滕州荆泉水源地水文地质条件分析及防污性能评价

孔凡杜，李庆林，王士路，马亚弟，邹双英，陈华飞

(山东省煤田地质局第一勘探队，山东 青岛 266500)

0 引言

水资源是人类生存和发展的基本要素，近些年，我国经济社会快速发展，对水资源的需求量也不断扩大，随着大量地下水资源的不合理开采，地下水污染日益加剧，严重影响地下水生态及供水安全，这就需要对地下水资源进行科学的保护[1-4]。

荆泉水源地位于滕州市市区东北约8.5km的俞寨村与后荆沟村之间，为滕州市城市最重要的供水水源地[5]。水源地始建于1974年，现有供水井16眼，井深130～200m，形成了输水、配水8×104m3/d的配套能力，现状供水量6.2×104m3/d，供水履盖面积34km2，占城区规划面积的90%，供水覆盖人口30万人。近年来随着国民经济的发展，水源地及其上游补给区人类活动的增多，其地下水质有逐渐变差的趋势[6]，历史上也曾发生过地下水污染事故[7]，因此查明水源地水文地质条件、评价其防污性能，对开展水源地地下水保护、保障滕州市城区供水安全具有重要的意义[8]。

1 地质概况

荆泉水源地地层区划属华北-柴达木地层大区华北地层区鲁西地层分区，本区地层不甚完整，北部丘陵区大面积分布新太古代泰山岩群变质岩系及各期侵入岩，仅在局部山谷中分布少量的第四纪山前组地层，厚度一般小于4m。中部及南部山前冲积平原基本为第四系所覆盖，主要为山前组、临沂组和沂河组，厚度0～70m，自西往东逐渐增厚；第四系之下中部为奥陶纪马家沟群地层，南部为元古代侵入岩。东南部丘陵山区出露奥陶纪马家沟群、奥陶-寒武纪九龙群和长清群地层。

2 水文地质条件

荆泉水源地以原鲁南著名的岩溶大泉——荆泉命名[7]，其泉域即水源地所在的水文地质单元为滕县东部丘陵谷地，该水文地质单元包括滕州市的东北部、山亭区的西北部和邹城市的东南部，面积约1054km2，荆泉水源地位于水文地质单元西南部边缘的秦林-俞寨富水地段的西南部。水文地质单元及水源地水文地质条件见图1和图2。

松散层孔隙水单井涌水量：1—3000～5000m3/d；2—1000～3000m3/d；3—500～1000m3/d；4—<500m3/d；碳酸盐岩裂隙岩溶水单井涌水量：5—<500m3/d；碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙水单井涌水量：6—<500m3/d；基岩裂隙水单井涌水量：7—<100m3/d；8—水库；9—含水岩组界线；10—富水性分界线；11—地形等高线；12—河流；13—断裂；14—推测断裂；15—水源地；16—地下水流向图1 滕县东部丘陵谷地水文地质图

松散层孔隙水单井涌水量：1—3000～5000m3/d；2—1000～3000m3/d；3—500～1000m3/d；4—<500m3/d；碳酸盐岩裂隙岩溶水单井涌水量：5—<500m3/d(露头型)；6—>5000m3/d(隐伏型)；7—1000～5000m3/d(隐伏型)；8—500～1000m3/d(隐伏型)；碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙水单井涌水量：9—<500m3/d；基岩裂隙水单井涌水量：10—<100m3/d；11—地层界线；12—孔隙水富水性分界线；13—含水岩组隐伏界线；14—地形等高线；15—河流；16—断裂；17—隐伏断裂；18—水源地；19—岩溶水隐伏富水性分界线；20—马家沟群；21—三山子组；22—炒米店组；23—崮山组；24—张夏组；25—馒头组；26—朱砂洞组；27—侵入岩图2 荆泉水源地水文地质图

2.1 主要含水岩组

区内主要的供水含水岩组为第四纪松散岩类孔隙含水岩组和奥陶-寒武纪碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组。

其中第四纪松散岩类孔隙含水岩组主要分布于滕县东部丘陵谷地水文地质小区东南部的冲洪积平原内，北部及东部山前亦有零星分布。地层均为第四系，厚度0～70m。地下水主要赋存于各类砂层、砂砾石孔隙中，属潜水或半承压水性质。主要富水地段在邵疃、西明—大寨一带，单井涌水量在1000～3000m3/d。

奥陶-寒武纪碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组由灰岩及灰岩夹页岩组成。根据其岩性组合、裂隙岩溶发育的特征及地下水运动条件，分为2个亚类：碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组和碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙含水岩组。

①碳酸盐岩类裂隙岩溶含水亚组：该含水岩组主要包括寒武纪九龙群炒米店组、奥陶纪九龙群三山子组和马家沟群灰岩裂隙岩溶含水层。该亚组大部分隐伏于第四纪松散层之下，其埋藏深度由东向西逐渐增大，至龙阳附近70m左右。该亚组从东到西岩溶发育逐渐增强，单井涌水量逐渐增大，在西南部俞寨—秦林一带形成富水地段，单井涌水量大于5000m3/d，荆泉水源地及位于该富水地段内。该含水层水质良好，矿化度小于0.4g/L，属低矿化度水，水化学类型属HCO3-Ca型或HCO3-Ca·Mg型。

②碳酸盐岩夹碎屑岩类裂隙岩溶含水亚组：含水层由长清群至九龙群崮山组组成，主要分布单元的南部和东部，并覆盖于泰山岩群之上，构成丘陵低山地形，岩溶发育程度较差，富水性较弱，单井涌水量小于500m3/d。地下水的埋藏及富水性随地貌、岩性、构造等条件的变化而出现较大差异。其岩溶裂隙多沿不同岩性界面及构造带附近发育，在构造及地貌条件较有利部位，常有泉水出露[9]；当有垂直于地下水流向的断层阻隔时，地下水因阻水富集，富水性可增强。该岩溶裂隙水水质良好，矿化度0.5g/L左右，为HCO3-Ca型水。

2.2 地下水运动特征

荆泉水源地位于滕县东部丘陵谷地水文地质单元地下水汇集与集中排泄区，含水层为奥陶纪马家沟群五阳山组灰岩，岩溶地下水主要补给来源有大气降水入渗、河水渗漏及灌溉水回渗三部分。

大气降水入渗补给范围覆盖全区。东北部碳酸盐岩丘陵区，降水沿碳酸盐岩裂隙岩溶直接入渗补给地下水，其他地区通过第四间接入渗补给。城河东西向穿越该区，上游连接岩马水库，青石庄—城头段河道灰岩裸露，裂隙岩溶发育，丰水期地表径流及平时水库放水大量渗漏补给地下水。西南部变质岩及部分灰岩隐伏区，风化层及第四纪松散层具有透水性，灌溉水的回渗，对地下水起到补给作用；在城头东部地区，修建有连接岩马水库的引水灌渠，引水库水进行大水漫灌部分农田，包气带截留后的余水入渗也对地下水产生补给。

地下水排泄途径主要为人工开采和侧向径流。人工开采活动分布整个碳酸盐岩区，大部分村庄均打有供水深井，人畜生活用水均取用地下水，农田灌溉也开采地下水，集中取水以俞寨地段的荆泉水源地开采量最大。

区内地下水总体由北东往南西方向运动。受地形地貌、地层构造、岩溶发育及水动力条件等因素影响，不同区域径流条件存在明显差异。区内枯水期与丰水期地下水流场基本一致，由于补给量减少和开采量增加，枯水期地下水水力梯度较丰水期大。

3 水源地水文地质条件多年变化特征

3.1 地下水流场

荆泉水源地的补给、径流、排泄区流场分布自1992年以来发生了一定的变化，在地下水获得补给量差别不大的情况下(1991年降水量870.5mm，2017年降水量828.5mm)，水位埋深整体有所下降，埋深下降幅度在2～9m，大部分地段降幅在6m以上。这主要是因为随着经济的发展，区内工农业用水量不断增加而造成了开采量的增加(图3)。从图中可以看出地下水降幅较大的区域主要分布在东部东郭镇—城头镇一带，降幅较大的主要原因是该区域含水层富水性较弱。而水源地—大寨一带，虽然地下含水层富水性较强，但是此处地下水开采较为集中，开采量较大。

1—断裂；2—隐伏断裂；3—水源地；4—水位降幅分区边界图3 荆泉水源地水位降幅图

3.2 地下水位

荆泉水源地含水层为隐伏的奥陶纪灰岩，裂隙岩溶水具有汇水面积大，径流条件好，排泄集中的特点。除接受大气降水入渗补给外，还接收其上游岩马水库放水的渗漏补给。因此，地下水水位动态除受大气降水影响外，还受开采及水库放水的影响。表现在每次大的降水过程后，水位明显回升，然后缓慢下降，枯水季节，如遇上游水库放水灌溉农田，地下水水位亦有较明显回升。反映出该水源地地下水补给迅速，径流快的特点。

地下水水位多年动态主要与降水量、开采量的变化相关。该水源地自1975年建成投产以来，开采量基本保持稳定，近年来受农田灌溉及城市供水压力的影响，水源地开采量有所增加。1986—1996年，开采量在小于允许开采量的前提下稳步增加，由1.9万m3/d增至7.8万m3/d；1997—2005年开采量保持在8.2万～8.7万m3/d；2006—2010年开采量又降至5.5万～5.8万m3/d；2010—2015年逐渐增加到了8.6万m3/d；2015年以后，开采量开始减小，减小至6.2万m3/d。2013年以前地下水位基本保持在4.3～13.62m，仅有小幅振荡；2014—2016年地下水位呈陡降趋势，降幅在14.98m/a。2014年荆泉水源地首次发生岩溶塌陷(年最低水位埋深14.41m)，2015年岩溶塌陷发生频繁，共发生11次(年最低水位埋深26.86m)，2016年出现多年水位最低值(年最低水位埋深37.57m)，发生3次岩溶塌陷。2016年以后，在减采和降水丰沛的共同作用下，水位回升至6.64m，此后，荆泉水源地未发生岩溶塌陷地质灾害(地下水位埋深6.64～12.30m，图4)。

图4 荆泉水源地多年水位、大气降水及开采量动态曲线

3.3 地下水水化学特征

根据水源地1991—2017年水质动态资料及本次采样分析成果，多年来以HCO3-Ca型水为主，其中在2010年为HCO3-Ca·Mg型水、2013年为HCO3·SO4-Ca·Na型水、2014年为HCO3·SO4-Ca·Na型水。TDS多小于500mg/L，总硬度多小于300mg/L。

地下水水质多年动态表现为：1991—2017年水源地地下水各主要指标有逐渐升高的趋势，其中总硬度升高了0.80倍，矿化度升高了0.73倍，硫酸盐升高了3.37倍，氯化物升高了2.00倍，硝酸盐升高了1.41倍，钙离子升高了0.80倍，镁离子升高了0.78倍，钾+钠离子升高了1.08倍，说明地下水水质有变差的趋势(图5)。

荆泉水源地的补给、径流区域，在1991年至今同样有逐渐升高的趋势(图6、图7)。通过对比1991年与2017年TDS等值线分布情况，在1991年时，只有东郭镇驻地及桑村镇驻地局部大于500mg/L，至2017年包括水源地在内大部分区域大于500mg/L。

4 地下水防污性能评价

本次对地下水水源地防污性能评价采用点评分指数模型。首先选择对地下水污染影响最明显的地质与水文地质条件作为评价因子；第二，对各因子的评分范围进行划分，各评分范围给予不同的分值；第三，根据各种因子对地下水防污性能影响的大小给以不同的权重值，影响大的权重值大，反之则小；最后把各单因子的评分值通过某种数学方式变为量纲为1的防污性能指数，以防污性能指数的大小评价该地区地下水防污性能的好与差[10-13]。防污性能评价方法一般分为COP法和DRASTIC法[14-17]，其中COP评价方法是欧洲科技领域研究合作组织(COST)第620号行动提出的“岩溶含水层保护的脆弱性与风险填图”欧洲评价法中的一种，主要基于径流条件C(Concentration flow)、上覆岩层O(Overlying layers)和降水P(Precipitation)三大评价体系，用于评价岩溶含水层的本质脆弱性。荆泉水源地以岩溶水为主，因此本次评价采用COP法。

图5 荆泉水源地水质长期动态曲线

1—TDS等值线；2—水源地图6 1991年荆泉水源地TDS等值线图

1—TDS等值线；2—水源地图7 2017年荆泉水源地TDS等值线图

4.1 COP法指标体系及模型

(1)上覆岩层因子O

反映包气带的保护能力，可分为土壤(OS)和非饱和带(OL)两层。上覆岩层因子O=[OS]+[OL]。土壤层OS对地下水具有自净处理功能，取值由土层质地和厚度决定见表1。

非饱和带岩性指标OL取3个参数对其进行量化：岩性和裂隙(Iy)、厚度(m)、含水层承压性(Cn)。OL值的获得见公式1、公式2。

表1 土壤参数OS取值表

OL=LI·Cn

(1)

LI=[∑(Iy·m)]

(2)

式中：LI为岩层指标；Iy用于评价岩石类型和裂隙发育的级别评分；Cn为含水层赋存条件指标评分；OL为非饱和带岩性指标。各指标评分体系见表2，上覆岩层O因子分级见表3。

表2 上覆岩层因子评分体系表

表3 上覆岩层因子O分级表

(2)汇流因子C

参照非落水洞汇水范围的评价方法对研究区径流特征(C)进行评价。植被条件、地形坡度、地表渗透性及裂隙发育程度是决定非落水洞汇水区内径流和渗透的主要因素。C因子评分计算式见公式3。裂隙岩溶发育程度Sf评分见表4，植被与坡度Sv的评分标准见表5。C因子保护能力分级见表6。

C=Sf·Sv (3)

表5 植被与坡度Sv的评分标准

表6 C因子与保护能力分级表

(3)大气降水P因子

主要反映降水特征，由多年平均降水量(PQ)和降水强度(Pi)2个次级因子来评估，P因子评分计算式见公式4。

P=PQ+Pi

(4)

式中：Pi为年降水强度=年降水量/年降水天数。PQ、Pi评分取值见表7，P因子保护能力分级见表8。

表7 大气降水因子评分体系表

表8 P因子与保护能力分级表

4.2 防污性能分区

根据前面的计算的上覆岩层因子O、汇流因子C、大气降水因子P，将O因子、C因子、P因子分区图利用MapGIS软件进行叠加，根据公式COP=C×O×P，计算COP指标分值，根据分值区间进行防污性能分级，绘制出地下水防污性能分区图。COP指标值0～0.5的区域划分为“防污性能非常低”；COP指标值0.5～1的区域划分为“防污性能低”；COP指标值1～2的区域划分为“防污性能中等”；COP指标值2～4的区域划分为“防污性能高”；COP指标值4～15的区域划分为“防污性能非常高”[18-20]。评价结果见图8，从图中可以看出地下水防污性能高的区域位于水文地质单元北部岩浆岩变质岩山区，这些地区大面积分布岩浆岩，岩石渗透性能差，不容易受到污染；防污性能中等地区主要分布于水文地质单元的南部山区冲洪积平原，这些地区基本为第四系覆盖，厚度大于0.5m；地下水防污性能低区位于水文地质单元的东南部碳酸盐岩山区及其山麓一带，这些地段第四系厚度较薄，厚度小于0.5m，岩性以砂土为主，岩溶地下水可直接受到大气降水和地表水的影响，容易受到污染。

1—防污性能高区；2—防污性能中等区；3—防污性能非常低区；4—防污性能分区边界；5—地形等高线；6—水系；7—水源地图8 荆泉水源地防污性能分区图

5 结论

(1)荆泉水源地地下水资源丰富，主要供水含水层为奥陶纪灰岩岩溶含水层，单井涌水量在10000m3/d以上。

(2)岩溶地下水主要补给来源有大气降水入渗、河水渗漏及灌溉水回渗三部分；地下水排泄途径主要为人工开采和侧向径流；区内地下水总体由北东往南西方向运动。地下水水位多年动态主要与降水量、开采量的变化相关。

(3)地下水水质多年动态表现为水源地地下水各主要指标有逐渐升高的趋势，地下水水质有变差的趋势。

(4)地下水防污性能高的区域位于水文地质单元北部岩浆岩变质岩山区，防污性能中等地区主要分布于水文地质单元的南部山区冲洪积平原，防污性能低区位于水文地质单元的东南部碳酸盐岩山区及其山麓一带。

(5)加强水源地及其周边地下水位、水质动态监测工作，区域布置上应对地下水补给、径流、排泄条件进行控制。由于该地区岩溶塌陷较为严重，地下水动态监测工作还应兼顾岩溶塌陷的监测和预警工作，形成地下水动态监测网络。