地下水水源地重點(diǎn)補(bǔ)給地段保護(hù)區(qū)劃分研究
——以玉符河流域?yàn)槔?/h1>
2021-03-29 02:04:16李傳磊剛什婷陳奐良劉春偉
地下水 2021年1期
李傳磊，賈 濤，剛什婷，陳奐良，劉春偉
(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)/山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省地下水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250014)
濟(jì)南市不僅以泉城聞名于世，而且具有獨(dú)特的地下水優(yōu)勢[1]。濟(jì)南巖溶水源地因其良好的水質(zhì)和豐富的水資源量，是濟(jì)南市工業(yè)農(nóng)業(yè)、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(lián)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地下水資源污染和生態(tài)環(huán)境的破壞逐漸成為制約社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素。水源保護(hù)區(qū)科學(xué)劃分是水源地環(huán)境管理的重要手段，也是飲水安全的重要一環(huán)[4]。為保障飲用水安全，2018年生態(tài)環(huán)境部出臺了《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ 338-2018 )(以下簡稱《規(guī)范》)[5]，進(jìn)一步規(guī)范了水源地的管理，尤其是對保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)方法進(jìn)行了規(guī)定。
以玉符河流域地下水水源地為研究區(qū)，在分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》技術(shù)要求，采用經(jīng)驗(yàn)公式法對水源地保護(hù)區(qū)進(jìn)行了研究。
1 流域概況
1.1 地形地貌及水文地質(zhì)條件
玉符河流域位于濟(jì)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(fā)源于濟(jì)南南部泰山北麓的長城嶺，主要流經(jīng)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(yán)重，是巖溶水的重要補(bǔ)給來源之一。由于玉符河上游修建數(shù)座大小不等水庫，攔截地表徑流，加上水庫水向市區(qū)供水，目前玉符河催馬以下河段基本常年斷流，為季節(jié)性河流，巖溶水的補(bǔ)給量大大減少。
玉符河流域自南向北出露泰山群變質(zhì)巖、寒武紀(jì)灰?guī)r、白云巖、頁巖，奧陶紀(jì)灰?guī)r，石炭紀(jì)砂巖、泥巖、煤，第四紀(jì)松散層[6]。按照地下水補(bǔ)、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(gòu)造主要為炒米店斷裂，寒武奧陶紀(jì)灰?guī)r為可溶性巖石，受該斷裂構(gòu)造的影響，灰?guī)r地下巖溶裂隙發(fā)育很好，為地下水的賦存，提供了空間，北部不透水巖層-濟(jì)南巖體、石炭紀(jì)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(qū) 2.巖溶水補(bǔ)給區(qū) 3.煤系地層阻水區(qū) 4.巖漿巖阻水區(qū) 5.變質(zhì)巖分布區(qū) 6.透水?dāng)嗔?7.隔水?dāng)嗔?8.阻水?dāng)嗔?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(diǎn) 15.巖溶水流向 16.水源地及編號
1.2 富水機(jī)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(chǔ)；巨厚層的可溶性灰?guī)r的存在，及斷裂構(gòu)造的發(fā)育使得下游灰?guī)r的巖溶裂隙發(fā)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(bǔ)給來的地下水沿裂隙通道向北部徑流運(yùn)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?guī)r 4.白云巖 5.頁巖夾薄層灰?guī)r 6.泥灰?guī)r 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(xiàn)狀
2.1 地下水水源地現(xiàn)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(gè)水源地。峨嵋山、大楊、臘山3處水源地，共有供水機(jī)組35臺，設(shè)計(jì)供水能力27.7萬 m3/d。古城水源地供水井11眼，設(shè)計(jì)供水能力9.5萬 m3/d。古城、峨眉、大楊、臘山水源地原是濟(jì)南西部主要的原水供應(yīng)水源，目前，主要作為濟(jì)南后備水源，長期對供水設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)，以備不時(shí)之需。
2.2 地下水源地水質(zhì)評價(jià)
根據(jù)收集峨眉山水廠水質(zhì)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(xué)指標(biāo)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(wěn)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(jì)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(xué)變化趨勢而言，峨嵋山水廠水化學(xué)各項(xiàng)指標(biāo)1962年至1982年間相對穩(wěn)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(qū)和直接補(bǔ)給區(qū)人類活動強(qiáng)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(dǎo)致水質(zhì)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?qū)儆跐?jì)南趵突泉泉域的一部分，屬于巖溶水系統(tǒng)。巖溶水的主要補(bǔ)給來源有二：(1)碳酸鹽直接裸露地表的地區(qū)直接接受大氣降水的補(bǔ)給，(2)河谷滲漏段的集中滲入補(bǔ)給量。流域南部出露泰山巖群變質(zhì)巖，及寒武紀(jì)灰?guī)r、灰?guī)r夾頁巖，是地下水的間接補(bǔ)給區(qū)。流域北部及玉符河南部河床為灰?guī)r裸露及淺埋區(qū)，是地下水的直接補(bǔ)給區(qū)。
3.1.1 降水補(bǔ)給
流域直接補(bǔ)給區(qū)面積為111.7 km2，按照多年平均降水量647 mm,降水入滲系數(shù)0.39計(jì)算，按照以下公式計(jì)算：
Q=P×F×α
(1)
式中：Q為降水補(bǔ)給量，P為多年平均降水量，F(xiàn)為補(bǔ)給區(qū)面積，α為降水入滲系數(shù)，經(jīng)計(jì)算大氣降水補(bǔ)給量為7.72萬 m3/d。
3.1.2 入滲補(bǔ)給
2002年3月濟(jì)南市水利局利用臥虎山水庫放水，在玉符河進(jìn)行放水回灌試驗(yàn)，3月12日21時(shí)放水，至3月27日17時(shí)停止，放水時(shí)間15 d，共計(jì)放水量800萬 m3。通過對外圍地下水動態(tài)觀測發(fā)現(xiàn)西郊巖溶水對回灌補(bǔ)源反映明顯，見圖4～圖6。
圖4 回灌試驗(yàn)工程布置及擴(kuò)展速率計(jì)算分區(qū)圖
圖5 KD4與J97號孔地下水動態(tài)曲線(2002.3.1-4.6)
圖6 KB4與J92號孔地下水動態(tài)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(yàn)初期，西郊巖溶水水位呈現(xiàn)持續(xù)下降，降幅在1.5～2.8 cm/d之間。隨著放水時(shí)間延續(xù)，自3月17日開始部分巖溶水水位出現(xiàn)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(jīng)直接補(bǔ)給區(qū)。至3月20日，西郊玉符河兩岸巖溶水觀測孔均出現(xiàn)上升趨勢(見表1)。從日均升幅和累計(jì)升幅可以看出，本次玉符河回灌試驗(yàn)巖溶水日均升幅在1.5～5.9 cm/d,不考慮試驗(yàn)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(nèi)影響最大，斷裂帶兩側(cè)影響逐漸減小見圖7。
圖7 回灌試驗(yàn)玉符河縱向回形速率柱形圖
通過放水回灌試驗(yàn)，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?guī)r 4.白云巖 5頁巖夾薄層灰?guī)r 6.泥灰?guī)r 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(jù)玉符河流域巖溶水補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)給巖溶水，污染物滲入巖溶水的速度快，是該地區(qū)巖溶水的主要污染途徑。
3.2 帶狀側(cè)向滲漏污染
根據(jù)收集地質(zhì)鉆孔資料，寨而頭-崔馬南地段，地層結(jié)構(gòu)為二元結(jié)構(gòu)，上部為第四系卵礫石層，下部為張夏組灰?guī)r，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(shí)間內(nèi)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(bǔ)給速度變緩，其滲漏量也就相應(yīng)的減小,估算滲漏量約40萬 m3/d。根據(jù)2014年生態(tài)補(bǔ)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(bǔ)給巖溶地下水，補(bǔ)給量約為：13.29萬 m3/d。
河道底部多基巖裸露，溶蝕裂隙強(qiáng)烈發(fā)育，不僅為河流水體側(cè)向滲漏補(bǔ)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(hù)區(qū)劃分技術(shù)
4.1 劃分方法
2018年3月12日，國家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布了《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ 338-2018)，2018年7月1日開始實(shí)施。地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分常用方法主要有三種，主要有：經(jīng)驗(yàn)值法[8-9]、經(jīng)驗(yàn)公式[10]和數(shù)值模擬法[11-12]，根據(jù)不同水源地的水文地質(zhì)條件和水源地規(guī)模選擇不同的保護(hù)區(qū)劃分方法。
本次地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分主要以《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ 338-2018)為依據(jù)。根據(jù)玉符河流域特殊地質(zhì)情況采用經(jīng)驗(yàn)公式確定保護(hù)區(qū)半徑。然后再與規(guī)范提供的保護(hù)區(qū)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)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(hù)區(qū)范圍。
4.2 保護(hù)區(qū)劃分
4.2.1 一級保護(hù)區(qū)劃分
現(xiàn)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(hù)區(qū)作為承壓水型水源地的一級保護(hù)區(qū)。根據(jù)技術(shù)規(guī)范對于孔隙水潛水型的大型水源地仍采用公式計(jì)算法，方法同中小型水源地。
R=α×K×I×T/n
(2)
式中：R為保護(hù)區(qū)半徑，m；為安全系數(shù)(為了安全起見，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)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(kuò)大)；K為含水層滲透系數(shù)，m/d ；為水力坡度(為漏斗范圍內(nèi)的水力平均坡度)；T為污染物水平遷移時(shí)間，d，n為有效孔隙度。水源地取水井附近，第四系為多層結(jié)構(gòu)，其厚度一般為40～160 m，在河床內(nèi)存在厚度較大的粘土層，隔水性較好，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其滲透系數(shù)為1.08×10-6cm/s，為極微透水，其包氣帶防污能力強(qiáng)，通過計(jì)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(yīng)劃為一級保護(hù)區(qū)。
4.2.2 二級保護(hù)區(qū)劃分
現(xiàn)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(shè)二級保護(hù)區(qū)。
4.2.3 準(zhǔn)保護(hù)區(qū)劃分
考慮趵突泉巖溶水系統(tǒng)補(bǔ)給、徑流、排泄系統(tǒng)的特殊性，玉符河重點(diǎn)滲漏地段作為地下水水源地的補(bǔ)給區(qū)，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(qū)飲用水水源，恢復(fù)治理也是一個(gè)艱巨的過程，甚至造成不可逆轉(zhuǎn)的危害。因此本次地下水水源保護(hù)區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)保護(hù)區(qū)劃分。
水源地補(bǔ)給區(qū)玉符河重點(diǎn)滲漏地段水庫大壩-殷家林河段，地層結(jié)構(gòu)為“二元結(jié)構(gòu)”，上部為第四紀(jì)松散層，下部為基巖-灰?guī)r(見圖9)。第四紀(jì)地層為單層及雙層結(jié)構(gòu)，其厚度一般為為1～40 m，在河床內(nèi)上部主要為卵礫石層，透水性較好，第四系與灰?guī)r含水層水力聯(lián)系較好，滲漏量較大。根據(jù)2014年在催馬莊玉符河河道滲透試驗(yàn)：卵礫石混粘土的滲透系數(shù)為10.72 m/d(合1.24×10-2cm/s)，為強(qiáng)透水段，包氣帶防污性能弱。由于該地段為水源地補(bǔ)給區(qū)重要滲漏地段，應(yīng)劃為準(zhǔn)保護(hù)區(qū)。
圖9 催馬莊西側(cè)玉符河垂直河道剖面圖
根據(jù)巖溶地下水水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性、水環(huán)境的敏感程度、地層包氣帶的防污性能及水質(zhì)現(xiàn)狀，認(rèn)為：水源地補(bǔ)給區(qū)重點(diǎn)滲漏段與取水地段同等重要，也應(yīng)該劃為一級保護(hù)區(qū)，并按照有關(guān)保護(hù)措施依法進(jìn)行保護(hù)。
5 結(jié)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(gè)水源地，是濟(jì)南市應(yīng)急供水備用水源地，根據(jù)《飲用水水源地保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(中華人民共和國環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ/T338-2007)要求，其取水地段水廠院子范圍應(yīng)劃為一級保護(hù)區(qū)，并采取相應(yīng)措施進(jìn)行保護(hù)。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(shí)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(yīng)劃分為準(zhǔn)保護(hù)區(qū)，但是水源地水質(zhì)的優(yōu)劣與補(bǔ)給區(qū)來水水質(zhì)關(guān)系更為密切，因此該水源地的重點(diǎn)補(bǔ)給地段與水源地取水地段同等重要，應(yīng)按照一級保護(hù)區(qū)劃定范圍并進(jìn)行保護(hù)。
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玉符河流域位于濟(jì)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(fā)源于濟(jì)南南部泰山北麓的長城嶺，主要流經(jīng)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(yán)重，是巖溶水的重要補(bǔ)給來源之一。由于玉符河上游修建數(shù)座大小不等水庫，攔截地表徑流，加上水庫水向市區(qū)供水，目前玉符河催馬以下河段基本常年斷流，為季節(jié)性河流，巖溶水的補(bǔ)給量大大減少。
玉符河流域自南向北出露泰山群變質(zhì)巖、寒武紀(jì)灰?guī)r、白云巖、頁巖，奧陶紀(jì)灰?guī)r，石炭紀(jì)砂巖、泥巖、煤，第四紀(jì)松散層[6]。按照地下水補(bǔ)、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(gòu)造主要為炒米店斷裂，寒武奧陶紀(jì)灰?guī)r為可溶性巖石，受該斷裂構(gòu)造的影響，灰?guī)r地下巖溶裂隙發(fā)育很好，為地下水的賦存，提供了空間，北部不透水巖層-濟(jì)南巖體、石炭紀(jì)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(qū) 2.巖溶水補(bǔ)給區(qū) 3.煤系地層阻水區(qū) 4.巖漿巖阻水區(qū) 5.變質(zhì)巖分布區(qū) 6.透水?dāng)嗔?7.隔水?dāng)嗔?8.阻水?dāng)嗔?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(diǎn) 15.巖溶水流向 16.水源地及編號
1.2 富水機(jī)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(chǔ)；巨厚層的可溶性灰?guī)r的存在，及斷裂構(gòu)造的發(fā)育使得下游灰?guī)r的巖溶裂隙發(fā)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(bǔ)給來的地下水沿裂隙通道向北部徑流運(yùn)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?guī)r 4.白云巖 5.頁巖夾薄層灰?guī)r 6.泥灰?guī)r 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(xiàn)狀
2.1 地下水水源地現(xiàn)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(gè)水源地。峨嵋山、大楊、臘山3處水源地，共有供水機(jī)組35臺，設(shè)計(jì)供水能力27.7萬 m3/d。古城水源地供水井11眼，設(shè)計(jì)供水能力9.5萬 m3/d。古城、峨眉、大楊、臘山水源地原是濟(jì)南西部主要的原水供應(yīng)水源，目前，主要作為濟(jì)南后備水源，長期對供水設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)，以備不時(shí)之需。
2.2 地下水源地水質(zhì)評價(jià)
根據(jù)收集峨眉山水廠水質(zhì)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(xué)指標(biāo)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(wěn)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(jì)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(xué)變化趨勢而言，峨嵋山水廠水化學(xué)各項(xiàng)指標(biāo)1962年至1982年間相對穩(wěn)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(qū)和直接補(bǔ)給區(qū)人類活動強(qiáng)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(dǎo)致水質(zhì)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?qū)儆跐?jì)南趵突泉泉域的一部分，屬于巖溶水系統(tǒng)。巖溶水的主要補(bǔ)給來源有二：(1)碳酸鹽直接裸露地表的地區(qū)直接接受大氣降水的補(bǔ)給，(2)河谷滲漏段的集中滲入補(bǔ)給量。流域南部出露泰山巖群變質(zhì)巖，及寒武紀(jì)灰?guī)r、灰?guī)r夾頁巖，是地下水的間接補(bǔ)給區(qū)。流域北部及玉符河南部河床為灰?guī)r裸露及淺埋區(qū)，是地下水的直接補(bǔ)給區(qū)。
3.1.1 降水補(bǔ)給
流域直接補(bǔ)給區(qū)面積為111.7 km2，按照多年平均降水量647 mm,降水入滲系數(shù)0.39計(jì)算，按照以下公式計(jì)算：
Q=P×F×α
(1)
式中：Q為降水補(bǔ)給量，P為多年平均降水量，F(xiàn)為補(bǔ)給區(qū)面積，α為降水入滲系數(shù)，經(jīng)計(jì)算大氣降水補(bǔ)給量為7.72萬 m3/d。
3.1.2 入滲補(bǔ)給
2002年3月濟(jì)南市水利局利用臥虎山水庫放水，在玉符河進(jìn)行放水回灌試驗(yàn)，3月12日21時(shí)放水，至3月27日17時(shí)停止，放水時(shí)間15 d，共計(jì)放水量800萬 m3。通過對外圍地下水動態(tài)觀測發(fā)現(xiàn)西郊巖溶水對回灌補(bǔ)源反映明顯，見圖4～圖6。
圖4 回灌試驗(yàn)工程布置及擴(kuò)展速率計(jì)算分區(qū)圖
圖5 KD4與J97號孔地下水動態(tài)曲線(2002.3.1-4.6)
圖6 KB4與J92號孔地下水動態(tài)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(yàn)初期，西郊巖溶水水位呈現(xiàn)持續(xù)下降，降幅在1.5～2.8 cm/d之間。隨著放水時(shí)間延續(xù)，自3月17日開始部分巖溶水水位出現(xiàn)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(jīng)直接補(bǔ)給區(qū)。至3月20日，西郊玉符河兩岸巖溶水觀測孔均出現(xiàn)上升趨勢(見表1)。從日均升幅和累計(jì)升幅可以看出，本次玉符河回灌試驗(yàn)巖溶水日均升幅在1.5～5.9 cm/d,不考慮試驗(yàn)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(nèi)影響最大，斷裂帶兩側(cè)影響逐漸減小見圖7。
圖7 回灌試驗(yàn)玉符河縱向回形速率柱形圖
通過放水回灌試驗(yàn)，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?guī)r 4.白云巖 5頁巖夾薄層灰?guī)r 6.泥灰?guī)r 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(jù)玉符河流域巖溶水補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)給巖溶水，污染物滲入巖溶水的速度快，是該地區(qū)巖溶水的主要污染途徑。
3.2 帶狀側(cè)向滲漏污染
根據(jù)收集地質(zhì)鉆孔資料，寨而頭-崔馬南地段，地層結(jié)構(gòu)為二元結(jié)構(gòu)，上部為第四系卵礫石層，下部為張夏組灰?guī)r，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(shí)間內(nèi)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(bǔ)給速度變緩，其滲漏量也就相應(yīng)的減小,估算滲漏量約40萬 m3/d。根據(jù)2014年生態(tài)補(bǔ)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(bǔ)給巖溶地下水，補(bǔ)給量約為：13.29萬 m3/d。
河道底部多基巖裸露，溶蝕裂隙強(qiáng)烈發(fā)育，不僅為河流水體側(cè)向滲漏補(bǔ)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(hù)區(qū)劃分技術(shù)
4.1 劃分方法
2018年3月12日，國家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布了《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ 338-2018)，2018年7月1日開始實(shí)施。地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分常用方法主要有三種，主要有：經(jīng)驗(yàn)值法[8-9]、經(jīng)驗(yàn)公式[10]和數(shù)值模擬法[11-12]，根據(jù)不同水源地的水文地質(zhì)條件和水源地規(guī)模選擇不同的保護(hù)區(qū)劃分方法。
本次地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分主要以《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ 338-2018)為依據(jù)。根據(jù)玉符河流域特殊地質(zhì)情況采用經(jīng)驗(yàn)公式確定保護(hù)區(qū)半徑。然后再與規(guī)范提供的保護(hù)區(qū)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)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(hù)區(qū)范圍。
4.2 保護(hù)區(qū)劃分
4.2.1 一級保護(hù)區(qū)劃分
現(xiàn)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(hù)區(qū)作為承壓水型水源地的一級保護(hù)區(qū)。根據(jù)技術(shù)規(guī)范對于孔隙水潛水型的大型水源地仍采用公式計(jì)算法，方法同中小型水源地。
R=α×K×I×T/n
(2)
式中：R為保護(hù)區(qū)半徑，m；為安全系數(shù)(為了安全起見，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)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(kuò)大)；K為含水層滲透系數(shù)，m/d ；為水力坡度(為漏斗范圍內(nèi)的水力平均坡度)；T為污染物水平遷移時(shí)間，d，n為有效孔隙度。水源地取水井附近，第四系為多層結(jié)構(gòu)，其厚度一般為40～160 m，在河床內(nèi)存在厚度較大的粘土層，隔水性較好，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其滲透系數(shù)為1.08×10-6cm/s，為極微透水，其包氣帶防污能力強(qiáng)，通過計(jì)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(yīng)劃為一級保護(hù)區(qū)。
4.2.2 二級保護(hù)區(qū)劃分
現(xiàn)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(shè)二級保護(hù)區(qū)。
4.2.3 準(zhǔn)保護(hù)區(qū)劃分
考慮趵突泉巖溶水系統(tǒng)補(bǔ)給、徑流、排泄系統(tǒng)的特殊性，玉符河重點(diǎn)滲漏地段作為地下水水源地的補(bǔ)給區(qū)，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(qū)飲用水水源，恢復(fù)治理也是一個(gè)艱巨的過程，甚至造成不可逆轉(zhuǎn)的危害。因此本次地下水水源保護(hù)區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)保護(hù)區(qū)劃分。
水源地補(bǔ)給區(qū)玉符河重點(diǎn)滲漏地段水庫大壩-殷家林河段，地層結(jié)構(gòu)為“二元結(jié)構(gòu)”，上部為第四紀(jì)松散層，下部為基巖-灰?guī)r(見圖9)。第四紀(jì)地層為單層及雙層結(jié)構(gòu)，其厚度一般為為1～40 m，在河床內(nèi)上部主要為卵礫石層，透水性較好，第四系與灰?guī)r含水層水力聯(lián)系較好，滲漏量較大。根據(jù)2014年在催馬莊玉符河河道滲透試驗(yàn)：卵礫石混粘土的滲透系數(shù)為10.72 m/d(合1.24×10-2cm/s)，為強(qiáng)透水段，包氣帶防污性能弱。由于該地段為水源地補(bǔ)給區(qū)重要滲漏地段，應(yīng)劃為準(zhǔn)保護(hù)區(qū)。
圖9 催馬莊西側(cè)玉符河垂直河道剖面圖
根據(jù)巖溶地下水水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性、水環(huán)境的敏感程度、地層包氣帶的防污性能及水質(zhì)現(xiàn)狀，認(rèn)為：水源地補(bǔ)給區(qū)重點(diǎn)滲漏段與取水地段同等重要，也應(yīng)該劃為一級保護(hù)區(qū)，并按照有關(guān)保護(hù)措施依法進(jìn)行保護(hù)。
5 結(jié)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(gè)水源地，是濟(jì)南市應(yīng)急供水備用水源地，根據(jù)《飲用水水源地保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(中華人民共和國環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ/T338-2007)要求，其取水地段水廠院子范圍應(yīng)劃為一級保護(hù)區(qū)，并采取相應(yīng)措施進(jìn)行保護(hù)。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(shí)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(yīng)劃分為準(zhǔn)保護(hù)區(qū)，但是水源地水質(zhì)的優(yōu)劣與補(bǔ)給區(qū)來水水質(zhì)關(guān)系更為密切，因此該水源地的重點(diǎn)補(bǔ)給地段與水源地取水地段同等重要，應(yīng)按照一級保護(hù)區(qū)劃定范圍并進(jìn)行保護(hù)。
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