基于組合法對云南玉溪盤溪大龍潭巖溶水源地保護區的劃分

莫美仙, 劉燕華, 王 娜, 邱文龍, 賀皎皎

(1.玉溪師范學院 地理與國土工程學院,云南 玉溪 653100;2.云南省有色地質局三一三隊,云南 玉溪 653100)

0 引言

巖溶地區具有典型的地上、地下雙層結構[1]。地表巖溶發育,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,動態變化極不穩定,地表水與地下水轉化頻繁,除大江大河外,地表水文網發育差,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重要的水源。

由于巖溶水具有地上、地下雙層結構,水文地質結構復雜,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是可靠、有效的方法和手段[3-8]。巖溶山區地質環境條件復雜,補給區碳酸鹽巖大面積裸露,巖溶發育,地表洼地、落水洞、豎井發育,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,從而導致巖溶地下水受到污染。在研究水源地保護區劃分時,如何兼顧大片裸露補給區的防護是值得研究的。已有學者采用多種方法組合來進行水源地護區的劃分,均取得良好的效果[7-11]。

盤溪大龍潭(又名七犀潭)位于云南省玉溪市華寧縣盤溪鎮,是云南規模較大、西南巖溶石山地區典型的巖溶高原地下河系統,承載著華寧縣城、江川縣城、通?？h城、撫仙湖西岸、南岸、東岸、玉溪市中心城區及盤溪鎮供水重任。其補給、徑流區成土能力較差,表層覆蓋層較薄,甚至有的地區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。為保證該巖溶地區用水安全,建立地下水水源地保護區是有必要的[4-6,12]。本文選取盤溪大龍潭為研究對象,利用經驗公式法和水文地質條件分析法相組合對大龍潭巖溶水源地保護區進行劃分,以期該研究結果可為同樣具有大片巖溶裸露補給區的巖溶水源地保護區劃分方法的選取,以及玉溪市相關部門進行盤溪大龍潭巖溶水源地保護區劃分提供一定依據。

1 研究區水源地概況

盤溪大龍潭(又名七犀潭)的地下河出口位于玉溪市華寧縣盤溪鎮東部掛榜山腳。

盤溪大龍潭水源地建成于2015年,設計取水量為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、玉溪市中心城區及盤溪鎮提供飲用水水源。

大龍潭地下暗河出口高程約1 140 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造控制。大龍潭屬管道型巖溶水,具有較大的匯水面積,良好的徑流條件,集中排泄等特點。大龍潭地下河系統匯水區范圍涉及玉溪市華寧縣盤溪鎮和紅河哈尼族彝族自治州彌勒市西一鎮、西二鎮和五山鄉一帶。主要的補給區位于暗河出口東北部的巖溶山區,行政區劃上屬彌勒市管轄。

2 大龍潭巖溶水系統特征

2.1 大龍潭巖溶水系統邊界

結合前人采用水文地質地面調查法、示蹤試驗、物探等多種方法的研究成果[13],大龍潭地下河系統邊界由5段組成(圖1),系統面積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。在地下河系統的西南部區域內,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的西南區域的隔水邊界;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,終點為濫泥箐村的西北部,主要經過了關上村、大云村等村寨。地下河系統西北部外發育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合確定的地下分水嶺邊界。起點為西一鎮濫泥箐村的西北部,終點為西一鎮野豬塘村。

2.2 巖溶地下水補給、徑流、排泄條件

大龍潭地下河系統補給徑流區大致分為2個部分:東部巖溶高原面補給區和西部盤溪盆地斜坡徑流區(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向補給地下水。

西部盤溪盆地斜坡徑流區自西向東依次出露的含水層有曲靖組(D2q)、一打得組(D3y)、在結山組(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育,形態多以溶蝕裂隙、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,沿斷層發育的分支巖溶管道匯入大龍潭主體地下河管道,其余地下水則繼續向南徑流至大龍潭主斷層時直接匯入大龍潭地下河管道。大龍潭主斷層以南的地下水在歪碑—石碑—小魚塘—獨家—四家一線經洼地、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,最終進入大龍潭主體地下河管道。

東部巖溶高原面補給區出露的含水層有曲靖組(D2q)、上泥盆統(D3)、大塘組上司段(C1ds)、威寧組(C2w)、馬平組(C3m)、棲霞組(P1q)、茅口組(P1m),均屬均勻狀灰巖層組,質純,層厚。洼地、漏斗、落水洞等巖溶負地貌極為發育,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由東向西運移,當徑流至老黑山斷層和大龍潭主斷層時,經分支地下河管道匯入大龍潭主體地下河管道內。匯集于大龍潭地下河主管道中的地下水在向西徑流過程中,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 盤溪大龍潭水文地質圖(據云南大龍潭地下河系統1∶5萬水文地質調查[14] )

圖2 盤溪大龍潭水文地質剖面圖

3 研究方法

目前,常用的地下水水源地保護區劃分方法主要有經驗值法、經驗公式法和數值模擬法?？筛鶕煌吹乃牡刭|特征和水源地規模選擇不同的保護區劃分方法。數字模擬法是利用數學模型,應用流體力學的原理,以及水中污染物質的質量守恒,建立溶質在水體中的遷移擴散方程,運行反向示蹤模擬得到溶質的遷移情況;經驗法劃分是根據前人的工作經驗和國家規定的水源地劃分原則,直接給定保護區范圍的一種方法。中小型水源可采用經驗公式法,資料嚴重缺乏的,采用經驗值法確定保護區范圍。根據《飲用水水源保護區劃分技術規范》(HJ338-2018)要求[15],地下水飲用水源地按開采規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)。盤溪大龍潭日開采量為2.5萬m3/d,為中小型水源地,前人在研究區開展過1∶5萬、1∶20萬水文地質調查,因此,利用經驗公式法確定一級保護區范圍并進行面積計算。巖溶水型水源地含水層具有非均質、各項異性且滲透系數較大等特點,為避免巖溶水型水源地保護區將造成巖溶裸露區的保護缺失。由于大面積裸露的巖溶區巖溶水的主要補給區,具有下滲快,地下水流速快的特點,這些區域無論從水質還是水量保護考慮,均屬于較敏感區域。為更準確合理地劃分巖溶水水源地保護區,采用水文地質分析法來劃分二級保護區范圍。

采用經驗公式法對大龍潭巖溶水源地一級保護區面積進行計算;二級保護區是建立在大龍潭巖溶水系統水文地質條件、巖溶發育特征分析的基礎上采用水文地質分析法來劃定的;準保護區是除一級和二級保護區以外的區域。

4 巖溶水源地保護區劃分

4.1 水源地保護區劃分

根據巖溶水的成因特點,巖溶水分為巖溶裂隙網絡型、峰林平原強徑流帶型、溶丘山地網絡型、峰叢洼地管道型和斷陷盆地構造型5種類型。根據研究區的水文地質特征和巖溶發育情況,確定盤溪大龍潭水源地的地下水類型為峰叢洼地管道型地下水飲用水源地。

飲用水水源保護區劃分技術規范(HJ 338-2018)明確要求巖溶水飲用水水源保護區劃分,須考慮溶蝕裂隙中的管道流與落水洞的集水作用。根據該規范中的7.4.3溶丘山地網絡型、峰叢洼地管道型、斷陷盆地構造型水源保護區劃分技術方法如下:

(1)一級保護區

大龍潭水源地一級保護區以巖溶管道為軸線,水源地上游不小于(1 000+R) m,下游不小于100 m,兩側寬度式(1)計算:

R=α×K×I×T/n

式(1)

式中:R為保護區管道兩側半徑/m;α為安全系數,取200%;K為含水層滲透系數/m·d-1,據《1∶20萬彌勒幅區域水文地質普查報告》結果,參考D2、D3經驗滲透系數,取0.25 m/d;I為水力坡度,取0.2。(根據現場調查結果計算獲取:大龍潭水位標高1 156 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1∶20萬彌勒幅區域水文地質普查結果參考同類型巖性經驗參數,取0.015。

經計算大龍潭飲用水水源保護區巖溶管道兩側半徑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

大龍潭巖溶水系統東北部補給區地表巖溶發育,洼地、漏斗、落水洞遍布,地表水以灌入式補給地下水,補給后對大龍潭水源地的水質影響較大,水質檢測結果表明大龍潭總大腸菌群超標,分析認為主要是補給徑流區農村面源污染和農村生活污染所致。因此,將東北部西一鎮一帶的落水洞及周邊地區劃分為水源二級保護區,其范圍為:以落水洞為圓心,半徑100 m所圈定的區域。

(3)準保護區

大龍潭巖溶水源地補給徑流區為大片的耕地、村莊分布,碳酸鹽巖裸露、地表巖溶發育,地表土層較薄,防污性能差。大龍潭水源地肩負著華寧縣城、江川縣城、通?？h城、撫仙湖西岸、南岸、東岸、玉溪市中心城區及盤溪當地飲用水供應責任,服務人口眾多,為防范飲用水水源污染風險,保障飲用水安全,將泉域內除一、二級保護區外的其他補給徑流區劃為準保護區(圖3)。

4.2 水源地保護區劃分結果

盤溪大龍潭巖溶水源地為地下河排泄口,為集中式供水水源,據《飲用水水源保護區劃分技術規范》(HJ338—2018),將大龍潭巖溶水源地保護區劃分為一級、二級和準保護區,一級保護區范圍包括大龍潭公園水域,面積0.01 km2,以及大龍潭取水口周邊陸域,西起大龍潭公園水域東岸、大龍潭村東村界—大龍潭村南一級山脊—東北至茶廠西南側山脊,面積1 km2。二級保護區主要是地下河系統東北部西一鎮補給徑、流區的落水洞為中心的區域。具體以落水洞為圓心,半徑100 m計算的范圍,面積為12.83 km2;準保護區面積為地下河系統范圍內除了一、二級保護區以外的區域,面積為448.77 km2。

5 結論

本次采用組合法劃分盤溪大龍潭巖溶水源地保護區,一級保護區和二級保護區摒棄傳統的大區套小區的思維模式,從巖溶裸露補給區的實際出發,合理的劃定二級保護區的范圍,避免了對巖溶裸露區保護的缺失,更好地保護水源地的主要補給區,確保巖溶地下水的可持續開發和利用,為大龍潭水源地的合理開發和保護提供科學依據和參考。

圖3 盤溪大龍潭飲用水水源地保護區劃分