基于组合法对云南玉溪盘溪大龙潭岩溶水源地保护区的划分

莫美仙, 刘燕华, 王 娜, 邱文龙, 贺皎皎

(1.玉溪师范学院 地理与国土工程学院,云南 玉溪 653100;2.云南省有色地质局三一三队,云南 玉溪 653100)

0 引言

岩溶地区具有典型的地上、地下双层结构[1]。地表岩溶发育,降水很容易入渗地下,岩溶水主要以大泉、暗河的形式排泄,地下河水力坡度大,动态变化极不稳定,地表水与地下水转化频繁,除大江大河外,地表水文网发育差,无完整的地表水体系,地表水缺乏,但地下水资源总量丰富[2]。因此,岩溶地下水是岩溶石山地区重要的水源。

由于岩溶水具有地上、地下双层结构,水文地质结构复杂,地下水的防污性能较差。为保证用水安全,建立地下水水源地保护区是可靠、有效的方法和手段[3-8]。岩溶山区地质环境条件复杂,补给区碳酸盐岩大面积裸露,岩溶发育,地表洼地、落水洞、竖井发育,地表水可通过落水洞、竖井等以灌入式补给岩溶地下水或者暗河系统,从而导致岩溶地下水受到污染。在研究水源地保护区划分时,如何兼顾大片裸露补给区的防护是值得研究的。已有学者采用多种方法组合来进行水源地护区的划分,均取得良好的效果[7-11]。

盘溪大龙潭(又名七犀潭)位于云南省玉溪市华宁县盘溪镇,是云南规模较大、西南岩溶石山地区典型的岩溶高原地下河系统,承载着华宁县城、江川县城、通海县城、抚仙湖西岸、南岸、东岸、玉溪市中心城区及盘溪镇供水重任。其补给、径流区成土能力较差,表层覆盖层较薄,甚至有的地区大面积碳酸盐岩裸露地表,这就造成地下水的防污性能较差。为保证该岩溶地区用水安全,建立地下水水源地保护区是有必要的[4-6,12]。本文选取盘溪大龙潭为研究对象,利用经验公式法和水文地质条件分析法相组合对大龙潭岩溶水源地保护区进行划分,以期该研究结果可为同样具有大片岩溶裸露补给区的岩溶水源地保护区划分方法的选取,以及玉溪市相关部门进行盘溪大龙潭岩溶水源地保护区划分提供一定依据。

1 研究区水源地概况

盘溪大龙潭(又名七犀潭)的地下河出口位于玉溪市华宁县盘溪镇东部挂榜山脚。

盘溪大龙潭水源地建成于2015年,设计取水量为2.5 m3/s,实际取水量为2.5 m3/s,取水方式为倒虹吸取水+泵站提水,目前为在用饮用水水源地。主要为华宁县城、江川县城、通海县城、抚仙湖西岸、南岸、东岸、玉溪市中心城区及盘溪镇提供饮用水水源。

大龙潭地下暗河出口高程约1 140 m,流量为8 445.60 L/s,其补、径、排主要受含水层分布及断裂构造控制。大龙潭属管道型岩溶水,具有较大的汇水面积,良好的径流条件,集中排泄等特点。大龙潭地下河系统汇水区范围涉及玉溪市华宁县盘溪镇和红河哈尼族彝族自治州弥勒市西一镇、西二镇和五山乡一带。主要的补给区位于暗河出口东北部的岩溶山区,行政区划上属弥勒市管辖。

2 大龙潭岩溶水系统特征

2.1 大龙潭岩溶水系统边界

结合前人采用水文地质地面调查法、示踪试验、物探等多种方法的研究成果[13],大龙潭地下河系统边界由5段组成(图1),系统面积462.10 km2。东部边界(a—b段)和南部边界(b—c段)地表地下分水岭重合;西南部边界(c—d段)为砂岩、泥岩为隔水层边界。在地下河系统的西南部区域内,出露的地层主要为曲靖组(D2q)白云岩,富水性好,而与曲靖组(D2q)相邻的地层宣武田组(D2x),该地层的上部岩性为石英砂岩、砂岩和和泥岩,平均厚度约为100 m,富水性较差。宣武田组的上部岩层可以作为整个系统的西南区域的隔水边界;西北部边界(d—e段)为西山与大河的地表分水岭界线。起点为西二镇,终点为滥泥箐村的西北部,主要经过了关上村、大云村等村寨。地下河系统西北部外发育1条地表河,名为大河,该地表河从南向北流动,与地下河系统的地下水整体流向相反;东北部边界(e—a段)为利用洼地分析法和示踪试验共同联合确定的地下分水岭边界。起点为西一镇滥泥箐村的西北部,终点为西一镇野猪塘村。

2.2 岩溶地下水补给、径流、排泄条件

大龙潭地下河系统补给径流区大致分为2个部分:东部岩溶高原面补给区和西部盘溪盆地斜坡径流区(图2)[14]。地下水主要接受大气降水补给,雨季有少量大沟边沟水沿岩溶裂隙侧向补给地下水。

西部盘溪盆地斜坡径流区自西向东依次出露的含水层有曲靖组(D2q)、一打得组(D3y)、在结山组(D3z)、大塘组(C1d)、威宁组(C2w)、马平组(C3m)、栖霞组(P1q)、茅口组(P1m)、路美邑组(E2l)。由于曲靖组(D2q)、一打得组(D3y)、在结山组(D3z)、路美邑组(E2l)属间互状碳酸盐岩层组,可溶岩与非可溶岩交替分布,岩溶依附可溶岩的展布而顺层发育,形态多以溶蚀裂隙、溶洞为主。地下水在法克—百家田—白龙山—青场—龙门村—舍莫一带接受降雨垂直渗入补给后顺溶蚀裂隙、溶洞等岩溶形态向南径流,在径流过程中仍不断有降雨通过洼地、漏斗、落水洞下渗补给地下水。部分地下水径流至老黑山断层时,沿断层发育的分支岩溶管道汇入大龙潭主体地下河管道,其余地下水则继续向南径流至大龙潭主断层时直接汇入大龙潭地下河管道。大龙潭主断层以南的地下水在歪碑—石碑—小鱼塘—独家—四家一线经洼地、漏斗、落水洞等岩溶负地貌接受降雨补给后通过溶蚀裂隙向分支岩溶管道汇集,最终进入大龙潭主体地下河管道。

东部岩溶高原面补给区出露的含水层有曲靖组(D2q)、上泥盆统(D3)、大塘组上司段(C1ds)、威宁组(C2w)、马平组(C3m)、栖霞组(P1q)、茅口组(P1m),均属均匀状灰岩层组,质纯,层厚。洼地、漏斗、落水洞等岩溶负地貌极为发育,大气降水以垂直渗入或灌入为主,地下水接受补给后通过岩溶裂隙、溶洞或者暗河管道等地下岩溶形态由东向西运移,当径流至老黑山断层和大龙潭主断层时,经分支地下河管道汇入大龙潭主体地下河管道内。汇集于大龙潭地下河主管道中的地下水在向西径流过程中,由于受到宣武田组隔水层的阻挡,并于盘溪盆地东部边缘地带集中排泄。

图1 盘溪大龙潭水文地质图(据云南大龙潭地下河系统1∶5万水文地质调查[14] )

图2 盘溪大龙潭水文地质剖面图

3 研究方法

目前,常用的地下水水源地保护区划分方法主要有经验值法、经验公式法和数值模拟法。可根据不同水源的水文地质特征和水源地规模选择不同的保护区划分方法。数字模拟法是利用数学模型,应用流体力学的原理,以及水中污染物质的质量守恒,建立溶质在水体中的迁移扩散方程,运行反向示踪模拟得到溶质的迁移情况;经验法划分是根据前人的工作经验和国家规定的水源地划分原则,直接给定保护区范围的一种方法。中小型水源可采用经验公式法,资料严重缺乏的,采用经验值法确定保护区范围。根据《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ338-2018)要求[15],地下水饮用水源地按开采规模分为中小型水源地(日开采量小于5万m3)和大型水源地(日开采量大于或等于5万m3)。盘溪大龙潭日开采量为2.5万m3/d,为中小型水源地,前人在研究区开展过1∶5万、1∶20万水文地质调查,因此,利用经验公式法确定一级保护区范围并进行面积计算。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等特点,为避免岩溶水型水源地保护区将造成岩溶裸露区的保护缺失。由于大面积裸露的岩溶区岩溶水的主要补给区,具有下渗快,地下水流速快的特点,这些区域无论从水质还是水量保护考虑,均属于较敏感区域。为更准确合理地划分岩溶水水源地保护区,采用水文地质分析法来划分二级保护区范围。

采用经验公式法对大龙潭岩溶水源地一级保护区面积进行计算;二级保护区是建立在大龙潭岩溶水系统水文地质条件、岩溶发育特征分析的基础上采用水文地质分析法来划定的;准保护区是除一级和二级保护区以外的区域。

4 岩溶水源地保护区划分

4.1 水源地保护区划分

根据岩溶水的成因特点,岩溶水分为岩溶裂隙网络型、峰林平原强径流带型、溶丘山地网络型、峰丛洼地管道型和断陷盆地构造型5种类型。根据研究区的水文地质特征和岩溶发育情况,确定盘溪大龙潭水源地的地下水类型为峰丛洼地管道型地下水饮用水源地。

饮用水水源保护区划分技术规范(HJ 338-2018)明确要求岩溶水饮用水水源保护区划分,须考虑溶蚀裂隙中的管道流与落水洞的集水作用。根据该规范中的7.4.3溶丘山地网络型、峰丛洼地管道型、断陷盆地构造型水源保护区划分技术方法如下:

(1)一级保护区

大龙潭水源地一级保护区以岩溶管道为轴线,水源地上游不小于(1 000+R) m,下游不小于100 m,两侧宽度式(1)计算:

R=α×K×I×T/n

式(1)

式中:R为保护区管道两侧半径/m;α为安全系数,取200%;K为含水层渗透系数/m·d-1,据《1∶20万弥勒幅区域水文地质普查报告》结果,参考D2、D3经验渗透系数,取0.25 m/d;I为水力坡度,取0.2。(根据现场调查结果计算获取:大龙潭水位标高1 156 m,水沟村池塘水位标高1 374 m,两地平距1 838 m)。T为污染物水平迁移时间/d,取100 d;N为有效孔隙度,据1∶20万弥勒幅区域水文地质普查结果参考同类型岩性经验参数,取0.015。

经计算大龙潭饮用水水源保护区岩溶管道两侧半径R为666 m,为方便管理,取R=670 m。岩溶管道上游延伸距离为1 000+R即1 670 m。

(2)二级保护区

大龙潭岩溶水系统东北部补给区地表岩溶发育,洼地、漏斗、落水洞遍布,地表水以灌入式补给地下水,补给后对大龙潭水源地的水质影响较大,水质检测结果表明大龙潭总大肠菌群超标,分析认为主要是补给径流区农村面源污染和农村生活污染所致。因此,将东北部西一镇一带的落水洞及周边地区划分为水源二级保护区,其范围为:以落水洞为圆心,半径100 m所圈定的区域。

(3)准保护区

大龙潭岩溶水源地补给径流区为大片的耕地、村庄分布,碳酸盐岩裸露、地表岩溶发育,地表土层较薄,防污性能差。大龙潭水源地肩负着华宁县城、江川县城、通海县城、抚仙湖西岸、南岸、东岸、玉溪市中心城区及盘溪当地饮用水供应责任,服务人口众多,为防范饮用水水源污染风险,保障饮用水安全,将泉域内除一、二级保护区外的其他补给径流区划为准保护区(图3)。

4.2 水源地保护区划分结果

盘溪大龙潭岩溶水源地为地下河排泄口,为集中式供水水源,据《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ338—2018),将大龙潭岩溶水源地保护区划分为一级、二级和准保护区,一级保护区范围包括大龙潭公园水域,面积0.01 km2,以及大龙潭取水口周边陆域,西起大龙潭公园水域东岸、大龙潭村东村界—大龙潭村南一级山脊—东北至茶厂西南侧山脊,面积1 km2。二级保护区主要是地下河系统东北部西一镇补给径、流区的落水洞为中心的区域。具体以落水洞为圆心,半径100 m计算的范围,面积为12.83 km2;准保护区面积为地下河系统范围内除了一、二级保护区以外的区域,面积为448.77 km2。

5 结论

本次采用组合法划分盘溪大龙潭岩溶水源地保护区,一级保护区和二级保护区摒弃传统的大区套小区的思维模式,从岩溶裸露补给区的实际出发,合理的划定二级保护区的范围,避免了对岩溶裸露区保护的缺失,更好地保护水源地的主要补给区,确保岩溶地下水的可持续开发和利用,为大龙潭水源地的合理开发和保护提供科学依据和参考。

图3 盘溪大龙潭饮用水水源地保护区划分