滕州荊泉水源地水文地質條件分析及防污性能評價

孔凡杜，李慶林，王士路，馬亞弟，鄒雙英，陳華飛

(山東省煤田地質局第一勘探隊，山東 青島 266500)

0 引言

水資源是人類生存和發展的基本要素，近些年，我國經濟社會快速發展，對水資源的需求量也不斷擴大，隨著大量地下水資源的不合理開采，地下水污染日益加劇，嚴重影響地下水生態及供水安全，這就需要對地下水資源進行科學的保護[1-4]。

荊泉水源地位于滕州市市區東北約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，現狀供水量6.2×104m3/d，供水履蓋面積34km2，占城區規劃面積的90%，供水覆蓋人口30萬人。近年來隨著國民經濟的發展，水源地及其上游補給區人類活動的增多，其地下水質有逐漸變差的趨勢[6]，歷史上也曾發生過地下水污染事故[7]，因此查明水源地水文地質條件、評價其防污性能，對開展水源地地下水保護、保障滕州市城區供水安全具有重要的意義[8]。

1 地質概況

荊泉水源地地層區劃屬華北-柴達木地層大區華北地層區魯西地層分區，本區地層不甚完整，北部丘陵區大面積分布新太古代泰山巖群變質巖系及各期侵入巖，僅在局部山谷中分布少量的第四紀山前組地層，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馬家溝群地層，南部為元古代侵入巖。東南部丘陵山區出露奧陶紀馬家溝群、奧陶-寒武紀九龍群和長清群地層。

2 水文地質條件

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單元為滕縣東部丘陵谷地，該水文地質單元包括滕州市的東北部、山亭區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單元西南部邊緣的秦林-俞寨富水地段的西南部。水文地質單元及水源地水文地質條件見圖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；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圖

2.1 主要含水巖組

區內主要的供水含水巖組為第四紀松散巖類孔隙含水巖組和奧陶-寒武紀碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組。

其中第四紀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小區東南部的沖洪積平原內，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。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-寒武紀碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組由灰巖及灰巖夾頁巖組成。根據其巖性組合、裂隙巖溶發育的特征及地下水運動條件，分為2個亞類：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九龍群炒米店組、奧陶紀九龍群三山子組和馬家溝群灰巖裂隙巖溶含水層。該亞組大部分隱伏于第四紀松散層之下，其埋藏深度由東向西逐漸增大，至龍陽附近70m左右。該亞組從東到西巖溶發育逐漸增強，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。該含水層水質良好，礦化度小于0.4g/L，屬低礦化度水，水化學類型屬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，構成丘陵低山地形，巖溶發育程度較差，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、構造等條件的變化而出現較大差異。其巖溶裂隙多沿不同巖性界面及構造帶附近發育，在構造及地貌條件較有利部位，常有泉水出露[9]；當有垂直于地下水流向的斷層阻隔時，地下水因阻水富集，富水性可增強。該巖溶裂隙水水質良好，礦化度0.5g/L左右，為HCO3-Ca型水。

2.2 地下水運動特征

荊泉水源地位于滕縣東部丘陵谷地水文地質單元地下水匯集與集中排泄區，含水層為奧陶紀馬家溝群五陽山組灰巖，巖溶地下水主要補給來源有大氣降水入滲、河水滲漏及灌溉水回滲三部分。

大氣降水入滲補給范圍覆蓋全區。東北部碳酸鹽巖丘陵區，降水沿碳酸鹽巖裂隙巖溶直接入滲補給地下水，其他地區通過第四間接入滲補給。城河東西向穿越該區，上游連接巖馬水庫，青石莊—城頭段河道灰巖裸露，裂隙巖溶發育，豐水期地表徑流及平時水庫放水大量滲漏補給地下水。西南部變質巖及部分灰巖隱伏區，風化層及第四紀松散層具有透水性，灌溉水的回滲，對地下水起到補給作用；在城頭東部地區，修建有連接巖馬水庫的引水灌渠，引水庫水進行大水漫灌部分農田，包氣帶截留后的余水入滲也對地下水產生補給。

地下水排泄途徑主要為人工開采和側向徑流。人工開采活動分布整個碳酸鹽巖區，大部分村莊均打有供水深井，人畜生活用水均取用地下水，農田灌溉也開采地下水，集中取水以俞寨地段的荊泉水源地開采量最大。

區內地下水總體由北東往南西方向運動。受地形地貌、地層構造、巖溶發育及水動力條件等因素影響，不同區域徑流條件存在明顯差異。區內枯水期與豐水期地下水流場基本一致，由于補給量減少和開采量增加，枯水期地下水水力梯度較豐水期大。

3 水源地水文地質條件多年變化特征

3.1 地下水流場

荊泉水源地的補給、徑流、排泄區流場分布自1992年以來發生了一定的變化，在地下水獲得補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。這主要是因為隨著經濟的發展，區內工農業用水量不斷增加而造成了開采量的增加(圖3)。從圖中可以看出地下水降幅較大的區域主要分布在東部東郭鎮—城頭鎮一帶，降幅較大的主要原因是該區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，但是此處地下水開采較為集中，開采量較大。

1—斷裂；2—隱伏斷裂；3—水源地；4—水位降幅分區邊界圖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灰巖，裂隙巖溶水具有匯水面積大，徑流條件好，排泄集中的特點。除接受大氣降水入滲補給外，還接收其上游巖馬水庫放水的滲漏補給。因此，地下水水位動態除受大氣降水影響外，還受開采及水庫放水的影響。表現在每次大的降水過程后，水位明顯回升，然后緩慢下降，枯水季節，如遇上游水庫放水灌溉農田，地下水水位亦有較明顯回升。反映出該水源地地下水補給迅速，徑流快的特點。

地下水水位多年動態主要與降水量、開采量的變化相關。該水源地自1975年建成投產以來，開采量基本保持穩定，近年來受農田灌溉及城市供水壓力的影響，水源地開采量有所增加。1986—1996年，開采量在小于允許開采量的前提下穩步增加，由1.9萬m3/d增至7.8萬m3/d；1997—2005年開采量保持在8.2萬～8.7萬m3/d；2006—2010年開采量又降至5.5萬～5.8萬m3/d；2010—2015年逐漸增加到了8.6萬m3/d；2015年以后，開采量開始減小，減小至6.2萬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，降幅在14.98m/a。2014年荊泉水源地首次發生巖溶塌陷(年最低水位埋深14.41m)，2015年巖溶塌陷發生頻繁，共發生11次(年最低水位埋深26.86m)，2016年出現多年水位最低值(年最低水位埋深37.57m)，發生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，荊泉水源地未發生巖溶塌陷地質災害(地下水位埋深6.64～12.30m，圖4)。

圖4 荊泉水源地多年水位、大氣降水及開采量動態曲線

3.3 地下水水化學特征

根據水源地1991—2017年水質動態資料及本次采樣分析成果，多年來以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。

地下水水質多年動態表現為：1991—2017年水源地地下水各主要指標有逐漸升高的趨勢，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，說明地下水水質有變差的趨勢(圖5)。

荊泉水源地的補給、徑流區域，在1991年至今同樣有逐漸升高的趨勢(圖6、圖7)。通過對比1991年與2017年TDS等值線分布情況，在1991年時，只有東郭鎮駐地及桑村鎮駐地局部大于500mg/L，至2017年包括水源地在內大部分區域大于500mg/L。

4 地下水防污性能評價

本次對地下水水源地防污性能評價采用點評分指數模型。首先選擇對地下水污染影響最明顯的地質與水文地質條件作為評價因子；第二，對各因子的評分范圍進行劃分，各評分范圍給予不同的分值；第三，根據各種因子對地下水防污性能影響的大小給以不同的權重值，影響大的權重值大，反之則小；最后把各單因子的評分值通過某種數學方式變為量綱為1的防污性能指數，以防污性能指數的大小評價該地區地下水防污性能的好與差[10-13]。防污性能評價方法一般分為COP法和DRASTIC法[14-17]，其中COP評價方法是歐洲科技領域研究合作組織(COST)第620號行動提出的“巖溶含水層保護的脆弱性與風險填圖”歐洲評價法中的一種，主要基于徑流條件C(Concentration flow)、上覆巖層O(Overlying layers)和降水P(Precipitation)三大評價體系，用于評價巖溶含水層的本質脆弱性。荊泉水源地以巖溶水為主，因此本次評價采用COP法。

圖5 荊泉水源地水質長期動態曲線

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法指標體系及模型

(1)上覆巖層因子O

反映包氣帶的保護能力，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對地下水具有自凈處理功能，取值由土層質地和厚度決定見表1。

非飽和帶巖性指標OL取3個參數對其進行量化：巖性和裂隙(Iy)、厚度(m)、含水層承壓性(Cn)。OL值的獲得見公式1、公式2。

表1 土壤參數OS取值表

OL=LI·Cn

(1)

LI=[∑(Iy·m)]

(2)

式中：LI為巖層指標；Iy用于評價巖石類型和裂隙發育的級別評分；Cn為含水層賦存條件指標評分；OL為非飽和帶巖性指標。各指標評分體系見表2，上覆巖層O因子分級見表3。

表2 上覆巖層因子評分體系表

表3 上覆巖層因子O分級表

(2)匯流因子C

參照非落水洞匯水范圍的評價方法對研究區徑流特征(C)進行評價。植被條件、地形坡度、地表滲透性及裂隙發育程度是決定非落水洞匯水區內徑流和滲透的主要因素。C因子評分計算式見公式3。裂隙巖溶發育程度Sf評分見表4，植被與坡度Sv的評分標準見表5。C因子保護能力分級見表6。

C=Sf·Sv (3)

表5 植被與坡度Sv的評分標準

表6 C因子與保護能力分級表

(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)和降水強度(Pi)2個次級因子來評估，P因子評分計算式見公式4。

P=PQ+Pi

(4)

式中：Pi為年降水強度=年降水量/年降水天數。PQ、Pi評分取值見表7，P因子保護能力分級見表8。

表7 大氣降水因子評分體系表

表8 P因子與保護能力分級表

4.2 防污性能分區

根據前面的計算的上覆巖層因子O、匯流因子C、大氣降水因子P，將O因子、C因子、P因子分區圖利用MapGIS軟件進行疊加，根據公式COP=C×O×P，計算COP指標分值，根據分值區間進行防污性能分級，繪制出地下水防污性能分區圖。COP指標值0～0.5的區域劃分為“防污性能非常低”；COP指標值0.5～1的區域劃分為“防污性能低”；COP指標值1～2的區域劃分為“防污性能中等”；COP指標值2～4的區域劃分為“防污性能高”；COP指標值4～15的區域劃分為“防污性能非常高”[18-20]。評價結果見圖8，從圖中可以看出地下水防污性能高的區域位于水文地質單元北部巖漿巖變質巖山區，這些地區大面積分布巖漿巖，巖石滲透性能差，不容易受到污染；防污性能中等地區主要分布于水文地質單元的南部山區沖洪積平原，這些地區基本為第四系覆蓋，厚度大于0.5m；地下水防污性能低區位于水文地質單元的東南部碳酸鹽巖山區及其山麓一帶，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；2—防污性能中等區；3—防污性能非常低區；4—防污性能分區邊界；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圖

5 結論

(1)荊泉水源地地下水資源豐富，主要供水含水層為奧陶紀灰巖巖溶含水層，單井涌水量在10000m3/d以上。

(2)巖溶地下水主要補給來源有大氣降水入滲、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采和側向徑流；區內地下水總體由北東往南西方向運動。地下水水位多年動態主要與降水量、開采量的變化相關。

(3)地下水水質多年動態表現為水源地地下水各主要指標有逐漸升高的趨勢，地下水水質有變差的趨勢。

(4)地下水防污性能高的區域位于水文地質單元北部巖漿巖變質巖山區，防污性能中等地區主要分布于水文地質單元的南部山區沖洪積平原，防污性能低區位于水文地質單元的東南部碳酸鹽巖山區及其山麓一帶。

(5)加強水源地及其周邊地下水位、水質動態監測工作，區域布置上應對地下水補給、徑流、排泄條件進行控制。由于該地區巖溶塌陷較為嚴重，地下水動態監測工作還應兼顧巖溶塌陷的監測和預警工作，形成地下水動態監測網絡。