地下水水源地重點補給地段保護區劃分研究
——以玉符河流域為例

李傳磊，賈 濤，剛什婷，陳奐良，劉春偉

(1.山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊/山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014；2.山東省地下水環境保護與修復工程技術研究中心，山東 濟南 250014)

濟南市不僅以泉城聞名于世，而且具有獨特的地下水優勢[1]。濟南巖溶水源地因其良好的水質和豐富的水資源量，是濟南市工業農業、人類生活的重要供水水源[2]。巖溶水與上覆第四系含水層水力聯系密切，較易受到人類活動的影響[3]。隨著人口的增長和社會經濟的發展，地下水資源污染和生態環境的破壞逐漸成為制約社會可持續發展的重要因素。水源保護區科學劃分是水源地環境管理的重要手段，也是飲水安全的重要一環[4]。為保障飲用水安全，2018年生態環境部出臺了《飲用水水源保護區劃分技術規范》(HJ 338-2018 )(以下簡稱《規范》)[5]，進一步規范了水源地的管理，尤其是對保護區劃分技術方法進行了規定。

以玉符河流域地下水水源地為研究區，在分析研究區水文地質條件的基礎上，根據飲用水水源保護區劃分技術規范》技術要求，采用經驗公式法對水源地保護區進行了研究。

1 流域概況

1.1 地形地貌及水文地質條件

玉符河流域位于濟南市屬于黃河水系，地貌類型從南到北主要為丘陵、殘丘、山前傾斜平原、黃河沖積平原，地形南高北低。玉符河是該流域的主要水系，發源于濟南南部泰山北麓的長城嶺，主要流經寨而頭、西渴馬、崔馬、周王莊，最后注入黃河，全長85.4 km，流域面積751.3 km2。河道滲漏嚴重，是巖溶水的重要補給來源之一。由于玉符河上游修建數座大小不等水庫，攔截地表徑流，加上水庫水向市區供水，目前玉符河催馬以下河段基本常年斷流，為季節性河流，巖溶水的補給量大大減少。

玉符河流域自南向北出露泰山群變質巖、寒武紀灰巖、白云巖、頁巖，奧陶紀灰巖，石炭紀砂巖、泥巖、煤，第四紀松散層[6]。按照地下水補、徑、排條件和資源條件等原因，地下水類型分為基巖裂隙水、巖溶裂隙水、第四系孔隙水(圖1)。斷裂構造主要為炒米店斷裂，寒武奧陶紀灰巖為可溶性巖石，受該斷裂構造的影響，灰巖地下巖溶裂隙發育很好，為地下水的賦存，提供了空間，北部不透水巖層-濟南巖體、石炭紀含煤地層的存在，為地下水的富集提供了條件[7]。

1.巖溶水匯集區 2.巖溶水補給區 3.煤系地層阻水區 4.巖漿巖阻水區 5.變質巖分布區 6.透水斷裂 7.隔水斷裂 8.阻水斷裂 9.阻水邊界10.地表分水嶺 11.水文單元邊界 12.透水界線 13.斷層 14.泉點 15.巖溶水流向 16.水源地及編號

1.2 富水機理

玉符河流域地形的南高北低與地層傾向的一致性為大氣降水入滲提供了能量基礎；巨厚層的可溶性灰巖的存在，及斷裂構造的發育使得下游灰巖的巖溶裂隙發育，為地下水的儲存提供了空間；北部含煤地層的大面積分布，含煤地層透水性極差，南部補給來的地下水沿裂隙通道向北部徑流運移，受到不透水巖層的阻擋而富集(見圖2)。

1.礫石 2.粘土 3.灰巖 4.白云巖 5.頁巖夾薄層灰巖 6.泥灰巖 7.砂巖 8.泥巖 9.含煤地層 10.大氣降水 11.巖溶地下水及徑流方向 12.孔隙水及徑流方向 13.斷裂 14富水范圍 15巖溶裂隙

2 地下水水源地現狀

2.1 地下水水源地現狀

玉符河流域地下水水源地包括古城、峨眉山、大楊莊、臘山四個水源地。峨嵋山、大楊、臘山3處水源地，共有供水機組35臺，設計供水能力27.7萬 m3/d。古城水源地供水井11眼，設計供水能力9.5萬 m3/d。古城、峨眉、大楊、臘山水源地原是濟南西部主要的原水供應水源，目前，主要作為濟南后備水源，長期對供水設備的維護和保養，以備不時之需。

2.2 地下水源地水質評價

根據收集峨眉山水廠水質資料分析：1960年西郊峨嵋山水廠巖溶水礦化度為194 mg/L，至1990年分別升高至308 mg/L與235 mg/L，分別增加35.68%與21.13%；峨嵋山水廠2012年10月20日礦化度為414.00 mg/L，較1960年含量增加113.40%(圖3)。1959年西郊峨嵋山水廠巖溶水的總硬度分別為153 mg/L，峨嵋山水廠2012年10月20日總硬度為251.00 mg/L，較1959年增加64.05%。

圖3 峨嵋山水廠水化學指標變化特征

巖溶水硫酸鹽含量呈快速增加的趨勢。峨嵋山水廠硫酸鹽含量在1984年之前基本穩定，維持在11.61～14.67 mg/L；1984-2004年呈波浪上升的趨勢，2004年為21.00 mg/L，2012年10月20日含量為39.90 mg/L，較1960年增加2.43倍。

濟南泉域氯化物含量也有明顯升高的趨勢。1959年峨嵋山水廠氯化物含量分別為9.60 mg/L。2012年峨嵋山水廠氯化物含量為24.00 mg/L，較1959年增加1.50倍。

就水化學變化趨勢而言，峨嵋山水廠水化學各項指標1962年至1982年間相對穩定，至1982年之后方快速增加。通過分析可知，1982年之前其徑流區和直接補給區人類活動強度相對較小，人類活動對地下水的影響較小，而之人類活動的導致水質在惡化，水源地受到污染威脅。

3 地下水水源地污染途徑

3.1 面狀垂直滲透污染

玉符河流域屬于濟南趵突泉泉域的一部分，屬于巖溶水系統。巖溶水的主要補給來源有二：(1)碳酸鹽直接裸露地表的地區直接接受大氣降水的補給，(2)河谷滲漏段的集中滲入補給量。流域南部出露泰山巖群變質巖，及寒武紀灰巖、灰巖夾頁巖，是地下水的間接補給區。流域北部及玉符河南部河床為灰巖裸露及淺埋區，是地下水的直接補給區。

3.1.1 降水補給

流域直接補給區面積為111.7 km2，按照多年平均降水量647 mm,降水入滲系數0.39計算，按照以下公式計算：

Q=P×F×α

(1)

式中：Q為降水補給量，P為多年平均降水量，F為補給區面積，α為降水入滲系數，經計算大氣降水補給量為7.72萬 m3/d。

3.1.2 入滲補給

2002年3月濟南市水利局利用臥虎山水庫放水，在玉符河進行放水回灌試驗，3月12日21時放水，至3月27日17時停止，放水時間15 d，共計放水量800萬 m3。通過對外圍地下水動態觀測發現西郊巖溶水對回灌補源反映明顯，見圖4～圖6。

圖4 回灌試驗工程布置及擴展速率計算分區圖

圖5 KD4與J97號孔地下水動態曲線(2002.3.1-4.6)

圖6 KB4與J92號孔地下水動態對比曲線(2002.3.1-4.6)

從圖4、圖5中可以看出：3月1日至試驗初期，西郊巖溶水水位呈現持續下降，降幅在1.5～2.8 cm/d之間。隨著放水時間延續，自3月17日開始部分巖溶水水位出現小幅回升，如殷家林J97號孔、KB4等等。17日玉符河河水尚未流經直接補給區。至3月20日，西郊玉符河兩岸巖溶水觀測孔均出現上升趨勢(見表1)。從日均升幅和累計升幅可以看出，本次玉符河回灌試驗巖溶水日均升幅在1.5～5.9 cm/d,不考慮試驗前期日降幅的情況下，自然升幅在0.22～1.23 m。炒米店斷裂帶內影響最大，斷裂帶兩側影響逐漸減小見圖7。

圖7 回灌試驗玉符河縱向回形速率柱形圖

通過放水回灌試驗，說明玉符河下游巖溶水的徑流條件較好，回灌對下游地下水水位均有不同程度的抬升。

1.卵礫石 2.粘土 3.灰巖 4.白云巖 5頁巖夾薄層灰巖 6.泥灰巖 7.大氣降水 8.巖溶地下水及徑流方向 9.斷裂 10.地下巖溶裂隙

根據玉符河流域巖溶水補給方式分析對地下水造成的污染主要為面狀垂直滲透污染。降水作為巖溶地下水的主要補給源，雨水溶濾地表固體污染物或混入隨便排放的污水及地表回灌其它污染水體下滲補給巖溶水，污染物滲入巖溶水的速度快，是該地區巖溶水的主要污染途徑。

3.2 帶狀側向滲漏污染

根據收集地質鉆孔資料，寨而頭-崔馬南地段，地層結構為二元結構，上部為第四系卵礫石層，下部為張夏組灰巖，崔馬以下河段第四系底部普遍存在厚度10～30 m的粘性土隔水層。自然條件下該河道的主要滲漏段為：臥虎山水庫大壩下-殷家林河段，總長度13.25 km(見圖8)。

在回灌初期，二者之間的水頭差較大，單位時間內在單位長度河道的河水滲漏量大，但隨著地下水位的抬升，水力坡度逐漸減小，補給速度變緩，其滲漏量也就相應的減小,估算滲漏量約40萬 m3/d。根據2014年生態補源臥虎山水庫放水資料：該年度放水4 851萬 m3，可以完全滲漏補給巖溶地下水，補給量約為：13.29萬 m3/d。

河道底部多基巖裸露，溶蝕裂隙強烈發育，不僅為河流水體側向滲漏補給地下水提供了方便條件，為已污染河水滲漏污染巖溶水提供了有力條件。

4 保護區劃分技術

4.1 劃分方法

2018年3月12日，國家環境保護總局發布了《飲用水水源保護區劃分技術規范》(HJ 338-2018)，2018年7月1日開始實施。地下水水源地保護區劃分常用方法主要有三種，主要有：經驗值法[8-9]、經驗公式[10]和數值模擬法[11-12]，根據不同水源地的水文地質條件和水源地規模選擇不同的保護區劃分方法。

本次地下水水源地保護區劃分主要以《飲用水水源保護區劃分技術規范》(HJ 338-2018)為依據。根據玉符河流域特殊地質情況采用經驗公式確定保護區半徑。然后再與規范提供的保護區經驗值進行比較，確定水源地安全約束條件，通過綜合分析，最后確定一級保護區范圍。

4.2 保護區劃分

4.2.1 一級保護區劃分

現狀地下水飲用水源為裂隙、巖溶性承壓水型水源地，劃定上部潛水的一級保護區作為承壓水型水源地的一級保護區。根據技術規范對于孔隙水潛水型的大型水源地仍采用公式計算法，方法同中小型水源地。

R=α×K×I×T/n

(2)

式中：R為保護區半徑，m；為安全系數(為了安全起見，在理論計算的基礎上加上一定量，以防未來用水量的增加以及干旱期影響造成半徑的擴大)；K為含水層滲透系數，m/d ；為水力坡度(為漏斗范圍內的水力平均坡度)；T為污染物水平遷移時間，d，n為有效孔隙度。水源地取水井附近，第四系為多層結構，其厚度一般為40～160 m，在河床內存在厚度較大的粘土層，隔水性較好，根據經驗數據，其滲透系數為1.08×10-6cm/s，為極微透水，其包氣帶防污能力強，通過計算可得古城、峨眉、大楊、臘山水源地其取水地段水廠院子范圍應劃為一級保護區。

4.2.2 二級保護區劃分

現狀地下水飲用水源為裂隙、巖溶性承壓水型水源地一般不設二級保護區。

4.2.3 準保護區劃分

考慮趵突泉巖溶水系統補給、徑流、排泄系統的特殊性，玉符河重點滲漏地段作為地下水水源地的補給區，如果一旦受到污染，污染物將迅速遷移至水源地，不僅危及城區飲用水水源，恢復治理也是一個艱巨的過程，甚至造成不可逆轉的危害。因此本次地下水水源保護區進行準保護區劃分。

水源地補給區玉符河重點滲漏地段水庫大壩-殷家林河段，地層結構為“二元結構”，上部為第四紀松散層，下部為基巖-灰巖(見圖9)。第四紀地層為單層及雙層結構，其厚度一般為為1～40 m，在河床內上部主要為卵礫石層，透水性較好，第四系與灰巖含水層水力聯系較好，滲漏量較大。根據2014年在催馬莊玉符河河道滲透試驗：卵礫石混粘土的滲透系數為10.72 m/d(合1.24×10-2cm/s)，為強透水段，包氣帶防污性能弱。由于該地段為水源地補給區重要滲漏地段，應劃為準保護區。

圖9 催馬莊西側玉符河垂直河道剖面圖

根據巖溶地下水水文地質條件的復雜性、水環境的敏感程度、地層包氣帶的防污性能及水質現狀，認為：水源地補給區重點滲漏段與取水地段同等重要，也應該劃為一級保護區，并按照有關保護措施依法進行保護。

5 結語

玉符河流域地下水水源地主要為古城、峨眉山、大楊莊、臘山四個水源地，是濟南市應急供水備用水源地，根據《飲用水水源地保護區劃分技術規范》(中華人民共和國環境保護行業標準HJ/T338-2007)要求，其取水地段水廠院子范圍應劃為一級保護區，并采取相應措施進行保護。玉符河流域地下水水源主要來源于大氣降水入滲、水庫放水時的河床滲漏，玉符河主要的滲漏段為臥虎山水庫大壩下至殷家林河段，長度13.25 km，滲透量較大，應劃分為準保護區，但是水源地水質的優劣與補給區來水水質關系更為密切，因此該水源地的重點補給地段與水源地取水地段同等重要，應按照一級保護區劃定范圍并進行保護。