暗河管道邊界控制下的飲用水源地保護(hù)區(qū)劃分方法研究

趙紅梅,趙勇,廖瑞雪,許冠東

(1.四川省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，成都 610041；2.中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司水電科學(xué)研究院，成都 610074)

1 前言

按照《中華人民共和國水污染防治法》對(duì)飲用水源的要求，國家建立飲用水水源保護(hù)區(qū)制度，飲用水水源保護(hù)區(qū)分為一級(jí)保護(hù)區(qū)和二級(jí)保護(hù)區(qū)，必要時(shí)，在飲用水水源保護(hù)區(qū)外圍劃定一定的區(qū)域作為準(zhǔn)保護(hù)區(qū)。為了貫徹落實(shí)水污染防治法的相關(guān)要求，加強(qiáng)集中式飲用水源地的環(huán)境保護(hù)，2007年，我國頒布了《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ/T338-2007)[1]，明確了飲用水水源保護(hù)區(qū)分為地表水飲用水源保護(hù)區(qū)和地下水飲用水源保護(hù)區(qū)，規(guī)定了地表水型和地下水型水源地保護(hù)區(qū)的劃分技術(shù)方法。2018年，原環(huán)境保護(hù)部對(duì)劃分技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了修訂[2]。

目前國內(nèi)針對(duì)巖溶地區(qū)的水源地保護(hù)區(qū)劃分多集中在地下水型水源地上，采用的劃分技術(shù)方法多為三維數(shù)值模擬法[3]～[5]、經(jīng)驗(yàn)公式法，對(duì)地表水和地下水相互轉(zhuǎn)化型的水源地研究較少。南方巖溶地區(qū)復(fù)雜的大氣降水→地下巖溶管道水→地表水“三水轉(zhuǎn)化”規(guī)律[6]，給環(huán)境保護(hù)工作者開展飲用水源地保護(hù)區(qū)劃分帶來了極大的困難與挑戰(zhàn)。而現(xiàn)行規(guī)范往往只針對(duì)單純的地表水型和地下水型給出了劃分技術(shù)方法，對(duì)巖溶地區(qū)暗河管道交錯(cuò)、地表水地下水循環(huán)交替的水源地保護(hù)區(qū)劃分指導(dǎo)不足。若僅按照導(dǎo)則中規(guī)定的地表水型或地下水型保護(hù)區(qū)劃分方法進(jìn)行劃定，往往造成水源地保護(hù)范圍缺失，達(dá)不到保護(hù)飲用水源水質(zhì)、防范環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的目的。

本文以川東廣安市龍灘河集中式飲用水源地為例，從水文地質(zhì)條件分析入手[3]，深入研究取水口以上的流域匯水特征、“三水轉(zhuǎn)化”規(guī)律、暗河管道邊界的控制作用等，提出了基于現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范和水文地質(zhì)條件分析下的兩種不同的保護(hù)區(qū)劃分方案。

2 水源地基本情況

2.1 水源地概述

廣安市前鋒區(qū)城區(qū)供水水源為龍灘河，設(shè)計(jì)日供水規(guī)模10 000 m3，供水人口10萬人，為前鋒區(qū)縣級(jí)集中式飲用水水源地。目前，龍灘河水源地取水口位于龍灘鎮(zhèn)龍灘電站前池。水源地取水口以上匯水區(qū)域主要包括兩段，一段為龍灘電站前池沿輸水明渠向上游至龍灘水庫導(dǎo)流洞，二段為導(dǎo)流洞以上的龍灘水庫以及上游入庫河流龍灘河及支流皮子槽河。區(qū)域水系結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 龍灘水庫流域水系圖

2.2 水系匯水結(jié)構(gòu)

廣安龍灘河發(fā)源于華鎣山山脈西側(cè)的光輝鄉(xiāng)高嶺村，源頭分水嶺處海拔650 m。龍灘水庫壩址以上分為南、北兩條支流，水源地取水口以上水系結(jié)構(gòu)概化情況見圖2。

圖2 水源地取水口上游水系結(jié)構(gòu)概化圖

北支流為龍灘河干流，源頭為爛泥溝和干河溝，河道長度約7.5 km，河床高程364～490 m，河床比降約為17‰。由北往南逐漸匯集了左岸的龍洞灣、閻王溝、干河溝等支溝水，支溝均發(fā)源于華鎣山西側(cè)山麓。枯水期龍灘河上游河段來水量少，基本呈干涸狀態(tài)，主要接受左岸的K1、S27、S25、S26等暗河管道系統(tǒng)地下水的補(bǔ)給，成為主要補(bǔ)給來源，暗河管道系統(tǒng)的源頭均為地表支溝通過落水洞轉(zhuǎn)化為伏流補(bǔ)給。南支流皮子槽河主河道長約3 km，流向N20°～30°E，河床高程364～520 m，河床比降約為52‰。受龍灘煤礦運(yùn)輸巷道的影響，枯水期上游來水從煤礦巷道通過河床潛入地下，下游河床干涸，主要接受右岸的S55暗河管道系統(tǒng)地下水的補(bǔ)給。

因此，區(qū)域龍灘水庫的匯水除南北龍灘河、皮子槽河補(bǔ)給外，還有一部分重要水源為東側(cè)地表支溝通過伏流轉(zhuǎn)化為暗河管道最后又在支溝排泄補(bǔ)給，且這類型補(bǔ)給方式成為了枯水期龍灘水庫主要的補(bǔ)給水源，對(duì)其水質(zhì)的保護(hù)顯得尤為重要。

2.3 巖溶含水巖組劃分

水源地周邊區(qū)域出露地層由新至老依次為：第四系松散堆積層(Q4)、侏羅系中下統(tǒng)(J1z)地層、三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)、三疊系中統(tǒng)雷口坡組(T2l)、三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)和飛仙關(guān)組(T1f)地層，各地層沿北東方向展布。根據(jù)區(qū)域出露地層的巖性組合及巖溶發(fā)育特征，將其劃分為：強(qiáng)巖溶含水巖組(T1j、T1f1-2、T1f2-1、T1f3-1)、中等巖溶含水巖組(T2l2)、弱巖溶含水巖組(T1f1-1、T1f3-2)、隔水巖組(T2l1、T1f4、T1f2-2、P2l、T3xj)等4類。

受北東向隔水巖組的控制，將水庫區(qū)從西向東劃分為五大獨(dú)立的地下水含水系統(tǒng)，地下水徑流為順層徑流，龍灘河就發(fā)育于強(qiáng)巖溶T1j和隔水巖組T2l1接觸界面附近。如圖3所示。

2.4 區(qū)域巖溶化特征

龍灘水庫周邊區(qū)域氣候溫和濕潤，雨量充沛，為巖溶發(fā)育提供了良好條件，區(qū)域巖溶形態(tài)主要有巖溶洼地、落水洞、暗河管道、溶洞等。水庫以龍灘河和皮子槽河為界，西側(cè)以相對(duì)隔水和隔水地層為主，僅雷口坡組第二段(T2l2)可溶巖呈條帶狀?yuàn)A于其間，地表未見溶洞發(fā)育，巖溶形態(tài)主要有溶蝕洼地，且沿岸未見流量較大的常年性泉水出露。東側(cè)則以強(qiáng)巖溶含水透水層(T1j)為主間夾少量隔水～中等透水地層，各類巖溶形態(tài)均有發(fā)育，其中落水洞和暗河管道最為突出，K1、S27、S25、S26等暗河管道系統(tǒng)發(fā)育在龍灘河左岸， S55管道系統(tǒng)發(fā)育在皮子槽河右岸，暗河管道上游均由地表支溝經(jīng)落水洞以伏流形式注入，最后在河流切割處成泉。

研究區(qū)地下水的補(bǔ)給方式主要有兩種：①分散補(bǔ)給形式，大氣降雨通過溶蝕裂隙、落水洞、洼地、層面等入滲補(bǔ)給地下水，此種入滲補(bǔ)給形式為該區(qū)主要補(bǔ)給形式；②集中注入式補(bǔ)給，即地表徑流通過巖溶洼地、落水洞等以伏流形式直接集中注入補(bǔ)給地下水，如白巖凼伏流、干河溝伏流、廟梁子伏流、大店村伏流等。區(qū)域地下水的徑流主要受地貌、構(gòu)造及水文網(wǎng)切割情況的控制，沿北東向地層展布方向徑流，最后在龍灘河左右岸以暗河和巖溶下降泉排泄。

2.5 三水轉(zhuǎn)化規(guī)律

結(jié)合流域匯水特征、巖溶地下水補(bǔ)徑排條件分析，龍灘水庫區(qū)域地下水在綠水洞背斜核部的分水嶺區(qū)域接受降雨補(bǔ)給后，受背斜軸部巖層產(chǎn)狀的控制，地下水一部分向西翼龍灘河流域徑流排泄，一部分向背斜東翼御臨河流域徑流排泄，兩翼形成獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。西翼龍灘河主要在流域分水嶺地帶接受大氣降水補(bǔ)給，受地貌條件控制，地下水就近補(bǔ)給，就近排泄形成地表明流，隨著流域匯水的形成，地表支溝穿越了隔水層組進(jìn)入到強(qiáng)巖溶化地層中，遇地表強(qiáng)烈發(fā)育的落水洞注入地下，最后在龍灘河左岸受河流切割以暗河管道和大泉形式排泄。

受山區(qū)河道的影響，龍灘河河水具有陡漲陡降的特點(diǎn)，河流枯水期主要接受沿途巖溶管道水的補(bǔ)給，這些巖溶大泉受上游伏流注入的影響，表現(xiàn)為枯水期水量明顯變小、汛期流量增大，大雨后流量陡增的特點(diǎn)。區(qū)域三水轉(zhuǎn)化模式見圖3。

圖3 龍灘河巖溶管道三水轉(zhuǎn)化過程示意圖

3 保護(hù)區(qū)劃分方法討論

3.1 基于技術(shù)規(guī)范劃分成果

根據(jù)《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ338-2018)，水源地類型按照取水口取水類型確定，本項(xiàng)目取水口設(shè)置在龍灘鎮(zhèn)龍灘電站前池，按照規(guī)范確定為地表水型飲用水源地。

(1) 一級(jí)保護(hù)區(qū)劃分

按照劃分技術(shù)規(guī)范中地表水型水源地類比經(jīng)驗(yàn)法，一般河流水源地，“一級(jí)保護(hù)區(qū)水域長度為取水口上游不小于1 000 m，下游不小于100 m范圍內(nèi)的河道水域?！鼻摇胺峭耆忾]式飲用水輸水河(渠)道應(yīng)劃分一級(jí)保護(hù)區(qū)，其寬度范圍可參考河流型水源保護(hù)區(qū)劃分方法”。

龍灘河水源地取水口以上至導(dǎo)流洞之間有1.2 km輸水明渠，渠道寬度約為2 m，渠道全線未封閉。因此，按照規(guī)范要求一級(jí)保護(hù)區(qū)水域范圍為龍灘電站前池至上游1 200 m導(dǎo)流洞之間的整個(gè)輸水渠道范圍；一級(jí)保護(hù)區(qū)陸域?qū)挾仁芮雷蟀毒o臨坡體，直接接納地表徑流匯入，右岸臨空，高于坡體影響，取右岸縱深50 m、左岸縱深至地表分水嶺范圍。

(2) 二級(jí)保護(hù)區(qū)劃分

根據(jù)劃分技術(shù)規(guī)范中類比經(jīng)驗(yàn)方法，二級(jí)保護(hù)區(qū)水域長度從一級(jí)保護(hù)區(qū)的上游邊界向上游延伸不得小于2 000 m，下游外邊界距一級(jí)保護(hù)區(qū)邊界不得小于200 m。二級(jí)保護(hù)區(qū)水域?qū)挾葹槎嗄昶骄粚?duì)應(yīng)的高程線下的水域。二級(jí)保護(hù)區(qū)陸域沿岸縱深范圍一般不小于1 000 m，但不超過流域分水嶺范圍。

按照技術(shù)規(guī)范劃分，龍灘河水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)起點(diǎn)從導(dǎo)流洞起，分別向龍灘河、皮子槽河上游延伸2 000 m。下游外邊界由于電站前池下游為封閉管道且高程遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電站前池海拔高度，可不劃下游邊界。二級(jí)保護(hù)區(qū)陸域沿岸縱深取至1 000 m，但不超過流域分水嶺。

(3) 準(zhǔn)保護(hù)區(qū)

參照二級(jí)保護(hù)區(qū)的劃分方法，在二級(jí)保護(hù)區(qū)上游邊界向上游延伸2 000 m為準(zhǔn)保護(hù)區(qū)水域長度，水域?qū)挾葹槎嗄昶骄粚?duì)應(yīng)的高程線下的水域，準(zhǔn)保護(hù)區(qū)陸域范圍取至水域沿岸縱深1 000 m，但不超過流域分水嶺。

基于技術(shù)規(guī)范的龍灘河集中式飲用水源保護(hù)區(qū)劃定方法如圖4。

圖4 前鋒區(qū)龍灘河集中式飲用水源地保護(hù)區(qū)(基于技術(shù)規(guī)范要求)

3.2 基于技術(shù)規(guī)范劃分成果存在的問題

由圖5可知，基于現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范劃分的飲用水源保護(hù)區(qū)西側(cè)取至地表分水嶺，但東側(cè)1 km范圍外的暗河管道以及地表伏流白巖凼伏流、干河溝伏流、廟梁子伏流、大店村伏流卻未被納入到保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，這類伏流在枯水期是龍灘水源地主要的給水水源，且伏流的匯水范圍內(nèi)還存在大面積的農(nóng)業(yè)種植、分散式農(nóng)戶居住以及3家煤礦開采企業(yè)。該保護(hù)區(qū)劃分范圍，在防控水源地水質(zhì)安全方面存在不足，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 基于水文地質(zhì)分析方法的保護(hù)區(qū)劃分成果

在前文所述的三水轉(zhuǎn)化模式下，考慮到暗河管道水流運(yùn)動(dòng)速度較快，管道的源頭均是地表伏流通過落水洞進(jìn)入暗河管道，具有河流特性。本文創(chuàng)新性提出將匯入龍灘河的暗河管道K1、S27、S25、S26、S55作為龍灘河的支溝看待，在技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際將整個(gè)暗河管道出口至伏流入口白巖凼落水洞、新房子落水洞、黃茅坪落水洞、董家灣落水洞、周家灣落水洞、偏頭山落水洞段劃為二級(jí)保護(hù)區(qū)水域，兩側(cè)陸域?qū)挾劝凑找?guī)范推薦公式進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)為了有效管控白巖凼伏流、干河溝伏流、廟梁子伏流、大店村伏流匯水范圍內(nèi)的各類污染源和風(fēng)險(xiǎn)源，本次將落水洞以外的伏流整個(gè)匯水范圍劃為準(zhǔn)保護(hù)區(qū)，增加了對(duì)上游農(nóng)業(yè)面源和采礦企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)管控。

在以技術(shù)劃分規(guī)范為基礎(chǔ)，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件分析，確定出龍灘河飲用水源地保護(hù)區(qū)劃分范圍如下：

一級(jí)保護(hù)區(qū)：龍灘電站前池以及龍灘渠道前池進(jìn)水口上溯至龍灘水庫導(dǎo)流洞出口，兩岸渠堤之間的全部水域范圍；一級(jí)保護(hù)區(qū)水域邊界右岸縱深50 m，左岸縱深至分水嶺的陸域范圍。

二級(jí)保護(hù)區(qū)：自導(dǎo)流洞入口分別沿龍灘河與皮子槽河上溯2 000 m的多年平均水位對(duì)應(yīng)高程線下的水域，以及龍灘河左岸K1、S27、S25、S26暗河出口沿管道延伸至白巖凼落水洞、新房子落水洞、黃茅坪落水洞、董家灣落水洞、周家灣落水洞之間的管道水域，皮子槽河右岸S55暗河管道出口沿管道延伸至偏頭山落水洞的管道水域。龍灘河二級(jí)保護(hù)區(qū)水域邊界左岸縱深至第一重山脊線，右岸縱深至流域分水嶺的陸域，皮子槽河二級(jí)保護(hù)區(qū)水域邊界右岸縱深至第一重山脊線，左岸縱深至流域分水嶺的陸域，暗河管道兩側(cè)縱深66 m的陸域范圍。

準(zhǔn)保護(hù)區(qū)：二級(jí)保護(hù)區(qū)上邊界分別沿龍灘河、皮子槽河上溯2 000 m的多年平均水位線下的水域；準(zhǔn)保護(hù)區(qū)水域邊界龍灘河右岸、皮子槽河左岸縱深至流域分水嶺，龍灘河左岸、皮子槽河右岸縱深至黃蓮村干堰塘、唐家坳、麻柳灣及大店村大埡口、大堰村小學(xué)、高硐村弓背梁、橫店村堰塘灣一線地下水補(bǔ)給徑流區(qū)域(其中二級(jí)保護(hù)區(qū)除外)。

基于水文地質(zhì)分析方法的保護(hù)區(qū)劃分結(jié)果見圖5。

圖5 前鋒區(qū)龍灘河集中式飲用水源地保護(hù)區(qū)劃分(基于水文地質(zhì)分析)

4 結(jié)論

(1) 巖溶地區(qū)典型的大氣降水→地下巖溶管道→河流的“三水”轉(zhuǎn)化過程，給環(huán)境保護(hù)工作者開展飲用水源地保護(hù)區(qū)劃分帶來了極大的困難與挑戰(zhàn)。而現(xiàn)行規(guī)范往往只針對(duì)單純的地表水型和地下水型給出了劃分技術(shù)方法，對(duì)巖溶地區(qū)暗河管道交錯(cuò)、地表水地下水循環(huán)交替的水源地保護(hù)區(qū)劃分指導(dǎo)存在不足。本文對(duì)比了基于技術(shù)規(guī)范要求和基于水文地質(zhì)分析的兩種不同劃分方法，得到第二種方案更具合理性、科學(xué)性。

(2) 在復(fù)雜巖溶地區(qū)劃分飲用水源保護(hù)區(qū)，應(yīng)該在水源地保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，特別重視對(duì)水文地質(zhì)條件的分析，研究區(qū)域“三水”轉(zhuǎn)化規(guī)律，使保護(hù)區(qū)劃分結(jié)果在滿足規(guī)范要求的同時(shí)，更符合地方實(shí)際，確保飲用水水源水質(zhì)得到有效、全面保護(hù)。

(3) 本文考慮到暗河管道水流運(yùn)動(dòng)速度較快，具有河流的特性，創(chuàng)新性提出將匯入龍灘河的暗河管道K1、S27、S25、S26、S55作為河流的支溝看待，對(duì)暗河管道劃定一定范圍的二級(jí)保護(hù)區(qū)，具有一定的創(chuàng)新性。