(jìn)行修正。水源地一級保護(hù)區(qū)以開采井為中心，高水頭方向延伸距離為708.57m，低水頭方向延伸距離15.88m；二級保護(hù)區(qū)2條主徑流帶的保護(hù)范圍依據(jù)計(jì)算后的結(jié)果劃定，高水頭方向延伸距離7085.7m，低水頭方向延伸距離158.8m，非主徑流帶以1000～5000m3/d富水性分區(qū)界線為界，高水頭方向的延伸距離為2722.5m，低水頭方向延伸距離158.8m。根據(jù)濟(jì)南市長孝水源地曹樓井組階段性開采抽水試驗(yàn)總結(jié)報(bào)告，水源地在進(jìn)行過開采性抽水試驗(yàn)過程中，地下水降落漏斗越過孝里鋪斷裂NW向延伸，孝里鋪以西對水源地有一定的補(bǔ)給作用，因此本次將孝里鋪斷裂劃分至二級保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，同時(shí)根據(jù)地表分水嶺對水源地南部二級保護(hù)區(qū)的界線進(jìn)行調(diào)整，最終確定水源地保護(hù)區(qū)的邊界(圖4)。

1—松散巖類孔隙含水巖組；2—碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組；3—地下水流向；4—地下水水源地；5—地層界線；6—隱伏斷層透水段；7—隱伏端側(cè)阻水段；8—一級保護(hù)區(qū)界線；9—二級保護(hù)區(qū)界線圖4 曹樓水源地保護(hù)區(qū)劃分圖

4 結(jié)論

(1)水源地保護(hù)區(qū)劃分是加強(qiáng)水源地科學(xué)管理、改善水源地生態(tài)和衛(wèi)生環(huán)境、保障飲用水水質(zhì)安全的一項(xiàng)重要工作。巖溶水含水層具有不均質(zhì)、各項(xiàng)異性的特點(diǎn)，因此對巖溶水型水源地的保護(hù)應(yīng)具有更強(qiáng)的針對性。

(2)組合法考慮了水源地開采、水動(dòng)力場對保護(hù)區(qū)的影響，通過地下水等水位線確定地下水的主徑流帶方向，修正后的水源地保護(hù)區(qū)以水源地地下水流場為基礎(chǔ)，加強(qiáng)了對主徑流帶的保護(hù)，同時(shí)減少不必要的保護(hù)，降低了保護(hù)成本。

(3)在全面了解水源地水文地質(zhì)特征、地質(zhì)地貌條件的基礎(chǔ)上，修正地下水水源地保護(hù)區(qū)范圍，可更好的實(shí)現(xiàn)地下水資源的保護(hù)。