基于組合法對云南玉溪盤溪大龍?zhí)稁r溶水源地保護區(qū)的劃分

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,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,地表水可通過落水洞、豎井等以灌入式補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。在研究水源地保護區(qū)劃分時,如何兼顧大片裸露補給區(qū)的防護是值得研究的。已有學(xué)者采用多種方法組合來進行水源地護區(qū)的劃分,均取得良好的效果[7-11]。

盤溪大龍?zhí)?又名七犀潭)位于云南省玉溪市華寧縣盤溪鎮(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)及盤溪鎮(zhèn)供水重任。其補給、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區(qū)是有必要的[4-6,12]。本文選取盤溪大龍?zhí)稙檠芯繉ο?利用經(jīng)驗公式法和水文地質(zhì)條件分析法相組合對大龍?zhí)稁r溶水源地保護區(qū)進行劃分,以期該研究結(jié)果可為同樣具有大片巖溶裸露補給區(qū)的巖溶水源地保護區(qū)劃分方法的選取,以及玉溪市相關(guān)部門進行盤溪大龍?zhí)稁r溶水源地保護區(qū)劃分提供一定依據(jù)。

1 研究區(qū)水源地概況

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

盤溪大龍?zhí)端吹亟ǔ捎?015年,設(shè)計取水量為2.5 m3/s,實際取水量為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、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。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)劃上屬彌勒市管轄。

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、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。起點為西二鎮(zhèn),終點為濫泥箐村的西北部,主要經(jīng)過了關(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,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共同聯(lián)合確定的地下分水嶺邊界。起點為西一鎮(zhèn)濫泥箐村的西北部,終點為西一鎮(zhèn)野豬塘村。

2.2 巖溶地下水補給、徑流、排泄條件

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

西部盤溪盆地斜坡徑流區(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—龍門村—舍莫一帶接受降雨垂直滲入補給后順溶蝕裂隙、溶洞等巖溶形態(tài)向南徑流,在徑流過程中仍不斷有降雨通過洼地、漏斗、落水洞下滲補給地下水。部分地下水徑流至老黑山斷層時,沿斷層發(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◆~塘—獨家—四家一線經(jīng)洼地、漏斗、落水洞等巖溶負地貌接受降雨補給后通過溶蝕裂隙向分支巖溶管道匯集,最終進入大龍?zhí)吨黧w地下河管道。

東部巖溶高原面補給區(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,地下水接受補給后通過巖溶裂隙、溶洞或者暗河管道等地下巖溶形態(tài)由東向西運移,當徑流至老黑山斷層和大龍?zhí)吨鲾鄬訒r,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^程中,由于受到宣武田組隔水層的阻擋,并于盤溪盆地東部邊緣地帶集中排泄。

圖1 盤溪大龍?zhí)端牡刭|(zhì)圖(據(jù)云南大龍?zhí)兜叵潞酉到y(tǒng)1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查[14] )

圖2 盤溪大龍?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區(qū)劃分方法主要有經(jīng)驗值法、經(jīng)驗公式法和數(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)在水體中的遷移擴散方程,運行反向示蹤模擬得到溶質(zhì)的遷移情況;經(jīng)驗法劃分是根據(jù)前人的工作經(jīng)驗和國家規(guī)定的水源地劃分原則,直接給定保護區(qū)范圍的一種方法。中小型水源可采用經(jīng)驗公式法,資料嚴重缺乏的,采用經(jīng)驗值法確定保護區(qū)范圍。根據(jù)《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ338-2018)要求[15],地下水飲用水源地按開采規(guī)模分為中小型水源地(日開采量小于5萬m3)和大型水源地(日開采量大于或等于5萬m3)。盤溪大龍?zhí)度臻_采量為2.5萬m3/d,為中小型水源地,前人在研究區(qū)開展過1∶5萬、1∶20萬水文地質(zhì)調(diào)查,因此,利用經(jīng)驗公式法確定一級保護區(qū)范圍并進行面積計算。巖溶水型水源地含水層具有非均質(zhì)、各項異性且滲透系數(shù)較大等特點,為避免巖溶水型水源地保護區(qū)將造成巖溶裸露區(qū)的保護缺失。由于大面積裸露的巖溶區(qū)巖溶水的主要補給區(qū),具有下滲快,地下水流速快的特點,這些區(qū)域無論從水質(zhì)還是水量保護考慮,均屬于較敏感區(qū)域。為更準確合理地劃分巖溶水水源地保護區(qū),采用水文地質(zhì)分析法來劃分二級保護區(qū)范圍。

采用經(jīng)驗公式法對大龍?zhí)稁r溶水源地一級保護區(qū)面積進行計算;二級保護區(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)分析法來劃定的;準保護區(qū)是除一級和二級保護區(qū)以外的區(qū)域。

4 巖溶水源地保護區(qū)劃分

4.1 水源地保護區(qū)劃分

根據(jù)巖溶水的成因特點,巖溶水分為巖溶裂隙網(wǎng)絡(luò)型、峰林平原強徑流帶型、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)造型水源保護區(qū)劃分技術(shù)方法如下:

(1)一級保護區(qū)

大龍?zhí)端吹匾患壉Ｗo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)計算:

R=α×K×I×T/n

式(1)

式中:R為保護區(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∶20萬彌勒幅區(qū)域水文地質(zhì)普查報告》結(jié)果,參考D2、D3經(jīng)驗滲透系數(shù),取0.25 m/d;I為水力坡度,取0.2。(根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果計算獲取:大龍?zhí)端粯烁? 156 m,水溝村池塘水位標高1 374 m,兩地平距1 838 m)。T為污染物水平遷移時間/d,取100 d;N為有效孔隙度,據(jù)1∶20萬彌勒幅區(qū)域水文地質(zhì)普查結(jié)果參考同類型巖性經(jīng)驗參數(shù),取0.015。

經(jīng)計算大龍?zhí)讹嬘盟幢Ｗo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)二級保護區(qū)

大龍?zhí)稁r溶水系統(tǒng)東北部補給區(qū)地表巖溶發(fā)育,洼地、漏斗、落水洞遍布,地表水以灌入式補給地下水,補給后對大龍?zhí)端吹氐乃|(zhì)影響較大,水質(zhì)檢測結(jié)果表明大龍?zhí)犊偞竽c菌群超標,分析認為主要是補給徑流區(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)劃分為水源二級保護區(qū),其范圍為:以落水洞為圓心,半徑100 m所圈定的區(qū)域。

(3)準保護區(qū)

大龍?zhí)稁r溶水源地補給徑流區(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吹丶缲撝A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)及盤溪當?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,保障飲用水安全,將泉域內(nèi)除一、二級保護區(qū)外的其他補給徑流區(qū)劃為準保護區(qū)(圖3)。

4.2 水源地保護區(qū)劃分結(jié)果

盤溪大龍?zhí)稁r溶水源地為地下河排泄口,為集中式供水水源,據(jù)《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ338—2018),將大龍?zhí)稁r溶水源地保護區(qū)劃分為一級、二級和準保護區(qū),一級保護區(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)洞迥弦患壣郊埂獤|北至茶廠西南側(cè)山脊,面積1 km2。二級保護區(qū)主要是地下河系統(tǒng)東北部西一鎮(zhèn)補給徑、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計算的范圍,面積為12.83 km2;準保護區(qū)面積為地下河系統(tǒng)范圍內(nèi)除了一、二級保護區(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溪大龍?zhí)稁r溶水源地保護區(qū),一級保護區(qū)和二級保護區(qū)摒棄傳統(tǒng)的大區(qū)套小區(qū)的思維模式,從巖溶裸露補給區(qū)的實際出發(fā),合理的劃定二級保護區(qū)的范圍,避免了對巖溶裸露區(qū)保護的缺失,更好地保護水源地的主要補給區(qū),確保巖溶地下水的可持續(xù)開發(fā)和利用,為大龍?zhí)端吹氐暮侠黹_發(fā)和保護提供科學(xué)依據(jù)和參考。

圖3 盤溪大龍?zhí)讹嬘盟吹乇Ｗo區(qū)劃分