莫美仙, 劉燕華, 王 娜, 邱文龍, 賀皎皎

(1.玉溪師范學(xué)院 地理與國(guó)土工程學(xué)院,云南 玉溪 653100;2.云南省有色地質(zhì)局三一三隊(duì),云南 玉溪 653100)

0 引言

巖溶地區(qū)具有典型的地上、地下雙層結(jié)構(gòu)[1]。地表巖溶發(fā)育,降水很容易入滲地下,巖溶水主要以大泉、暗河的形式排泄,地下河水力坡度大,動(dòng)態(tài)變化極不穩(wěn)定,地表水與地下水轉(zhuǎn)化頻繁,除大江大河外,地表水文網(wǎng)發(fā)育差,無(wú)完整的地表水體系,地表水缺乏,但地下水資源總量豐富[2]。因此,巖溶地下水是巖溶石山地區(qū)重要的水源。

由于巖溶水具有地上、地下雙層結(jié)構(gòu),水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,地下水的防污性能較差。為保證用水安全,建立地下水水源地保護(hù)區(qū)是可靠、有效的方法和手段[3-8]。巖溶山區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜,補(bǔ)給區(qū)碳酸鹽巖大面積裸露,巖溶發(fā)育,地表洼地、落水洞、豎井發(fā)育,地表水可通過(guò)落水洞、豎井等以灌入式補(bǔ)給巖溶地下水或者暗河系統(tǒng),從而導(dǎo)致巖溶地下水受到污染。在研究水源地保護(hù)區(qū)劃分時(shí),如何兼顧大片裸露補(bǔ)給區(qū)的防護(hù)是值得研究的。已有學(xué)者采用多種方法組合來(lái)進(jìn)行水源地護(hù)區(qū)的劃分,均取得良好的效果[7-11]。

盤(pán)溪大龍?zhí)?又名七犀潭)位于云南省玉溪市華寧縣盤(pán)溪鎮(zhèn),是云南規(guī)模較大、西南巖溶石山地區(qū)典型的巖溶高原地下河系統(tǒng),承載著華寧縣城、江川縣城、通?？h城、撫仙湖西岸、南岸、東岸、玉溪市中心城區(qū)及盤(pán)溪鎮(zhèn)供水重任。其補(bǔ)給、徑流區(qū)成土能力較差,表層覆蓋層較薄,甚至有的地區(qū)大面積碳酸鹽巖裸露地表,這就造成地下水的防污性能較差。為保證該巖溶地區(qū)用水安全,建立地下水水源地保護(hù)區(qū)是有必要的[4-6,12]。本文選取盤(pán)溪大龍?zhí)稙檠芯繉?duì)象,利用經(jīng)驗(yàn)公式法和水文地質(zhì)條件分析法相組合對(duì)大龍?zhí)稁r溶水源地保護(hù)區(qū)進(jìn)行劃分,以期該研究結(jié)果可為同樣具有大片巖溶裸露補(bǔ)給區(qū)的巖溶水源地保護(hù)區(qū)劃分方法的選取,以及玉溪市相關(guān)部門(mén)進(jìn)行盤(pán)溪大龍?zhí)稁r溶水源地保護(hù)區(qū)劃分提供一定依據(jù)。

1 研究區(qū)水源地概況

盤(pán)溪大龍?zhí)?又名七犀潭)的地下河出口位于玉溪市華寧縣盤(pán)溪鎮(zhèn)東部掛榜山腳。

盤(pán)溪大龍?zhí)端吹亟ǔ捎?015年,設(shè)計(jì)取水量為2.5 m3/s,實(shí)際取水量為2.5 m3/s,取水方式為倒虹吸取水+泵站提水,目前為在用飲用水水源地。主要為華寧縣城、江川縣城、通?？h城、撫仙湖西岸、南岸、東岸、玉溪市中心城區(qū)及盤(pán)溪鎮(zhèn)提供飲用水水源。

大龍?zhí)兜叵掳岛映隹诟叱碳s1 140 m,流量為8 445.60 L/s,其補(bǔ)、徑、排主要受含水層分布及斷裂構(gòu)造控制。大龍?zhí)秾俟艿佬蛶r溶水,具有較大的匯水面積,良好的徑流條件,集中排泄等特點(diǎn)。大龍?zhí)兜叵潞酉到y(tǒng)匯水區(qū)范圍涉及玉溪市華寧縣盤(pán)溪鎮(zhèn)和紅河哈尼族彝族自治州彌勒市西一鎮(zhèn)、西二鎮(zhèn)和五山鄉(xiāng)一帶。主要的補(bǔ)給區(qū)位于暗河出口東北部的巖溶山區(qū),行政區(qū)劃上屬?gòu)浝帐泄茌牎?/p>

2 大龍?zhí)稁r溶水系統(tǒng)特征

2.1 大龍?zhí)稁r溶水系統(tǒng)邊界

結(jié)合前人采用水文地質(zhì)地面調(diào)查法、示蹤試驗(yàn)、物探等多種方法的研究成果[13],大龍?zhí)兜叵潞酉到y(tǒng)邊界由5段組成(圖1),系統(tǒng)面積462.10 km2。東部邊界(a—b段)和南部邊界(b—c段)地表地下分水嶺重合;西南部邊界(c—d段)為砂巖、泥巖為隔水層邊界。在地下河系統(tǒng)的西南部區(qū)域內(nèi),出露的地層主要為曲靖組(D2q)白云巖,富水性好,而與曲靖組(D2q)相鄰的地層宣武田組(D2x),該地層的上部巖性為石英砂巖、砂巖和和泥巖,平均厚度約為100 m,富水性較差。宣武田組的上部巖層可以作為整個(gè)系統(tǒng)的西南區(qū)域的隔水邊界;西北部邊界(d—e段)為西山與大河的地表分水嶺界線。起點(diǎn)為西二鎮(zhèn),終點(diǎn)為濫泥箐村的西北部,主要經(jīng)過(guò)了關(guān)上村、大云村等村寨。地下河系統(tǒng)西北部外發(fā)育1條地表河,名為大河,該地表河從南向北流動(dòng),與地下河系統(tǒng)的地下水整體流向相反;東北部邊界(e—a段)為利用洼地分析法和示蹤試驗(yàn)共同聯(lián)合確定的地下分水嶺邊界。起點(diǎn)為西一鎮(zhèn)濫泥箐村的西北部,終點(diǎn)為西一鎮(zhèn)野豬塘村。

2.2 巖溶地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件

大龍?zhí)兜叵潞酉到y(tǒng)補(bǔ)給徑流區(qū)大致分為2個(gè)部分:東部巖溶高原面補(bǔ)給區(qū)和西部盤(pán)溪盆地斜坡徑流區(qū)(圖2)[14]。地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給,雨季有少量大溝邊溝水沿巖溶裂隙側(cè)向補(bǔ)給地下水。

西部盤(pán)溪盆地斜坡徑流區(qū)自西向東依次出露的含水層有曲靖組(D2q)、一打得組(D3y)、在結(jié)山組(D3z)、大塘組(C1d)、威寧組(C2w)、馬平組(C3m)、棲霞組(P1q)、茅口組(P1m)、路美邑組(E2l)。由于曲靖組(D2q)、一打得組(D3y)、在結(jié)山組(D3z)、路美邑組(E2l)屬間互狀碳酸鹽巖層組,可溶巖與非可溶巖交替分布,巖溶依附可溶巖的展布而順層發(fā)育,形態(tài)多以溶蝕裂隙、溶洞為主。地下水在法克—百家田—白龍山—青場(chǎng)—龍門(mén)村—舍莫一帶接受降雨垂直滲入補(bǔ)給后順溶蝕裂隙、溶洞等巖溶形態(tài)向南徑流,在徑流過(guò)程中仍不斷有降雨通過(guò)洼地、漏斗、落水洞下滲補(bǔ)給地下水。部分地下水徑流至老黑山斷層時(shí),沿?cái)鄬影l(fā)育的分支巖溶管道匯入大龍?zhí)吨黧w地下河管道,其余地下水則繼續(xù)向南徑流至大龍?zhí)吨鲾鄬訒r(shí)直接匯入大龍?zhí)兜叵潞庸艿?。大龍?zhí)吨鲾鄬右阅系牡叵滤谕岜◆~(yú)塘—獨(dú)家—四家一線經(jīng)洼地、漏斗、落水洞等巖溶負(fù)地貌接受降雨補(bǔ)給后通過(guò)溶蝕裂隙向分支巖溶管道匯集,最終進(jìn)入大龍?zhí)吨黧w地下河管道。

東部巖溶高原面補(bǔ)給區(qū)出露的含水層有曲靖組(D2q)、上泥盆統(tǒng)(D3)、大塘組上司段(C1ds)、威寧組(C2w)、馬平組(C3m)、棲霞組(P1q)、茅口組(P1m),均屬均勻狀灰?guī)r層組,質(zhì)純,層厚。洼地、漏斗、落水洞等巖溶負(fù)地貌極為發(fā)育,大氣降水以垂直滲入或灌入為主,地下水接受補(bǔ)給后通過(guò)巖溶裂隙、溶洞或者暗河管道等地下巖溶形態(tài)由東向西運(yùn)移,當(dāng)徑流至老黑山斷層和大龍?zhí)吨鲾鄬訒r(shí),經(jīng)分支地下河管道匯入大龍?zhí)吨黧w地下河管道內(nèi)。匯集于大龍?zhí)兜叵潞又鞴艿乐械牡叵滤谙蛭鲝搅鬟^(guò)程中,由于受到宣武田組隔水層的阻擋,并于盤(pán)溪盆地東部邊緣地帶集中排泄。

圖1 盤(pán)溪大龍?zhí)端牡刭|(zhì)圖(據(jù)云南大龍?zhí)兜叵潞酉到y(tǒng)1∶5萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查[14] )

圖2 盤(pán)溪大龍?zhí)端牡刭|(zhì)剖面圖

3 研究方法

目前,常用的地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分方法主要有經(jīng)驗(yàn)值法、經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值模擬法?？筛鶕?jù)不同水源的水文地質(zhì)特征和水源地規(guī)模選擇不同的保護(hù)區(qū)劃分方法。數(shù)字模擬法是利用數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用流體力學(xué)的原理,以及水中污染物質(zhì)的質(zhì)量守恒,建立溶質(zhì)在水體中的遷移擴(kuò)散方程,運(yùn)行反向示蹤模擬得到溶質(zhì)的遷移情況;經(jīng)驗(yàn)法劃分是根據(jù)前人的工作經(jīng)驗(yàn)和國(guó)家規(guī)定的水源地劃分原則,直接給定保護(hù)區(qū)范圍的一種方法。中小型水源可采用經(jīng)驗(yàn)公式法,資料嚴(yán)重缺乏的,采用經(jīng)驗(yàn)值法確定保護(hù)區(qū)范圍。根據(jù)《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ338-2018)要求[15],地下水飲用水源地按開(kāi)采規(guī)模分為中小型水源地(日開(kāi)采量小于5萬(wàn)m3)和大型水源地(日開(kāi)采量大于或等于5萬(wàn)m3)。盤(pán)溪大龍?zhí)度臻_(kāi)采量為2.5萬(wàn)m3/d,為中小型水源地,前人在研究區(qū)開(kāi)展過(guò)1∶5萬(wàn)、1∶20萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查,因此,利用經(jīng)驗(yàn)公式法確定一級(jí)保護(hù)區(qū)范圍并進(jìn)行面積計(jì)算。巖溶水型水源地含水層具有非均質(zhì)、各項(xiàng)異性且滲透系數(shù)較大等特點(diǎn),為避免巖溶水型水源地保護(hù)區(qū)將造成巖溶裸露區(qū)的保護(hù)缺失。由于大面積裸露的巖溶區(qū)巖溶水的主要補(bǔ)給區(qū),具有下滲快,地下水流速快的特點(diǎn),這些區(qū)域無(wú)論從水質(zhì)還是水量保護(hù)考慮,均屬于較敏感區(qū)域。為更準(zhǔn)確合理地劃分巖溶水水源地保護(hù)區(qū),采用水文地質(zhì)分析法來(lái)劃分二級(jí)保護(hù)區(qū)范圍。

采用經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)大龍?zhí)稁r溶水源地一級(jí)保護(hù)區(qū)面積進(jìn)行計(jì)算;二級(jí)保護(hù)區(qū)是建立在大龍?zhí)稁r溶水系統(tǒng)水文地質(zhì)條件、巖溶發(fā)育特征分析的基礎(chǔ)上采用水文地質(zhì)分析法來(lái)劃定的;準(zhǔn)保護(hù)區(qū)是除一級(jí)和二級(jí)保護(hù)區(qū)以外的區(qū)域。

4 巖溶水源地保護(hù)區(qū)劃分

4.1 水源地保護(hù)區(qū)劃分

根據(jù)巖溶水的成因特點(diǎn),巖溶水分為巖溶裂隙網(wǎng)絡(luò)型、峰林平原強(qiáng)徑流帶型、溶丘山地網(wǎng)絡(luò)型、峰叢洼地管道型和斷陷盆地構(gòu)造型5種類型。根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)特征和巖溶發(fā)育情況,確定盤(pán)溪大龍?zhí)端吹氐牡叵滤愋蜑榉鍏餐莸毓艿佬偷叵滤嬘盟吹亍?/p>

飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范(HJ 338-2018)明確要求巖溶水飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分,須考慮溶蝕裂隙中的管道流與落水洞的集水作用。根據(jù)該規(guī)范中的7.4.3溶丘山地網(wǎng)絡(luò)型、峰叢洼地管道型、斷陷盆地構(gòu)造型水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)方法如下:

(1)一級(jí)保護(hù)區(qū)

大龍?zhí)端吹匾患?jí)保護(hù)區(qū)以巖溶管道為軸線,水源地上游不小于(1 000+R) m,下游不小于100 m,兩側(cè)寬度式(1)計(jì)算:

R=α×K×I×T/n

式(1)

式中:R為保護(hù)區(qū)管道兩側(cè)半徑/m;α為安全系數(shù),取200%;K為含水層滲透系數(shù)/m·d-1,據(jù)《1∶20萬(wàn)彌勒幅區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告》結(jié)果,參考D2、D3經(jīng)驗(yàn)滲透系數(shù),取0.25 m/d;I為水力坡度,取0.2。(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果計(jì)算獲取:大龍?zhí)端粯?biāo)高1 156 m,水溝村池塘水位標(biāo)高1 374 m,兩地平距1 838 m)。T為污染物水平遷移時(shí)間/d,取100 d;N為有效孔隙度,據(jù)1∶20萬(wàn)彌勒幅區(qū)域水文地質(zhì)普查結(jié)果參考同類型巖性經(jīng)驗(yàn)參數(shù),取0.015。

經(jīng)計(jì)算大龍?zhí)讹嬘盟幢Ｗo(hù)區(qū)巖溶管道兩側(cè)半徑R為666 m,為方便管理,取R=670 m。巖溶管道上游延伸距離為1 000+R即1 670 m。

(2)二級(jí)保護(hù)區(qū)

大龍?zhí)稁r溶水系統(tǒng)東北部補(bǔ)給區(qū)地表巖溶發(fā)育,洼地、漏斗、落水洞遍布,地表水以灌入式補(bǔ)給地下水,補(bǔ)給后對(duì)大龍?zhí)端吹氐乃|(zhì)影響較大,水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果表明大龍?zhí)犊偞竽c菌群超標(biāo),分析認(rèn)為主要是補(bǔ)給徑流區(qū)農(nóng)村面源污染和農(nóng)村生活污染所致。因此,將東北部西一鎮(zhèn)一帶的落水洞及周邊地區(qū)劃分為水源二級(jí)保護(hù)區(qū),其范圍為:以落水洞為圓心,半徑100 m所圈定的區(qū)域。

(3)準(zhǔn)保護(hù)區(qū)

大龍?zhí)稁r溶水源地補(bǔ)給徑流區(qū)為大片的耕地、村莊分布,碳酸鹽巖裸露、地表巖溶發(fā)育,地表土層較薄,防污性能差。大龍?zhí)端吹丶缲?fù)著華寧縣城、江川縣城、通海縣城、撫仙湖西岸、南岸、東岸、玉溪市中心城區(qū)及盤(pán)溪當(dāng)?shù)仫嬘盟?yīng)責(zé)任,服務(wù)人口眾多,為防范飲用水水源污染風(fēng)險(xiǎn),保障飲用水安全,將泉域內(nèi)除一、二級(jí)保護(hù)區(qū)外的其他補(bǔ)給徑流區(qū)劃為準(zhǔn)保護(hù)區(qū)(圖3)。

4.2 水源地保護(hù)區(qū)劃分結(jié)果

盤(pán)溪大龍?zhí)稁r溶水源地為地下河排泄口,為集中式供水水源,據(jù)《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ338—2018),將大龍?zhí)稁r溶水源地保護(hù)區(qū)劃分為一級(jí)、二級(jí)和準(zhǔn)保護(hù)區(qū),一級(jí)保護(hù)區(qū)范圍包括大龍?zhí)豆珗@水域,面積0.01 km2,以及大龍?zhí)度∷谥苓呹懹?西起大龍?zhí)豆珗@水域東岸、大龍?zhí)洞鍠|村界—大龍?zhí)洞迥弦患?jí)山脊—東北至茶廠西南側(cè)山脊,面積1 km2。二級(jí)保護(hù)區(qū)主要是地下河系統(tǒng)東北部西一鎮(zhèn)補(bǔ)給徑、流區(qū)的落水洞為中心的區(qū)域。具體以落水洞為圓心,半徑100 m計(jì)算的范圍,面積為12.83 km2;準(zhǔn)保護(hù)區(qū)面積為地下河系統(tǒng)范圍內(nèi)除了一、二級(jí)保護(hù)區(qū)以外的區(qū)域,面積為448.77 km2。

5 結(jié)論

本次采用組合法劃分盤(pán)溪大龍?zhí)稁r溶水源地保護(hù)區(qū),一級(jí)保護(hù)區(qū)和二級(jí)保護(hù)區(qū)摒棄傳統(tǒng)的大區(qū)套小區(qū)的思維模式,從巖溶裸露補(bǔ)給區(qū)的實(shí)際出發(fā),合理的劃定二級(jí)保護(hù)區(qū)的范圍,避免了對(duì)巖溶裸露區(qū)保護(hù)的缺失,更好地保護(hù)水源地的主要補(bǔ)給區(qū),確保巖溶地下水的可持續(xù)開(kāi)發(fā)和利用,為大龍?zhí)端吹氐暮侠黹_(kāi)發(fā)和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和參考。

圖3 盤(pán)溪大龍?zhí)讹嬘盟吹乇Ｗo(hù)區(qū)劃分