岩溶水型水源地保护区划分方法研究——以济南市曹楼水源地为例

王金晓，陈奂良，滕跃，高菡，张文强，张翼飞

(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 济南 250014；2.山东省煤田地质规划勘察研究院，山东 济南 250014)

0 引言

水源地在经济社会发展过程中有重要作用，划分饮用水水源保护区并开展有效管理，是国际上普遍采用的水源保护措施，也是保护水源水质安全最有效的措施之一，一方面可以通过一定的距离和时间，让污染物在到达供水井前能够被各种介质所拦截净化，使其浓度降低到目标含量;另一方面也可以让相关部门在地下水受污染后有一定的应急处置时间，使地下饮用水源的水质到达规定的标准;实现地下饮用水水源地的长效发展[1-4]。我国借鉴美国和欧盟流程时间的划分理念，发布了《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ 338—2018)，提出了应急响应时间法确定地表水源水域保护区的划分方法，同时，在地表水源陆域划分方法中，借鉴了美国和欧盟全流域保护理念，增加了地形边界法和缓冲区法，并考虑到我国土地利用紧张的现实，还对2种方法的适用条件分别进行了规定，以方便各地在选择保护区划分方法时参考[5-8]。

地下水源保护和污染防治工作按保护区级别不同而要求不同，因此划分各级保护区的界线十分关键。保护区如果划分过小，则不能起到水源地的保护作用，如果划分的过大，则可能增加不必要的保护和污染防治工作量，经济成本也会相应提高，因此保护区范围应该科学合理地加以确定[9-16]。

现行的《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ338—2018)中提供了不同类型饮用水源地保护区的划分方法，规范规定岩溶水型水源地，以上部潜水的一级保护区作为水源地的一级保护区，一般不设二级保护区[17-20]。岩溶水型水源地含水层具有非均质、各项异性且渗透系数较大的特点，以现有规范划分水源地保护区将缺少对下部岩溶水的保护。

为更准确合理的划分岩溶水型水源地保护区，采用组合法，以济南市曹楼水源地为研究对象，在确定地下水主径流通道的基础上，选用岩溶含水层的水文地质参数计算水源地保护区范围，再结合水文地质条件及地形地貌特征对保护区的边界进行修正，得到最终的保护区边界。

1 水源地概况

1.1 水源地基本情况

曹楼水源地位于济南市长清区归德镇曹楼村东1300m，孝里铺断裂东侧(图1)，总体处于区域裂隙岩溶水的径流排泄区。

1—第四系；2—奥陶系；3—寒武系；4—侵入岩；5—断裂；6—地下水水源地图1 曹楼水源地区域地质简图

曹楼水源地位于长孝富水区，该区属于鲁中南中低山丘陵碳酸盐岩为主的水文地质区、平阴-临朐水文地质亚区、平阴单斜岩溶水系统，其西南部与旧县单斜岩溶水系统相邻，东北部与济南单斜岩溶水系统相邻(济南泉域)。曹楼水源地所在的长孝水文地质单元具有以溶隙、溶孔为主及少量溶穴、管道组成的网络型导水通道和蓄水体系，含水介质导水和富水程度，具有各向异性和不均一性，它们相对独立，具有各自的水文地质条件。通过透水断裂存在一定的水力联系，根据水文地质条件，确定曹楼水源地为岩溶裂隙网络型水源地。

1.2 水源地含水岩组类型及特征

曹楼水源地位于山前冲洪积平原区，地形较平坦，总体地势南东高，北西低。根据济南市长孝水源地曹楼井组阶段性开采抽水试验总结报告(1)陆书南，陈奂良.济南市长孝水源地曹楼井组阶段性开采抽水试验总结报告，2011年。，曹楼水源地主要含水岩组为寒武-奥陶系碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组，包括奥陶纪马家沟群北庵庄组灰岩、豹皮灰岩裂隙岩溶含水亚组和寒武-奥陶纪九龙群三山子组微晶白云岩、细晶白云岩裂隙岩溶含水亚组2个含水亚组。

1.3 水源地补径排条件

曹楼水源地位于长孝水文地质单元裂隙岩溶水的径流排泄区，南部岩溶水沿孝里铺断裂向北运动，与接受补给后由南东向北西运动的裂隙岩溶水汇合，使曹楼水源地周边地带形成了较强的富水地段。

水源地主要补给来源主要为大气降水入渗补给，第四系孔隙水渗透补给及南部径流补给。地下水流向由南东向北西方向运动，至孝里铺断裂附近折向北东。地下水的排泄途径主要为地下径流排泄及人工开采排泄。

1.4 水源地开发利用现状

水源地有4眼供水井，开采井揭露的含水层主要为北庵庄组灰岩及三山子组白云岩，含水层厚度74.89～97.90m。目前水源地一般开采3眼井，另外1眼作为备用井，水源地日开采量在4.08万～4.56万m3左右，单井开采量值约为13754.43m3/d，供应济南西客站附近的生活用水。

2 水源地保护区划分方法

2.1 方法介绍

组合法是以水质量守恒为基础，即水源地范围内抽水量与补给量守恒。当含水层系统的自然状态下的地下水流动强度高于因抽水导致的地下水流动强度时，含水层系统固有流动状态占主导，此时保护区范围呈椭圆；反之，当因抽水导致的地下水流动占主导时，保护区范围近似呈圆形[1]。该方法适用于近似满足以下条件的地下水水源地：含水层补给率和抽水率是不变的；区域地下水流场变化稳定；抽水井相互之间没有干扰或干扰可忽略；含水层边界对抽水井的降落漏斗没有影响。

曹楼水源地附近属于地下水强径流区，含水层系统固有的流通状态占主导，因此其保护区范围呈现椭圆形。《地下水源地保护区划分方法与应用》提出了利用组合法确定地下水水源地保护区的步骤(图2)，并提出了相应的计算公式(1)～(5)，本次利用公式初步计算水源地保护区的范围。

图2 保护区划分过程图

2.2 划分过程

2.2.1 确定地下水流向

根据曹楼水源地2017年枯水期等水位线可知(图3)，水源地附近地下水总体径流方向由东南向西北，地下水主径流通道一条沿西部孝里铺断裂由南西向北东，另一条由东南方向的东马山村向西北方向径流。

2.2.2 确定保护区在低水头方向的边界及保护区的宽度

利用公式(1)确定水源地保护区在高水头和低水头方向的延伸距离之比，利用公式(2)确定保护区最大宽度。

du/dd=Q/2πKib

(1)

w=Q/Kib

(2)

式中：du—保护区在高水头方向的延伸距离(m);dd—保护区在低水头方向的延伸距离(m)；Q—单井开采量13754.43m3/d;K—渗透系数，根据水源地抽水试验数据计算得568.85m/d；i—平均水力梯度，根据等水位线图确定为0.001；b—含水层厚度，取86.28m；w—保护区短轴最大宽度(m)。

由此计算得水源地保护区在高、低水头方向的延伸距离比为44.62，保护区的短轴方向的最大宽度为280.24m。

2.2.3 计算水源地保护区的总面积

根据公式(3)计算水源地各级保护区的面积

A=tQ/bn

(3)

式中：A—以时间t为标准时的保护区总面积(m2)；t—给定的时间标准，一级保护区取100d，二级保护区取1000d[4]；Q—开采量，取开采量的平均值13754.43m3/d；b—含水层厚度，取86.28m；n—岩溶裂隙率，取0.1。

计算得一级保护区面积为159416.203m2，二级保护区面积1594162.03m2。

1—岩溶水等水位线；2—岩溶水流向；3—统测点编号及水位标高(m)图3 曹楼水源地枯水期等水位线图

2.2.4 计算保护区的长轴长度

根据公式(4)计算保护区长轴长度，根据公式(5)及在高水头和低水头方向的延伸距离之比计算水源地长轴在高、低水头方向的延伸距离。

w/2=A/(πd/2)

(4)

d=dd+du

(5)

式中：A—以时间t为标准时的保护区总面积(m2)；w—保护区短轴最大宽度，取280.24m；d—保护区长轴长度，一级保护区724.66m，二级保护区7246.6m；du—保护区向高水头方向的延伸距离，一级保护区708.57m，二级保护区7085.7m；dd—保护区向低水头方向的延伸距离，一级保护区15.88m，二级保护区158.8m。

2.2.5 确定椭圆形保护区范围

以计算后的数值分别圈定2条主径流带方向椭圆形保护区的范围，叠加后初步得到水源地保护区的范围。

3 保护区范围修正

在初步确定保护区的范围后，根据地形地貌、地层、构造及水文地质条件对保护区的边界进行修正。水源地一级保护区以开采井为中心，高水头方向延伸距离为708.57m，低水头方向延伸距离15.88m；二级保护区2条主径流带的保护范围依据计算后的结果划定，高水头方向延伸距离7085.7m，低水头方向延伸距离158.8m，非主径流带以1000～5000m3/d富水性分区界线为界，高水头方向的延伸距离为2722.5m，低水头方向延伸距离158.8m。根据济南市长孝水源地曹楼井组阶段性开采抽水试验总结报告，水源地在进行过开采性抽水试验过程中，地下水降落漏斗越过孝里铺断裂NW向延伸，孝里铺以西对水源地有一定的补给作用，因此本次将孝里铺断裂划分至二级保护区范围内，同时根据地表分水岭对水源地南部二级保护区的界线进行调整，最终确定水源地保护区的边界(图4)。

1—松散岩类孔隙含水岩组；2—碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组；3—地下水流向；4—地下水水源地；5—地层界线；6—隐伏断层透水段；7—隐伏端侧阻水段；8—一级保护区界线；9—二级保护区界线图4 曹楼水源地保护区划分图

4 结论

(1)水源地保护区划分是加强水源地科学管理、改善水源地生态和卫生环境、保障饮用水水质安全的一项重要工作。岩溶水含水层具有不均质、各项异性的特点，因此对岩溶水型水源地的保护应具有更强的针对性。

(2)组合法考虑了水源地开采、水动力场对保护区的影响，通过地下水等水位线确定地下水的主径流带方向，修正后的水源地保护区以水源地地下水流场为基础，加强了对主径流带的保护，同时减少不必要的保护，降低了保护成本。

(3)在全面了解水源地水文地质特征、地质地貌条件的基础上，修正地下水水源地保护区范围，可更好的实现地下水资源的保护。