地下水水源地重点补给地段保护区划分研究——以玉符河流域为例

李传磊，贾 涛，刚什婷，陈奂良，刘春伟

(1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队/山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014；2.山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，山东 济南 250014)

济南市不仅以泉城闻名于世，而且具有独特的地下水优势[1]。济南岩溶水源地因其良好的水质和丰富的水资源量，是济南市工业农业、人类生活的重要供水水源[2]。岩溶水与上覆第四系含水层水力联系密切，较易受到人类活动的影响[3]。随着人口的增长和社会经济的发展，地下水资源污染和生态环境的破坏逐渐成为制约社会可持续发展的重要因素。水源保护区科学划分是水源地环境管理的重要手段，也是饮水安全的重要一环[4]。为保障饮用水安全，2018年生态环境部出台了《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ 338-2018 )(以下简称《规范》)[5]，进一步规范了水源地的管理，尤其是对保护区划分技术方法进行了规定。

以玉符河流域地下水水源地为研究区，在分析研究区水文地质条件的基础上，根据饮用水水源保护区划分技术规范》技术要求，采用经验公式法对水源地保护区进行了研究。

1 流域概况

1.1 地形地貌及水文地质条件

玉符河流域位于济南市属于黄河水系，地貌类型从南到北主要为丘陵、残丘、山前倾斜平原、黄河冲积平原，地形南高北低。玉符河是该流域的主要水系，发源于济南南部泰山北麓的长城岭，主要流经寨而头、西渴马、崔马、周王庄，最后注入黄河，全长85.4 km，流域面积751.3 km2。河道渗漏严重，是岩溶水的重要补给来源之一。由于玉符河上游修建数座大小不等水库，拦截地表径流，加上水库水向市区供水，目前玉符河催马以下河段基本常年断流，为季节性河流，岩溶水的补给量大大减少。

玉符河流域自南向北出露泰山群变质岩、寒武纪灰岩、白云岩、页岩，奥陶纪灰岩，石炭纪砂岩、泥岩、煤，第四纪松散层[6]。按照地下水补、径、排条件和资源条件等原因，地下水类型分为基岩裂隙水、岩溶裂隙水、第四系孔隙水(图1)。断裂构造主要为炒米店断裂，寒武奥陶纪灰岩为可溶性岩石，受该断裂构造的影响，灰岩地下岩溶裂隙发育很好，为地下水的赋存，提供了空间，北部不透水岩层-济南岩体、石炭纪含煤地层的存在，为地下水的富集提供了条件[7]。

1.岩溶水汇集区 2.岩溶水补给区 3.煤系地层阻水区 4.岩浆岩阻水区 5.变质岩分布区 6.透水断裂 7.隔水断裂 8.阻水断裂 9.阻水边界10.地表分水岭 11.水文单元边界 12.透水界线 13.断层 14.泉点 15.岩溶水流向 16.水源地及编号

1.2 富水机理

玉符河流域地形的南高北低与地层倾向的一致性为大气降水入渗提供了能量基础；巨厚层的可溶性灰岩的存在，及断裂构造的发育使得下游灰岩的岩溶裂隙发育，为地下水的储存提供了空间；北部含煤地层的大面积分布，含煤地层透水性极差，南部补给来的地下水沿裂隙通道向北部径流运移，受到不透水岩层的阻挡而富集(见图2)。

1.砾石 2.粘土 3.灰岩 4.白云岩 5.页岩夹薄层灰岩 6.泥灰岩 7.砂岩 8.泥岩 9.含煤地层 10.大气降水 11.岩溶地下水及径流方向 12.孔隙水及径流方向 13.断裂 14富水范围 15岩溶裂隙

2 地下水水源地现状

2.1 地下水水源地现状

玉符河流域地下水水源地包括古城、峨眉山、大杨庄、腊山四个水源地。峨嵋山、大杨、腊山3处水源地，共有供水机组35台，设计供水能力27.7万 m3/d。古城水源地供水井11眼，设计供水能力9.5万 m3/d。古城、峨眉、大杨、腊山水源地原是济南西部主要的原水供应水源，目前，主要作为济南后备水源，长期对供水设备的维护和保养，以备不时之需。

2.2 地下水源地水质评价

根据收集峨眉山水厂水质资料分析：1960年西郊峨嵋山水厂岩溶水矿化度为194 mg/L，至1990年分别升高至308 mg/L与235 mg/L，分别增加35.68%与21.13%；峨嵋山水厂2012年10月20日矿化度为414.00 mg/L，较1960年含量增加113.40%(图3)。1959年西郊峨嵋山水厂岩溶水的总硬度分别为153 mg/L，峨嵋山水厂2012年10月20日总硬度为251.00 mg/L，较1959年增加64.05%。

图3 峨嵋山水厂水化学指标变化特征

岩溶水硫酸盐含量呈快速增加的趋势。峨嵋山水厂硫酸盐含量在1984年之前基本稳定，维持在11.61～14.67 mg/L；1984-2004年呈波浪上升的趋势，2004年为21.00 mg/L，2012年10月20日含量为39.90 mg/L，较1960年增加2.43倍。

济南泉域氯化物含量也有明显升高的趋势。1959年峨嵋山水厂氯化物含量分别为9.60 mg/L。2012年峨嵋山水厂氯化物含量为24.00 mg/L，较1959年增加1.50倍。

就水化学变化趋势而言，峨嵋山水厂水化学各项指标1962年至1982年间相对稳定，至1982年之后方快速增加。通过分析可知，1982年之前其径流区和直接补给区人类活动强度相对较小，人类活动对地下水的影响较小，而之人类活动的导致水质在恶化，水源地受到污染威胁。

3 地下水水源地污染途径

3.1 面状垂直渗透污染

玉符河流域属于济南趵突泉泉域的一部分，属于岩溶水系统。岩溶水的主要补给来源有二：(1)碳酸盐直接裸露地表的地区直接接受大气降水的补给，(2)河谷渗漏段的集中渗入补给量。流域南部出露泰山岩群变质岩，及寒武纪灰岩、灰岩夹页岩，是地下水的间接补给区。流域北部及玉符河南部河床为灰岩裸露及浅埋区，是地下水的直接补给区。

3.1.1 降水补给

流域直接补给区面积为111.7 km2，按照多年平均降水量647 mm,降水入渗系数0.39计算，按照以下公式计算：

Q=P×F×α

(1)

式中：Q为降水补给量，P为多年平均降水量，F为补给区面积，α为降水入渗系数，经计算大气降水补给量为7.72万 m3/d。

3.1.2 入渗补给

2002年3月济南市水利局利用卧虎山水库放水，在玉符河进行放水回灌试验，3月12日21时放水，至3月27日17时停止，放水时间15 d，共计放水量800万 m3。通过对外围地下水动态观测发现西郊岩溶水对回灌补源反映明显，见图4～图6。

图4 回灌试验工程布置及扩展速率计算分区图

图5 KD4与J97号孔地下水动态曲线(2002.3.1-4.6)

图6 KB4与J92号孔地下水动态对比曲线(2002.3.1-4.6)

从图4、图5中可以看出：3月1日至试验初期，西郊岩溶水水位呈现持续下降，降幅在1.5～2.8 cm/d之间。随着放水时间延续，自3月17日开始部分岩溶水水位出现小幅回升，如殷家林J97号孔、KB4等等。17日玉符河河水尚未流经直接补给区。至3月20日，西郊玉符河两岸岩溶水观测孔均出现上升趋势(见表1)。从日均升幅和累计升幅可以看出，本次玉符河回灌试验岩溶水日均升幅在1.5～5.9 cm/d,不考虑试验前期日降幅的情况下，自然升幅在0.22～1.23 m。炒米店断裂带内影响最大，断裂带两侧影响逐渐减小见图7。

图7 回灌试验玉符河纵向回形速率柱形图

通过放水回灌试验，说明玉符河下游岩溶水的径流条件较好，回灌对下游地下水水位均有不同程度的抬升。

1.卵砾石 2.粘土 3.灰岩 4.白云岩 5页岩夹薄层灰岩 6.泥灰岩 7.大气降水 8.岩溶地下水及径流方向 9.断裂 10.地下岩溶裂隙

根据玉符河流域岩溶水补给方式分析对地下水造成的污染主要为面状垂直渗透污染。降水作为岩溶地下水的主要补给源，雨水溶滤地表固体污染物或混入随便排放的污水及地表回灌其它污染水体下渗补给岩溶水，污染物渗入岩溶水的速度快，是该地区岩溶水的主要污染途径。

3.2 带状侧向渗漏污染

根据收集地质钻孔资料，寨而头-崔马南地段，地层结构为二元结构，上部为第四系卵砾石层，下部为张夏组灰岩，崔马以下河段第四系底部普遍存在厚度10～30 m的粘性土隔水层。自然条件下该河道的主要渗漏段为：卧虎山水库大坝下-殷家林河段，总长度13.25 km(见图8)。

在回灌初期，二者之间的水头差较大，单位时间内在单位长度河道的河水渗漏量大，但随着地下水位的抬升，水力坡度逐渐减小，补给速度变缓，其渗漏量也就相应的减小,估算渗漏量约40万 m3/d。根据2014年生态补源卧虎山水库放水资料：该年度放水4 851万 m3，可以完全渗漏补给岩溶地下水，补给量约为：13.29万 m3/d。

河道底部多基岩裸露，溶蚀裂隙强烈发育，不仅为河流水体侧向渗漏补给地下水提供了方便条件，为已污染河水渗漏污染岩溶水提供了有力条件。

4 保护区划分技术

4.1 划分方法

2018年3月12日，国家环境保护总局发布了《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ 338-2018)，2018年7月1日开始实施。地下水水源地保护区划分常用方法主要有三种，主要有：经验值法[8-9]、经验公式[10]和数值模拟法[11-12]，根据不同水源地的水文地质条件和水源地规模选择不同的保护区划分方法。

本次地下水水源地保护区划分主要以《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ 338-2018)为依据。根据玉符河流域特殊地质情况采用经验公式确定保护区半径。然后再与规范提供的保护区经验值进行比较，确定水源地安全约束条件，通过综合分析，最后确定一级保护区范围。

4.2 保护区划分

4.2.1 一级保护区划分

现状地下水饮用水源为裂隙、岩溶性承压水型水源地，划定上部潜水的一级保护区作为承压水型水源地的一级保护区。根据技术规范对于孔隙水潜水型的大型水源地仍采用公式计算法，方法同中小型水源地。

R=α×K×I×T/n

(2)

式中：R为保护区半径，m；为安全系数(为了安全起见，在理论计算的基础上加上一定量，以防未来用水量的增加以及干旱期影响造成半径的扩大)；K为含水层渗透系数，m/d ；为水力坡度(为漏斗范围内的水力平均坡度)；T为污染物水平迁移时间，d，n为有效孔隙度。水源地取水井附近，第四系为多层结构，其厚度一般为40～160 m，在河床内存在厚度较大的粘土层，隔水性较好，根据经验数据，其渗透系数为1.08×10-6cm/s，为极微透水，其包气带防污能力强，通过计算可得古城、峨眉、大杨、腊山水源地其取水地段水厂院子范围应划为一级保护区。

4.2.2 二级保护区划分

现状地下水饮用水源为裂隙、岩溶性承压水型水源地一般不设二级保护区。

4.2.3 准保护区划分

考虑趵突泉岩溶水系统补给、径流、排泄系统的特殊性，玉符河重点渗漏地段作为地下水水源地的补给区，如果一旦受到污染，污染物将迅速迁移至水源地，不仅危及城区饮用水水源，恢复治理也是一个艰巨的过程，甚至造成不可逆转的危害。因此本次地下水水源保护区进行准保护区划分。

水源地补给区玉符河重点渗漏地段水库大坝-殷家林河段，地层结构为“二元结构”，上部为第四纪松散层，下部为基岩-灰岩(见图9)。第四纪地层为单层及双层结构，其厚度一般为为1～40 m，在河床内上部主要为卵砾石层，透水性较好，第四系与灰岩含水层水力联系较好，渗漏量较大。根据2014年在催马庄玉符河河道渗透试验：卵砾石混粘土的渗透系数为10.72 m/d(合1.24×10-2cm/s)，为强透水段，包气带防污性能弱。由于该地段为水源地补给区重要渗漏地段，应划为准保护区。

图9 催马庄西侧玉符河垂直河道剖面图

根据岩溶地下水水文地质条件的复杂性、水环境的敏感程度、地层包气带的防污性能及水质现状，认为：水源地补给区重点渗漏段与取水地段同等重要，也应该划为一级保护区，并按照有关保护措施依法进行保护。

5 结语

玉符河流域地下水水源地主要为古城、峨眉山、大杨庄、腊山四个水源地，是济南市应急供水备用水源地，根据《饮用水水源地保护区划分技术规范》(中华人民共和国环境保护行业标准HJ/T338-2007)要求，其取水地段水厂院子范围应划为一级保护区，并采取相应措施进行保护。玉符河流域地下水水源主要来源于大气降水入渗、水库放水时的河床渗漏，玉符河主要的渗漏段为卧虎山水库大坝下至殷家林河段，长度13.25 km，渗透量较大，应划分为准保护区，但是水源地水质的优劣与补给区来水水质关系更为密切，因此该水源地的重点补给地段与水源地取水地段同等重要，应按照一级保护区划定范围并进行保护。