嘉祥凸起巖溶水系統(tǒng)防污性評(píng)價(jià)

李榮飛 沈祥瑞 董周賓

（1. 山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山東濟(jì)南 250013；2. 山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東濟(jì)寧 272100）

1 引言

在山東省，地下水為生產(chǎn)生活用水的主要水源［1］。地下水具有不易污染，但一旦污染極難治理的特點(diǎn)，地下水系統(tǒng)防污性評(píng)價(jià)是開展地下水資源開發(fā)利用保護(hù)的重要依據(jù)。目前國(guó)內(nèi)外主要有DRASTIC 模型和COP 法2 種地下水系統(tǒng)防污性評(píng)價(jià)模型，前者適用于孔隙水，后者適用于巖溶水［2-4］。

嘉祥凸起巖溶水系統(tǒng)主要位于山東省濟(jì)寧市嘉祥縣，現(xiàn)有4 處主要巖溶水水源地，分布于研究區(qū)中北部，總開采量約9.8 萬(wàn)m3/d。監(jiān)測(cè)資料顯示，系統(tǒng)巖溶水質(zhì)量整體一般，多項(xiàng)指標(biāo)已不滿足GB 14848—2017《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。本文以嘉祥凸起巖溶水系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用COP 法建立了嘉祥凸起巖溶水系統(tǒng)防污性評(píng)價(jià)模型，以掌握研究區(qū)巖溶水系統(tǒng)的防污性能分布規(guī)律及影響因素。

2 研究區(qū)水文地質(zhì)特征

嘉祥凸起巖溶水系統(tǒng)東以嘉祥斷裂、劉莊—廟西斷裂和唐陽(yáng)斷裂為界，西以馬村—大山頭斷裂和巨野斷裂為界，南以菏澤斷裂為界，北以鄆城斷裂為界，總面積約1 717 km2?？傮w上呈單斜狀，由東南向西北傾伏。南部太古界、古生界地層隆起并剝蝕為低山丘陵，面積約90 km2；中北部寒武、奧陶紀(jì)碳酸鹽巖地層隱伏于新近紀(jì)、第四系紀(jì)松散堆積物之下，面積約1 627 km2；松散層厚度自東南部向西北部由50 m漸變?yōu)?00 m 左右。上部松散巖類孔隙含水巖組與下部巖溶含水巖組形成單斜雙層含水結(jié)構(gòu)，下部巖溶含水巖組隔水邊界為斷塊邊界處斷裂［5］（見圖1）。研究區(qū)內(nèi)主要巖溶水水源地分布于系統(tǒng)中北部，含水巖組時(shí)代為寒武—奧陶系紀(jì)三山子組和奧陶紀(jì)馬家溝群，巖性為白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、云斑灰?guī)r等。巖溶發(fā)育形態(tài)以溶洞、溶隙為主，多呈蜂窩狀。巖溶發(fā)育區(qū)多沿?cái)鄬映蕩罘植迹l(fā)育深度60～280 m 不等，有自南向北逐漸變深的趨勢(shì)。富水地段單位涌水量一般為1 000～5 000 m3/（d·m），個(gè)別地段達(dá)5 000～10 000 m3/（d·m）。

圖1 嘉祥凸起巖溶水系統(tǒng)基巖水文地質(zhì)示意

巖溶水直接接受南部基巖裸露區(qū)大氣降水和地表水入滲補(bǔ)給后，總體由西南向東北徑流，巖溶水運(yùn)動(dòng)以垂向運(yùn)動(dòng)為主；在中北部隱伏型巖溶區(qū)，巖溶水還會(huì)接受上部孔隙水的越流補(bǔ)給，巖溶水運(yùn)動(dòng)以水平運(yùn)動(dòng)為主，水力梯度一般為0.2‰～0.5‰；在水源地周邊，受開采影響，水力坡度可達(dá)2.5‰。

巖溶水水位變化主要受大氣降水和開采量影響，一般在6—8 月為枯水期，10—12 月為豐水期，年內(nèi)變幅3～13 m。巖溶水水化學(xué)類型主要為HCO3·SO4-Ca·Mg 型；TDS 一般在950～1 300 mg/L 之間，個(gè)別地段能達(dá)到2 000 mg/L；總硬度為450～620 mg/L；pH為7.1～7.9。

3 巖溶水脆弱性評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)

3.1 評(píng)價(jià)方法

COP 評(píng)價(jià)方法中，C 因子評(píng)價(jià)區(qū)域徑流條件，O因子評(píng)價(jià)覆蓋層的保護(hù)能力，P 因子評(píng)價(jià)降水情況。每個(gè)因子又考慮很多亞因子，并為其賦值，利用MapGIS 空間分析模塊進(jìn)行分區(qū)和疊加，最終得到脆弱性指數(shù)，做出巖溶水脆弱性分布圖。

3.2 評(píng)價(jià)因子

3.2.1 O 因子

O 因子表示包氣帶的防污能力，本文根據(jù)區(qū)內(nèi)地層特征及鉆孔資料將包氣帶概化為兩層：土層（Os）和非飽和帶的石灰?guī)r（OL）。

O 因子保護(hù)能力的計(jì)算公式為：

式中，Os 代表上覆土層的保護(hù)能力；OL 代表上覆巖層的保護(hù)能力；Cn 代表額外保護(hù)能力量化值；Ly 代表上覆巖層保護(hù)能力量化值；m 為各巖層厚度，m。

Os 的取值考慮土壤類型和厚度，區(qū)內(nèi)土壤類型可概化為黏土—粉質(zhì)黏土、粉土、砂性土3 類；土壤層厚度分為3 個(gè)等級(jí)：＞1.0 m，0.5～1.0 m，＜0.5 m。黏土—粉質(zhì)黏土對(duì)應(yīng)不同厚度的土壤層保護(hù)能力量化值分別為5，4，3，粉土對(duì)應(yīng)不同厚度的土壤層保護(hù)能力量化值分別為3，2，1，砂性土對(duì)應(yīng)不同厚度的土壤層保護(hù)能力量化值分別為2，1，0。

OL 的取值需考慮巖性、裂隙發(fā)育程度、巖層厚度和含水層性質(zhì)4 個(gè)因素。COP 模型將上覆巖層巖性分為13 類，研究區(qū)內(nèi)主要有4 類，分別對(duì)其Ly 進(jìn)行評(píng)價(jià)：巖溶發(fā)育的碳酸鹽巖保護(hù)能力最弱，Ly 值為1；裂隙發(fā)育的碳酸鹽巖Ly 值為3；泥質(zhì)灰?guī)rLy值為500；泥巖保護(hù)能力最強(qiáng)，Ly 值為1 500；上覆巖層巖層保護(hù)能力指數(shù)與各巖層厚度正相關(guān)。Cn 值由含水層是否承壓決定，承壓含水層Cn 值為2，半隔水頂板含水層Cn 值為1.5，無隔水頂板含水層Cn值為1。

O 因子保護(hù)能力量化情況見表1。

3.2.2 C 因子

C 因子表示入滲—徑流條件對(duì)巖溶水防污性的影響，取值考慮4 個(gè)變量：與落水洞的距離（dh）、與滲漏河道的距離（ds）、地表巖溶特征（sf）、坡度—植被（sv）。研究區(qū)內(nèi)無落水洞及滲漏河段，C 因子只考慮sf 和sv 這2 個(gè)變量，其計(jì)算公式為：

C＝sf×sv （3）

sf 值與巖石的植被密度和巖溶發(fā)育形態(tài)有關(guān)，一般在0.25～1.00 之間，裸露的碳酸鹽巖分布區(qū)域賦值較低，不透水的非巖溶化區(qū)域賦值較高。上覆巖層植被密度會(huì)影響地下水的入滲和徑流，坡度對(duì)徑流有積極作用，sv 值一般在0.75～1.00 之間。

C 因子量化情況見表2。

表2 C 因子量化

3.2.3 P 因子

P 因子代表降水條件對(duì)巖溶水防污性的影響，其大小由多年平均降水量（Pq）和降水強(qiáng)度（Pi）2 個(gè)次級(jí)因子決定，計(jì)算公式為：

表3 P 因子量化

3.2.4 巖溶水防污性

首先對(duì)上述各因子進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后利用公式（5）對(duì)C，O，P 等3 個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行疊加：

表4 巖溶水防污性等級(jí)

4 評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

4.1 各因子評(píng)價(jià)結(jié)果

利用公式（1）～（5）分別計(jì)算出O 因子、C 因子和P 因子評(píng)價(jià)結(jié)果。

（1）O 因子評(píng)價(jià)結(jié)果

Os 因子：嘉祥凸起巖溶水系統(tǒng)南部山區(qū)基巖裸露，按小于0.5 m 砂類土分布區(qū)考慮，評(píng)分為0；山前及山間平原為＜0.5 m 或0.5～1.0 m 的粉質(zhì)黏土，評(píng)分為4 或3；其他地段均為大于1.0 m 的粉質(zhì)黏土分布區(qū)，評(píng)分為5。

OL 因子：嘉祥凸起巖溶水系統(tǒng)含水層為有裂隙碳酸鹽巖，Ly 因子評(píng)分為3；該系統(tǒng)東南部山區(qū)為無壓水，Cn 因子評(píng)分為1，其他被第四系覆蓋的區(qū)域均為承壓水，Cn 因子評(píng)分為2。

（2）C 因子評(píng)價(jià)結(jié)果

系統(tǒng)內(nèi)東南部山區(qū)碳酸鹽巖裸露、裂隙發(fā)育，sf評(píng)分為0.75，坡度為8%～31%，sv 因子評(píng)分為0.95；其他平原地區(qū)土層覆蓋，sf 評(píng)分為1，坡度小于8%，sv 因子評(píng)分為1。

（3）P 因子評(píng)價(jià)結(jié)果

區(qū)內(nèi)降水量均在400～800 mm 之間，Pq 因子為0.3；區(qū)內(nèi)短時(shí)降雨強(qiáng)度大于20 mm/d，Pi 因子為0.2。

4.2 巖溶水防污性評(píng)價(jià)結(jié)果

利用MapGIS 軟件中空間分析模塊對(duì)C，O，P 因子進(jìn)行疊加，得到防污性能評(píng)價(jià)結(jié)果［4，6］，見圖2。

圖2 嘉祥凸起巖溶水系統(tǒng)防污性能分區(qū)示意

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，地下水防污性能評(píng)價(jià)級(jí)別為“高”的面積約1 285 km2，占總面積的74%。該區(qū)位于區(qū)域西北、北部平原地帶，巖溶水上覆第四系土層較厚，包氣帶保護(hù)能力較強(qiáng)，且隱伏的奧陶系灰?guī)r含水層與第四系孔隙含水層之間分布一層穩(wěn)定的、厚度較大的黏土層，對(duì)隱伏的灰?guī)r起到很強(qiáng)的保護(hù)作用。

地下水防污性能評(píng)價(jià)級(jí)別為“中等”的面積約為139 km2，占總面積的9%。該區(qū)域位于馬集—羊山、張山—臥龍山山前平原地帶，巖溶水隱伏于第四系覆蓋層之下，粉質(zhì)黏土厚0.5～1.0 m，其對(duì)污染物有一定的阻擋能力。

地下水防污性能評(píng)價(jià)級(jí)別為“低”的面積約為201 km2，占總面積的12%。該區(qū)域位于馬集—羊山、張山—臥龍山等山前、山間地帶，第四系粉質(zhì)黏土厚度一般＜0.5 m，其下為巖溶含水層，對(duì)污染物阻擋能力很低。

地下水防污性能評(píng)價(jià)級(jí)別為“非常低”的面積約為92 km2，占總面積的5%。該區(qū)域位于馬集—羊山、張山—臥龍山一帶，區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖直接出露地表，大氣降水及地表污染物可通過溶洞、溶隙快速滲入地下，進(jìn)入含水層，導(dǎo)致巖溶含水層防污性能“非常低”。

5 結(jié)論

（1）研究區(qū)主要巖溶含水層為寒武—奧陶紀(jì)碳酸鹽巖，以溶洞、溶隙為主，巖溶多沿?cái)鄬佑绊憥Оl(fā)育，巖溶發(fā)育有自南向北逐漸變深的趨勢(shì)。研究區(qū)巖溶水水位主要受大氣降水和開采量影響，且具有滯后性。水化學(xué)類型主要為HCO3·SO4-Ca·Mg 型，水質(zhì)整體一般。

（2）區(qū)內(nèi)巖溶水防污性與包氣帶保護(hù)能力關(guān)系密切，基巖裸露區(qū)缺少第四系松散層保護(hù)，防污性級(jí)別“非常低”；山間及山前平原地帶，巖溶含水層上部覆蓋有較薄第四系松散層，防污性級(jí)別一般為“低—中等”；區(qū)內(nèi)西部、北部平原地帶，上覆第四系土層厚度大，灰?guī)r含水層與第四系孔隙含水層之間有黏土層隔離，防污性等級(jí)為“高”。

（3）防污性級(jí)別為“非常低—低”區(qū)域，主要分布在南部基巖裸露區(qū)及周邊，為巖溶水直接補(bǔ)給區(qū)，對(duì)這一區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)和管理，劃定水源保護(hù)區(qū)，控制人類活動(dòng)，嚴(yán)禁排放污水和堆放垃圾，最大程度保護(hù)巖溶水安全［1］。