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(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，對(duì)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(kāi)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(duì)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(wàn)人。近年來(lái)隨著國(guó)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(dòng)的增多，其地下水質(zhì)有逐漸變差的趨勢(shì)[6]，歷史上也曾發(fā)生過(guò)地下水污染事故[7]，因此查明水源地水文地質(zhì)條件、評(píng)價(jià)其防污性能，對(duì)開(kāi)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(zhǎng)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(jiàn)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(kù)；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(cè)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(yè)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(dòng)條件，分為2個(gè)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(yáng)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(zhǎng)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(shí)，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(dòng)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(yáng)山組灰?guī)r，巖溶地下水主要補(bǔ)給來(lái)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(guò)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(kù)，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(shí)水庫(kù)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(duì)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(kù)的引水灌渠，引水庫(kù)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(duì)地下水產(chǎn)生補(bǔ)給。

地下水排泄途徑主要為人工開(kāi)采和側(cè)向徑流。人工開(kāi)采活動(dòng)分布整個(gè)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(kāi)采地下水，集中取水以俞寨地段的荊泉水源地開(kāi)采量最大。

區(qū)內(nèi)地下水總體由北東往南西方向運(yùn)動(dòng)。受地形地貌、地層構(gòu)造、巖溶發(fā)育及水動(dòng)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(chǎng)基本一致，由于補(bǔ)給量減少和開(kāi)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(chǎng)

荊泉水源地的補(bǔ)給、徑流、排泄區(qū)流場(chǎng)分布自1992年以來(lái)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(kāi)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(kāi)采較為集中，開(kāi)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(kù)放水的滲漏補(bǔ)給。因此，地下水水位動(dòng)態(tài)除受大氣降水影響外，還受開(kāi)采及水庫(kù)放水的影響。表現(xiàn)在每次大的降水過(guò)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(kù)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(dòng)態(tài)主要與降水量、開(kāi)采量的變化相關(guān)。該水源地自1975年建成投產(chǎn)以來(lái)，開(kāi)采量基本保持穩(wěn)定，近年來(lái)受農(nóng)田灌溉及城市供水壓力的影響，水源地開(kāi)采量有所增加。1986—1996年，開(kāi)采量在小于允許開(kāi)采量的前提下穩(wěn)步增加，由1.9萬(wàn)m3/d增至7.8萬(wàn)m3/d；1997—2005年開(kāi)采量保持在8.2萬(wàn)～8.7萬(wàn)m3/d；2006—2010年開(kāi)采量又降至5.5萬(wàn)～5.8萬(wàn)m3/d；2010—2015年逐漸增加到了8.6萬(wàn)m3/d；2015年以后，開(kāi)采量開(kāi)始減小，減小至6.2萬(wàn)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(shì)，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(kāi)采量動(dòng)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(dòng)態(tài)資料及本次采樣分析成果，多年來(lái)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(dòng)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(shì)，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(shuō)明地下水水質(zhì)有變差的趨勢(shì)(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(shì)(圖6、圖7)。通過(guò)對(duì)比1991年與2017年TDS等值線分布情況，在1991年時(shí)，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(píng)價(jià)

本次對(duì)地下水水源地防污性能評(píng)價(jià)采用點(diǎn)評(píng)分指數(shù)模型。首先選擇對(duì)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(píng)價(jià)因子；第二，對(duì)各因子的評(píng)分范圍進(jìn)行劃分，各評(píng)分范圍給予不同的分值；第三，根據(jù)各種因子對(duì)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??；最后把各單因子的評(píng)分值通過(guò)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(píng)價(jià)該地區(qū)地下水防污性能的好與差[10-13]。防污性能評(píng)價(jià)方法一般分為COP法和DRASTIC法[14-17]，其中COP評(píng)價(jià)方法是歐洲科技領(lǐng)域研究合作組織(COST)第620號(hào)行動(dòng)提出的“巖溶含水層保護(hù)的脆弱性與風(fēng)險(xiǎn)填圖”歐洲評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)體系，用于評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)采用COP法。

圖5 荊泉水源地水質(zhì)長(zhǎng)期動(dòng)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(duì)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(jiàn)表1。

非飽和帶巖性指標(biāo)OL取3個(gè)參數(shù)對(duì)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(jiàn)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(píng)價(jià)巖石類型和裂隙發(fā)育的級(jí)別評(píng)分；Cn為含水層賦存條件指標(biāo)評(píng)分；OL為非飽和帶巖性指標(biāo)。各指標(biāo)評(píng)分體系見(jiàn)表2，上覆巖層O因子分級(jí)見(jiàn)表3。

表2 上覆巖層因子評(píng)分體系表

表3 上覆巖層因子O分級(jí)表

(2)匯流因子C

參照非落水洞匯水范圍的評(píng)價(jià)方法對(duì)研究區(qū)徑流特征(C)進(jìn)行評(píng)價(jià)。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(píng)分計(jì)算式見(jiàn)公式3。裂隙巖溶發(fā)育程度Sf評(píng)分見(jiàn)表4，植被與坡度Sv的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。C因子保護(hù)能力分級(jí)見(jiàn)表6。

C=Sf·Sv (3)

表5 植被與坡度Sv的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

表6 C因子與保護(hù)能力分級(jí)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(gè)次級(jí)因子來(lái)評(píng)估，P因子評(píng)分計(jì)算式見(jiàn)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(píng)分取值見(jiàn)表7，P因子保護(hù)能力分級(jí)見(jiàn)表8。

表7 大氣降水因子評(píng)分體系表

表8 P因子與保護(hù)能力分級(jí)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(jí)，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(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)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(lái)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(kāi)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(dòng)。地下水水位多年動(dòng)態(tài)主要與降水量、開(kāi)采量的變化相關(guān)。

(3)地下水水質(zhì)多年動(dòng)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(shì)，地下水水質(zhì)有變差的趨勢(shì)。

(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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作，區(qū)域布置上應(yīng)對(duì)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作還應(yīng)兼顧巖溶塌陷的監(jiān)測(cè)和預(yù)警工作，形成地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。