巖溶水型水源地保護區劃分方法研究
——以濟南市曹樓水源地為例

王金曉，陳奐良，滕躍，高菡，張文強，張翼飛

(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 濟南 250014；2.山東省煤田地質規劃勘察研究院，山東 濟南 250014)

0 引言

水源地在經濟社會發展過程中有重要作用，劃分飲用水水源保護區并開展有效管理，是國際上普遍采用的水源保護措施，也是保護水源水質安全最有效的措施之一，一方面可以通過一定的距離和時間，讓污染物在到達供水井前能夠被各種介質所攔截凈化，使其濃度降低到目標含量;另一方面也可以讓相關部門在地下水受污染后有一定的應急處置時間，使地下飲用水源的水質到達規定的標準;實現地下飲用水水源地的長效發展[1-4]。我國借鑒美國和歐盟流程時間的劃分理念，發布了《飲用水水源保護區劃分技術規范》(HJ 338—2018)，提出了應急響應時間法確定地表水源水域保護區的劃分方法，同時，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理念，增加了地形邊界法和緩沖區法，并考慮到我國土地利用緊張的現實，還對2種方法的適用條件分別進行了規定，以方便各地在選擇保護區劃分方法時參考[5-8]。

地下水源保護和污染防治工作按保護區級別不同而要求不同，因此劃分各級保護區的界線十分關鍵。保護區如果劃分過小，則不能起到水源地的保護作用，如果劃分的過大，則可能增加不必要的保護和污染防治工作量，經濟成本也會相應提高，因此保護區范圍應該科學合理地加以確定[9-16]。

現行的《飲用水水源保護區劃分技術規范》(HJ338—2018)中提供了不同類型飲用水源地保護區的劃分方法，規范規定巖溶水型水源地，以上部潛水的一級保護區作為水源地的一級保護區，一般不設二級保護區[17-20]。巖溶水型水源地含水層具有非均質、各項異性且滲透系數較大的特點，以現有規范劃分水源地保護區將缺少對下部巖溶水的保護。

為更準確合理的劃分巖溶水型水源地保護區，采用組合法，以濟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上，選用巖溶含水層的水文地質參數計算水源地保護區范圍，再結合水文地質條件及地形地貌特征對保護區的邊界進行修正，得到最終的保護區邊界。

1 水源地概況

1.1 水源地基本情況

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

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 曹樓水源地區域地質簡圖

曹樓水源地位于長孝富水區，該區屬于魯中南中低山丘陵碳酸鹽巖為主的水文地質區、平陰-臨朐水文地質亞區、平陰單斜巖溶水系統，其西南部與舊縣單斜巖溶水系統相鄰，東北部與濟南單斜巖溶水系統相鄰(濟南泉域)。曹樓水源地所在的長孝水文地質單元具有以溶隙、溶孔為主及少量溶穴、管道組成的網絡型導水通道和蓄水體系，含水介質導水和富水程度，具有各向異性和不均一性，它們相對獨立，具有各自的水文地質條件。通過透水斷裂存在一定的水力聯系，根據水文地質條件，確定曹樓水源地為巖溶裂隙網絡型水源地。

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，地形較平坦，總體地勢南東高，北西低。根據濟南市長孝水源地曹樓井組階段性開采抽水試驗總結報告(1)陸書南，陳奐良.濟南市長孝水源地曹樓井組階段性開采抽水試驗總結報告，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，包括奧陶紀馬家溝群北庵莊組灰巖、豹皮灰巖裂隙巖溶含水亞組和寒武-奧陶紀九龍群三山子組微晶白云巖、細晶白云巖裂隙巖溶含水亞組2個含水亞組。

1.3 水源地補徑排條件

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

水源地主要補給來源主要為大氣降水入滲補給，第四系孔隙水滲透補給及南部徑流補給。地下水流向由南東向北西方向運動，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 水源地開發利用現狀

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巖及三山子組白云巖，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，供應濟南西客站附近的生活用水。

2 水源地保護區劃分方法

2.1 方法介紹

組合法是以水質量守恒為基礎，即水源地范圍內抽水量與補給量守恒。當含水層系統的自然狀態下的地下水流動強度高于因抽水導致的地下水流動強度時，含水層系統固有流動狀態占主導，此時保護區范圍呈橢圓；反之，當因抽水導致的地下水流動占主導時，保護區范圍近似呈圓形[1]。該方法適用于近似滿足以下條件的地下水水源地：含水層補給率和抽水率是不變的；區域地下水流場變化穩定；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徑流區，含水層系統固有的流通狀態占主導，因此其保護區范圍呈現橢圓形。《地下水源地保護區劃分方法與應用》提出了利用組合法確定地下水水源地保護區的步驟(圖2)，并提出了相應的計算公式(1)～(5)，本次利用公式初步計算水源地保護區的范圍。

圖2 保護區劃分過程圖

2.2 劃分過程

2.2.1 確定地下水流向

根據曹樓水源地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 確定保護區在低水頭方向的邊界及保護區的寬度

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

du/dd=Q/2πKib

(1)

w=Q/Kib

(2)

式中：du—保護區在高水頭方向的延伸距離(m);dd—保護區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，根據水源地抽水試驗數據計算得568.85m/d；i—平均水力梯度，根據等水位線圖確定為0.001；b—含水層厚度，取86.28m；w—保護區短軸最大寬度(m)。

由此計算得水源地保護區在高、低水頭方向的延伸距離比為44.62，保護區的短軸方向的最大寬度為280.24m。

2.2.3 計算水源地保護區的總面積

根據公式(3)計算水源地各級保護區的面積

A=tQ/bn

(3)

式中：A—以時間t為標準時的保護區總面積(m2)；t—給定的時間標準，一級保護區取100d，二級保護區取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。

計算得一級保護區面積為159416.203m2，二級保護區面積1594162.03m2。

1—巖溶水等水位線；2—巖溶水流向；3—統測點編號及水位標高(m)圖3 曹樓水源地枯水期等水位線圖

2.2.4 計算保護區的長軸長度

根據公式(4)計算保護區長軸長度，根據公式(5)及在高水頭和低水頭方向的延伸距離之比計算水源地長軸在高、低水頭方向的延伸距離。

w/2=A/(πd/2)

(4)

d=dd+du

(5)

式中：A—以時間t為標準時的保護區總面積(m2)；w—保護區短軸最大寬度，取280.24m；d—保護區長軸長度，一級保護區724.66m，二級保護區7246.6m；du—保護區向高水頭方向的延伸距離，一級保護區708.57m，二級保護區7085.7m；dd—保護區向低水頭方向的延伸距離，一級保護區15.88m，二級保護區158.8m。

2.2.5 確定橢圓形保護區范圍

以計算后的數值分別圈定2條主徑流帶方向橢圓形保護區的范圍，疊加后初步得到水源地保護區的范圍。

3 保護區范圍修正

在初步確定保護區的范圍后，根據地形地貌、地層、構造及水文地質條件對保護區的邊界進行修正。水源地一級保護區以開采井為中心，高水頭方向延伸距離為708.57m，低水頭方向延伸距離15.88m；二級保護區2條主徑流帶的保護范圍依據計算后的結果劃定，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。根據濟南市長孝水源地曹樓井組階段性開采抽水試驗總結報告，水源地在進行過開采性抽水試驗過程中，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給作用，因此本次將孝里鋪斷裂劃分至二級保護區范圍內，同時根據地表分水嶺對水源地南部二級保護區的界線進行調整，最終確定水源地保護區的邊界(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—隱伏端側阻水段；8—一級保護區界線；9—二級保護區界線圖4 曹樓水源地保護區劃分圖

4 結論

(1)水源地保護區劃分是加強水源地科學管理、改善水源地生態和衛生環境、保障飲用水水質安全的一項重要工作。巖溶水含水層具有不均質、各項異性的特點，因此對巖溶水型水源地的保護應具有更強的針對性。

(2)組合法考慮了水源地開采、水動力場對保護區的影響，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區以水源地地下水流場為基礎，加強了對主徑流帶的保護，同時減少不必要的保護，降低了保護成本。

(3)在全面了解水源地水文地質特征、地質地貌條件的基礎上，修正地下水水源地保護區范圍，可更好的實現地下水資源的保護。