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        滕州荊泉水源地水文地質(zhì)條件分析及防污性能評價

        2021-11-25 10:16:24孔凡杜李慶林王士路馬亞弟鄒雙英陳華飛
        山東國土資源 2021年11期
        關(guān)鍵詞:開采量單井水源地

        孔凡杜,李慶林,王士路,馬亞弟,鄒雙英,陳華飛

        (山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì),山東 青島 266500)

        0 引言

        水資源是人類生存和發(fā)展的基本要素,近些年,我國經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展,對水資源的需求量也不斷擴(kuò)大,隨著大量地下水資源的不合理開采,地下水污染日益加劇,嚴(yán)重影響地下水生態(tài)及供水安全,這就需要對地下水資源進(jìn)行科學(xué)的保護(hù)[1-4]。

        荊泉水源地位于滕州市市區(qū)東北約8.5km的俞寨村與后荊溝村之間,為滕州市城市最重要的供水水源地[5]。水源地始建于1974年,現(xiàn)有供水井16眼,井深130~200m,形成了輸水、配水8×104m3/d的配套能力,現(xiàn)狀供水量6.2×104m3/d,供水履蓋面積34km2,占城區(qū)規(guī)劃面積的90%,供水覆蓋人口30萬人。近年來隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,水源地及其上游補(bǔ)給區(qū)人類活動的增多,其地下水質(zhì)有逐漸變差的趨勢[6],歷史上也曾發(fā)生過地下水污染事故[7],因此查明水源地水文地質(zhì)條件、評價其防污性能,對開展水源地地下水保護(hù)、保障滕州市城區(qū)供水安全具有重要的意義[8]。

        1 地質(zhì)概況

        荊泉水源地地層區(qū)劃屬華北-柴達(dá)木地層大區(qū)華北地層區(qū)魯西地層分區(qū),本區(qū)地層不甚完整,北部丘陵區(qū)大面積分布新太古代泰山巖群變質(zhì)巖系及各期侵入巖,僅在局部山谷中分布少量的第四紀(jì)山前組地層,厚度一般小于4m。中部及南部山前沖積平原基本為第四系所覆蓋,主要為山前組、臨沂組和沂河組,厚度0~70m,自西往東逐漸增厚;第四系之下中部為奧陶紀(jì)馬家溝群地層,南部為元古代侵入巖。東南部丘陵山區(qū)出露奧陶紀(jì)馬家溝群、奧陶-寒武紀(jì)九龍群和長清群地層。

        2 水文地質(zhì)條件

        荊泉水源地以原魯南著名的巖溶大泉——荊泉命名[7],其泉域即水源地所在的水文地質(zhì)單元為滕縣東部丘陵谷地,該水文地質(zhì)單元包括滕州市的東北部、山亭區(qū)的西北部和鄒城市的東南部,面積約1054km2,荊泉水源地位于水文地質(zhì)單元西南部邊緣的秦林-俞寨富水地段的西南部。水文地質(zhì)單元及水源地水文地質(zhì)條件見圖1和圖2。

        松散層孔隙水單井涌水量:1—3000~5000m3/d;2—1000~3000m3/d;3—500~1000m3/d;4—<500m3/d;碳酸鹽巖裂隙巖溶水單井涌水量:5—<500m3/d;碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙水單井涌水量:6—<500m3/d;基巖裂隙水單井涌水量:7—<100m3/d;8—水庫;9—含水巖組界線;10—富水性分界線;11—地形等高線;12—河流;13—斷裂;14—推測斷裂;15—水源地;16—地下水流向圖1 滕縣東部丘陵谷地水文地質(zhì)圖

        松散層孔隙水單井涌水量:1—3000~5000m3/d;2—1000~3000m3/d;3—500~1000m3/d;4—<500m3/d;碳酸鹽巖裂隙巖溶水單井涌水量:5—<500m3/d(露頭型);6—>5000m3/d(隱伏型);7—1000~5000m3/d(隱伏型);8—500~1000m3/d(隱伏型);碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙水單井涌水量:9—<500m3/d;基巖裂隙水單井涌水量:10—<100m3/d;11—地層界線;12—孔隙水富水性分界線;13—含水巖組隱伏界線;14—地形等高線;15—河流;16—斷裂;17—隱伏斷裂;18—水源地;19—巖溶水隱伏富水性分界線;20—馬家溝群;21—三山子組;22—炒米店組;23—崮山組;24—張夏組;25—饅頭組;26—朱砂洞組;27—侵入巖圖2 荊泉水源地水文地質(zhì)圖

        2.1 主要含水巖組

        區(qū)內(nèi)主要的供水含水巖組為第四紀(jì)松散巖類孔隙含水巖組和奧陶-寒武紀(jì)碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組。

        其中第四紀(jì)松散巖類孔隙含水巖組主要分布于滕縣東部丘陵谷地水文地質(zhì)小區(qū)東南部的沖洪積平原內(nèi),北部及東部山前亦有零星分布。地層均為第四系,厚度0~70m。地下水主要賦存于各類砂層、砂礫石孔隙中,屬潛水或半承壓水性質(zhì)。主要富水地段在邵疃、西明—大寨一帶,單井涌水量在1000~3000m3/d。

        奧陶-寒武紀(jì)碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組由灰?guī)r及灰?guī)r夾頁巖組成。根據(jù)其巖性組合、裂隙巖溶發(fā)育的特征及地下水運(yùn)動條件,分為2個亞類:碳酸鹽巖裂隙巖溶含水巖組和碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙含水巖組。

        ①碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水亞組:該含水巖組主要包括寒武紀(jì)九龍群炒米店組、奧陶紀(jì)九龍群三山子組和馬家溝群灰?guī)r裂隙巖溶含水層。該亞組大部分隱伏于第四紀(jì)松散層之下,其埋藏深度由東向西逐漸增大,至龍陽附近70m左右。該亞組從東到西巖溶發(fā)育逐漸增強(qiáng),單井涌水量逐漸增大,在西南部俞寨—秦林一帶形成富水地段,單井涌水量大于5000m3/d,荊泉水源地及位于該富水地段內(nèi)。該含水層水質(zhì)良好,礦化度小于0.4g/L,屬低礦化度水,水化學(xué)類型屬HCO3-Ca型或HCO3-Ca·Mg型。

        ②碳酸鹽巖夾碎屑巖類裂隙巖溶含水亞組:含水層由長清群至九龍群崮山組組成,主要分布單元的南部和東部,并覆蓋于泰山巖群之上,構(gòu)成丘陵低山地形,巖溶發(fā)育程度較差,富水性較弱,單井涌水量小于500m3/d。地下水的埋藏及富水性隨地貌、巖性、構(gòu)造等條件的變化而出現(xiàn)較大差異。其巖溶裂隙多沿不同巖性界面及構(gòu)造帶附近發(fā)育,在構(gòu)造及地貌條件較有利部位,常有泉水出露[9];當(dāng)有垂直于地下水流向的斷層阻隔時,地下水因阻水富集,富水性可增強(qiáng)。該巖溶裂隙水水質(zhì)良好,礦化度0.5g/L左右,為HCO3-Ca型水。

        2.2 地下水運(yùn)動特征

        荊泉水源地位于滕縣東部丘陵谷地水文地質(zhì)單元地下水匯集與集中排泄區(qū),含水層為奧陶紀(jì)馬家溝群五陽山組灰?guī)r,巖溶地下水主要補(bǔ)給來源有大氣降水入滲、河水滲漏及灌溉水回滲三部分。

        大氣降水入滲補(bǔ)給范圍覆蓋全區(qū)。東北部碳酸鹽巖丘陵區(qū),降水沿碳酸鹽巖裂隙巖溶直接入滲補(bǔ)給地下水,其他地區(qū)通過第四間接入滲補(bǔ)給。城河?xùn)|西向穿越該區(qū),上游連接巖馬水庫,青石莊—城頭段河道灰?guī)r裸露,裂隙巖溶發(fā)育,豐水期地表徑流及平時水庫放水大量滲漏補(bǔ)給地下水。西南部變質(zhì)巖及部分灰?guī)r隱伏區(qū),風(fēng)化層及第四紀(jì)松散層具有透水性,灌溉水的回滲,對地下水起到補(bǔ)給作用;在城頭東部地區(qū),修建有連接巖馬水庫的引水灌渠,引水庫水進(jìn)行大水漫灌部分農(nóng)田,包氣帶截留后的余水入滲也對地下水產(chǎn)生補(bǔ)給。

        地下水排泄途徑主要為人工開采和側(cè)向徑流。人工開采活動分布整個碳酸鹽巖區(qū),大部分村莊均打有供水深井,人畜生活用水均取用地下水,農(nóng)田灌溉也開采地下水,集中取水以俞寨地段的荊泉水源地開采量最大。

        區(qū)內(nèi)地下水總體由北東往南西方向運(yùn)動。受地形地貌、地層構(gòu)造、巖溶發(fā)育及水動力條件等因素影響,不同區(qū)域徑流條件存在明顯差異。區(qū)內(nèi)枯水期與豐水期地下水流場基本一致,由于補(bǔ)給量減少和開采量增加,枯水期地下水水力梯度較豐水期大。

        3 水源地水文地質(zhì)條件多年變化特征

        3.1 地下水流場

        荊泉水源地的補(bǔ)給、徑流、排泄區(qū)流場分布自1992年以來發(fā)生了一定的變化,在地下水獲得補(bǔ)給量差別不大的情況下(1991年降水量870.5mm,2017年降水量828.5mm),水位埋深整體有所下降,埋深下降幅度在2~9m,大部分地段降幅在6m以上。這主要是因?yàn)殡S著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)用水量不斷增加而造成了開采量的增加(圖3)。從圖中可以看出地下水降幅較大的區(qū)域主要分布在東部東郭鎮(zhèn)—城頭鎮(zhèn)一帶,降幅較大的主要原因是該區(qū)域含水層富水性較弱。而水源地—大寨一帶,雖然地下含水層富水性較強(qiáng),但是此處地下水開采較為集中,開采量較大。

        1—斷裂;2—隱伏斷裂;3—水源地;4—水位降幅分區(qū)邊界圖3 荊泉水源地水位降幅圖

        3.2 地下水位

        荊泉水源地含水層為隱伏的奧陶紀(jì)灰?guī)r,裂隙巖溶水具有匯水面積大,徑流條件好,排泄集中的特點(diǎn)。除接受大氣降水入滲補(bǔ)給外,還接收其上游巖馬水庫放水的滲漏補(bǔ)給。因此,地下水水位動態(tài)除受大氣降水影響外,還受開采及水庫放水的影響。表現(xiàn)在每次大的降水過程后,水位明顯回升,然后緩慢下降,枯水季節(jié),如遇上游水庫放水灌溉農(nóng)田,地下水水位亦有較明顯回升。反映出該水源地地下水補(bǔ)給迅速,徑流快的特點(diǎn)。

        地下水水位多年動態(tài)主要與降水量、開采量的變化相關(guān)。該水源地自1975年建成投產(chǎn)以來,開采量基本保持穩(wěn)定,近年來受農(nóng)田灌溉及城市供水壓力的影響,水源地開采量有所增加。1986—1996年,開采量在小于允許開采量的前提下穩(wěn)步增加,由1.9萬m3/d增至7.8萬m3/d;1997—2005年開采量保持在8.2萬~8.7萬m3/d;2006—2010年開采量又降至5.5萬~5.8萬m3/d;2010—2015年逐漸增加到了8.6萬m3/d;2015年以后,開采量開始減小,減小至6.2萬m3/d。2013年以前地下水位基本保持在4.3~13.62m,僅有小幅振蕩;2014—2016年地下水位呈陡降趨勢,降幅在14.98m/a。2014年荊泉水源地首次發(fā)生巖溶塌陷(年最低水位埋深14.41m),2015年巖溶塌陷發(fā)生頻繁,共發(fā)生11次(年最低水位埋深26.86m),2016年出現(xiàn)多年水位最低值(年最低水位埋深37.57m),發(fā)生3次巖溶塌陷。2016年以后,在減采和降水豐沛的共同作用下,水位回升至6.64m,此后,荊泉水源地未發(fā)生巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害(地下水位埋深6.64~12.30m,圖4)。

        圖4 荊泉水源地多年水位、大氣降水及開采量動態(tài)曲線

        3.3 地下水水化學(xué)特征

        根據(jù)水源地1991—2017年水質(zhì)動態(tài)資料及本次采樣分析成果,多年來以HCO3-Ca型水為主,其中在2010年為HCO3-Ca·Mg型水、2013年為HCO3·SO4-Ca·Na型水、2014年為HCO3·SO4-Ca·Na型水。TDS多小于500mg/L,總硬度多小于300mg/L。

        地下水水質(zhì)多年動態(tài)表現(xiàn)為:1991—2017年水源地地下水各主要指標(biāo)有逐漸升高的趨勢,其中總硬度升高了0.80倍,礦化度升高了0.73倍,硫酸鹽升高了3.37倍,氯化物升高了2.00倍,硝酸鹽升高了1.41倍,鈣離子升高了0.80倍,鎂離子升高了0.78倍,鉀+鈉離子升高了1.08倍,說明地下水水質(zhì)有變差的趨勢(圖5)。

        荊泉水源地的補(bǔ)給、徑流區(qū)域,在1991年至今同樣有逐漸升高的趨勢(圖6、圖7)。通過對比1991年與2017年TDS等值線分布情況,在1991年時,只有東郭鎮(zhèn)駐地及桑村鎮(zhèn)駐地局部大于500mg/L,至2017年包括水源地在內(nèi)大部分區(qū)域大于500mg/L。

        4 地下水防污性能評價

        本次對地下水水源地防污性能評價采用點(diǎn)評分指數(shù)模型。首先選擇對地下水污染影響最明顯的地質(zhì)與水文地質(zhì)條件作為評價因子;第二,對各因子的評分范圍進(jìn)行劃分,各評分范圍給予不同的分值;第三,根據(jù)各種因子對地下水防污性能影響的大小給以不同的權(quán)重值,影響大的權(quán)重值大,反之則?。蛔詈蟀迅鲉我蜃拥脑u分值通過某種數(shù)學(xué)方式變?yōu)榱烤V為1的防污性能指數(shù),以防污性能指數(shù)的大小評價該地區(qū)地下水防污性能的好與差[10-13]。防污性能評價方法一般分為COP法和DRASTIC法[14-17],其中COP評價方法是歐洲科技領(lǐng)域研究合作組織(COST)第620號行動提出的“巖溶含水層保護(hù)的脆弱性與風(fēng)險填圖”歐洲評價法中的一種,主要基于徑流條件C(Concentration flow)、上覆巖層O(Overlying layers)和降水P(Precipitation)三大評價體系,用于評價巖溶含水層的本質(zhì)脆弱性。荊泉水源地以巖溶水為主,因此本次評價采用COP法。

        圖5 荊泉水源地水質(zhì)長期動態(tài)曲線

        1—TDS等值線;2—水源地圖6 1991年荊泉水源地TDS等值線圖

        1—TDS等值線;2—水源地圖7 2017年荊泉水源地TDS等值線圖

        4.1 COP法指標(biāo)體系及模型

        (1)上覆巖層因子O

        反映包氣帶的保護(hù)能力,可分為土壤(OS)和非飽和帶(OL)兩層。上覆巖層因子O=[OS]+[OL]。土壤層OS對地下水具有自凈處理功能,取值由土層質(zhì)地和厚度決定見表1。

        非飽和帶巖性指標(biāo)OL取3個參數(shù)對其進(jìn)行量化:巖性和裂隙(Iy)、厚度(m)、含水層承壓性(Cn)。OL值的獲得見公式1、公式2。

        表1 土壤參數(shù)OS取值表

        OL=LI·Cn

        (1)

        LI=[∑(Iy·m)]

        (2)

        式中:LI為巖層指標(biāo);Iy用于評價巖石類型和裂隙發(fā)育的級別評分;Cn為含水層賦存條件指標(biāo)評分;OL為非飽和帶巖性指標(biāo)。各指標(biāo)評分體系見表2,上覆巖層O因子分級見表3。

        表2 上覆巖層因子評分體系表

        表3 上覆巖層因子O分級表

        (2)匯流因子C

        參照非落水洞匯水范圍的評價方法對研究區(qū)徑流特征(C)進(jìn)行評價。植被條件、地形坡度、地表滲透性及裂隙發(fā)育程度是決定非落水洞匯水區(qū)內(nèi)徑流和滲透的主要因素。C因子評分計(jì)算式見公式3。裂隙巖溶發(fā)育程度Sf評分見表4,植被與坡度Sv的評分標(biāo)準(zhǔn)見表5。C因子保護(hù)能力分級見表6。

        C=Sf·Sv (3)

        表5 植被與坡度Sv的評分標(biāo)準(zhǔn)

        表6 C因子與保護(hù)能力分級表

        (3)大氣降水P因子

        主要反映降水特征,由多年平均降水量(PQ)和降水強(qiáng)度(Pi)2個次級因子來評估,P因子評分計(jì)算式見公式4。

        P=PQ+Pi

        (4)

        式中:Pi為年降水強(qiáng)度=年降水量/年降水天數(shù)。PQ、Pi評分取值見表7,P因子保護(hù)能力分級見表8。

        表7 大氣降水因子評分體系表

        表8 P因子與保護(hù)能力分級表

        4.2 防污性能分區(qū)

        根據(jù)前面的計(jì)算的上覆巖層因子O、匯流因子C、大氣降水因子P,將O因子、C因子、P因子分區(qū)圖利用MapGIS軟件進(jìn)行疊加,根據(jù)公式COP=C×O×P,計(jì)算COP指標(biāo)分值,根據(jù)分值區(qū)間進(jìn)行防污性能分級,繪制出地下水防污性能分區(qū)圖。COP指標(biāo)值0~0.5的區(qū)域劃分為“防污性能非常低”;COP指標(biāo)值0.5~1的區(qū)域劃分為“防污性能低”;COP指標(biāo)值1~2的區(qū)域劃分為“防污性能中等”;COP指標(biāo)值2~4的區(qū)域劃分為“防污性能高”;COP指標(biāo)值4~15的區(qū)域劃分為“防污性能非常高”[18-20]。評價結(jié)果見圖8,從圖中可以看出地下水防污性能高的區(qū)域位于水文地質(zhì)單元北部巖漿巖變質(zhì)巖山區(qū),這些地區(qū)大面積分布巖漿巖,巖石滲透性能差,不容易受到污染;防污性能中等地區(qū)主要分布于水文地質(zhì)單元的南部山區(qū)沖洪積平原,這些地區(qū)基本為第四系覆蓋,厚度大于0.5m;地下水防污性能低區(qū)位于水文地質(zhì)單元的東南部碳酸鹽巖山區(qū)及其山麓一帶,這些地段第四系厚度較薄,厚度小于0.5m,巖性以砂土為主,巖溶地下水可直接受到大氣降水和地表水的影響,容易受到污染。

        1—防污性能高區(qū);2—防污性能中等區(qū);3—防污性能非常低區(qū);4—防污性能分區(qū)邊界;5—地形等高線;6—水系;7—水源地圖8 荊泉水源地防污性能分區(qū)圖

        5 結(jié)論

        (1)荊泉水源地地下水資源豐富,主要供水含水層為奧陶紀(jì)灰?guī)r巖溶含水層,單井涌水量在10000m3/d以上。

        (2)巖溶地下水主要補(bǔ)給來源有大氣降水入滲、河水滲漏及灌溉水回滲三部分;地下水排泄途徑主要為人工開采和側(cè)向徑流;區(qū)內(nèi)地下水總體由北東往南西方向運(yùn)動。地下水水位多年動態(tài)主要與降水量、開采量的變化相關(guān)。

        (3)地下水水質(zhì)多年動態(tài)表現(xiàn)為水源地地下水各主要指標(biāo)有逐漸升高的趨勢,地下水水質(zhì)有變差的趨勢。

        (4)地下水防污性能高的區(qū)域位于水文地質(zhì)單元北部巖漿巖變質(zhì)巖山區(qū),防污性能中等地區(qū)主要分布于水文地質(zhì)單元的南部山區(qū)沖洪積平原,防污性能低區(qū)位于水文地質(zhì)單元的東南部碳酸鹽巖山區(qū)及其山麓一帶。

        (5)加強(qiáng)水源地及其周邊地下水位、水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測工作,區(qū)域布置上應(yīng)對地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件進(jìn)行控制。由于該地區(qū)巖溶塌陷較為嚴(yán)重,地下水動態(tài)監(jiān)測工作還應(yīng)兼顧巖溶塌陷的監(jiān)測和預(yù)警工作,形成地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

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