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山东羊庄岩溶水系统饮用水水源地保护区划分探讨

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垫塑 Q:垫 Science and Technology Innovation Herald 资源与环境 山东羊庄岩溶水系统饮用水水源地保护区划分探讨 卜华 陈占成‘ 张良鹏 (1.山东省鲁南地质工程勘察院 兖州 2721 00;2.山东省临沂市水利局 临沂 276001) 摘要:羊庄岩溶水系统是我国北方岩溶发育区较为典型的系统之一,多年来为地方工农业发展提供了丰富的岩溶水资源;为解决枣庄市 和滕州市城市供水矛盾,又规划向两市区供给饮用水源 而近几年的水质监洲资料显示,岩溶水已经受到了一定程度的污栗,多项化学指 标含量逐年升高,对城市供水水质安全形成了潜在威胁,本文根据岩溶水系统的水文地质条件和多年动态观测资料,采用Visual Modflow 及MT3DMS模块分别建立地下水水流和水质模型,模拟预测了规划水濠地未来开采条件下的溶质运移状况,划分了水i啄地一衄,二衄和 准保护区。为加强岩溶水系统的环境管理和水源地水质防护提供了决策依据。 关键词:岩溶水系统 地下水 水泺地 保护区划分 中图分类号:TV 文献标识码:A 文章编号:l874一o98x(2oo8)o7(b)一ol10-04 羊庄岩溶水系统位于山东省枣庄市和 滕州市交界处的羊庄盆地,是两市地下水 资源最丰富的地区。以往地下水资源的开 发利用,主要为工业和当地农业及农村用 水;随着枣庄市、滕州市城市规模不断扩 大和经济迅速发展,城市需水量日益递增, 为缓解城区供水紧张局面,分别规划在岩 溶水系统的龙山头和羊庄地段建设水源地 向两城区供给饮用水源。由于盆地内大部 分地区基岩裸露,地表水、地下水转换迅 速,降水入渗条件优越,地质环境相对脆 弱;地表污染物不断往地下水中渗透运移, 导致地下水的环境质量不断向变差方向发 展。开展饮用水水源地保护区划分,对于 加强岩溶水系统的环境保护与污染防治、 保障枣庄市和滕州市的饮水水质安全具有 重要的指导意义。 1岩溶水系统概况及地质环境条件 1.I岩溶水系统概况 羊庄岩溶水系统又称羊庄盆地岩溶水 系统,范围涉及枣庄市山亭区和滕卅I市的 I2个乡镇,总面积650klTt 。盆地四周低山 环绕,中北部地区丘陵起伏,溶沟、溶槽. 溶洞和石芽等溶蚀地貌发育,并伴生有多 处岩溶泉群。总体地势东北高、西南低,下 游羊庄一西集一带分布着面积约I 1 0km 的 I一第四系;2~奥陶系;3一寒武系下统;4一寒武系中上统; 平原区域,西南部的龙山头地段地势最低, 5一泰山群;6~隐伏地层代号;7一断裂;8一地层界线; 是岩溶水系统地下水与地表水的唯一排泄 9一隐伏地层界线;1 0一辛召断块;1 1~山亭断块;1 2一羊庄断块 出口。区内多年平均降水量761.5mlTt,主 图1 羊庄岩溶水系统地质略图 要地表水体为新薛河及其支流,干流长度 23kin,河宽80~120m,河道迂回曲折,河床 成;羊庄断块则主要由寒武系上统和奥陶 组富水性弱,地下水资源贫乏。羊庄断块 基岩裸露,形成岩溶水与地表水交替循环 系组成(图1)。 子系统处在盆地下游,地形开阔平缓,地下 的外部通道。 1.2.2水文地质条件 网络状岩溶发育程度高、连通性好,储水 区内分布有420多个村庄.3个乡镇驻 羊庄岩溶水系统水文地质边界和羊庄 空间大;地下水不但可以得到该区降水的 地和一个规模较小的县级城市;社会经济 盆地的水文边界基本一致,南部.东南部、 入渗补给,上游两个子系统中的地下水和 以粮食作物和林果业为主,山亭城区一带 东北部和西北部±匀-由地表分水岭环绕,西 地表水也均向该区汇集,补给条件优越,岩 分布有造纸、食品加工等部分工业企业; 部受化石沟阻水断裂控制,西南部有唯一 溶水资源丰富。 社会、生态环境优良,近年来经济发展速 的地下水和地表水出口,地下水以河水基 在地貌、构造和地层分布的影响下, 度较快。 流和第四系潜流的方式排出区外 大气降 羊庄断块岩溶水子系统又具有相对完整的 1.2地质环境条件 水是地下水的主要补给来源,总体径流方 边界条件和一定的性特征,地下水具 1.2.1地质条件 向由东北往西南,自然状况下以补给河水、 有统一的径流场和基本完整的潜水一微承 羊庄盆地位于鲁西台隆的南翼边缘, 泉及潜流的形式排泄,目前主要通过人工 压水水面;发育有魏庄.后石湾.西石楼. 内部断裂构造发育,寒武.奥陶系碳酸盐 开采排泄;新薛河河床岩溶发育,河水与地 羊庄和龙山头五处岩溶富水地段(图2),钻 岩地层广泛分布。整个盆地被长龙断裂和 下水存在密切的补排转化关系。 孔单位涌水量均大干1 O00m /(d・m);其中 曹王墓断裂分割成三大断块,由北往南依 整个岩溶水系统可划分为辛召断块、 前三处富水地段已经建设为工业供水水源 、次为辛召断块,山亭断块和羊庄断块 辛 山亭断块和羊庄断块三个子系统。前两个 地,后两处富水地段为目前规划开发的城 召断块主要由太古界太山群和寒武系下统 子系统位于中上游地区,地势高,地形起伏 市供水水源地。 组成‘;山亭断块主要由寒.武系中、上统组 变化大,地下水循环,蓄存条件差,含水岩 l l 0科技创新导报Science and Technology Innovation Herald 维普资讯 http://www.cqvip.com 资源与环境 Science and Technology lnnev8 根据两市“十一五”及2020年供水规 划,枣庄市计划20l 0年以后开发龙山头水 源地向新城区供水,开采规模4万1TI /d;而 滕州市则在2008年开发羊庄水源地向城区 供水,开采量20l0年以前4万1TI /d,2010年 以后增至8万m /d。 3.2 水源地开采后的地下水流场预测 两规划水源地均位于羊庄断块岩溶水 子系统的下游地区,开采后的区域地下水 流场特征,根据水文地质条件采用Vi Stl al MOdflOw4.0建立地下水水流模型进行预 测,计算范围以所在岩溶水子系统为基础, 面积约1 34kin 。描述岩溶水渗流特征的偏 微分方程为: 妥(喀j+毒l —s 南 t 1 ! f、=^ ( r) x v《Q r=g r,jt∈r , o -7 l 一- 2 ■~3卜 ;4 √ 5 一9 6}一0 7 I 8 ● 9 1一径流补给边界;2 地表分水岭;3一隔水边界;4~径流排泄边界; 5一地质界线;6地层代号;7一富水地段;8一地下水流向;9一岩溶泉 图2 羊庄断块岩溶水子系统水文地质略图 式中: 一渗流区域;h…地下水水位标高 (1TI); 一含水屡渗透系数(m/d){£一含水 层的源、汇项(1TI /d);h 一初始水位分布 (1TI); 一潜水含水层在潜水面上的重力给 水度;厂一渗流区域的流量边界; ..一边界 面法线方向的渗透系数(1TI/d);n一边界面 的法线方向;日 厂边界单位面积上的流量 (m/d)。 在对计算区进行网格剖分和模型识 别、验证的基础上,将水源地规划开采量 及各源、汇项代入模型。以2007年8月的 实测水位线作为初始流场预测出水源地开 采后的地下水稳定流场(图3)。预测结果显 示,两水源地开采后将导致地下水位的平 盘式降低,而各自形成的水位降落漏斗范 围则较小,区内地下水的总体流场特征不 会改变。 4水源地保护区划分 4.1划分方案 ’ 4.1.1保护区分级 羊庄岩溶水系统是一个开放型的地下 水系统,新薛河自上而下贯穿全区,河水与 各岩溶水子系统中地下水均存在着密切的 水力联系;水源地水质不但受所在岩溶水 子系统环境污染的影响,也同时受上游两 个岩溶水子系统中污染质运移、传递的威 胁。鉴于饮用水水质保护需要,将整个岩 溶水系统均划定为水源地保护区,分为一 级.二级和准保护区三个级别。 4.1.2保护区边界确定 级、二级保护区边界,分别以污染 质在l00天和l000天时间内运移至水源地 的捕获带范围界线为基准进行划定 J,部分 边界可在保证水质的前提下,本着便于管 理和利于保护的原则结合具体环境条件进 一图3 水源地开采后的地下水预测流场 2地下水资源及水环境质量状况 2.1地下水资源 根据水文地质条件和多年动态观测资 料,分别采用水量均衡法 人渗参数模型 最优回归模型和有限元数值模型对岩溶水 系统地下水资源进行综合评价:岩溶水补 给资源量24.14万ITI /d,开采资源量24.O4 万ITI /d…,储存量79500万ITI 。目前实际开 采量1 1.68万ITI /d,则剩余开采资源量为 12.34万ITI /d。 2.2水环境质量状况 参照2000~2007年多个时期的水质分 析资料,分别对代表性地段与河段的水体 环境质量进行评价:新薛河及其它地表水 的大部分化学指标含量符合(G B 3 8 3 8— 2002)中I类质量标准,部分化学指标含量 符合Ⅱ类或Ⅲ类质量标准;岩溶水的理化 指标和毒理学指标含量符合地下水(G B/ T14848~93)中Ⅱ类或Ⅲ类质量标准,但溶 解性总固体 总硬度、氯氮及亚盐等 部分指标含量逐年上升,部分地点细菌学 指标多次严重超标,说明岩溶水已经受到 污染并呈现逐渐加重趋势,污染源主要为 行适当调整;准保护区边界划至岩溶水系 农村、农业面源污染物及上游城镇排放的 统的外围边界,即羊庄盆地的地表分水岭。 污水、废水 4.2划分技术方法 水源地一级、二级保护区边界采用水 3水源地开发利用规划及地下水流场预测 质模型来计算确定。根据地下水渗流特征 3.1水源地开发利用规划 和水源地开采影响范围,『二级保护区应基 科技创新导报Science and Technology Innovation Herald l l l 维普资讯 http://www.cqvip.com

SCience and Technology lnnovation Herald Q Q:! 资源与环境 本处在羊庄断块岩溶水子系统范围内,所 以可将前述水流模型的渗流区作为水质模 型的模拟区。 Visual Modflow中的MT3DMS模块是 基于有限差分数值方法求解地下水中污染 质运移的模拟软件,较全面地考虑了污染 物在地下水中的对流、弥散和化学反应等 过程。据其建立模拟区的平面二维溶质运 移模型为: 喀 C(x yl ,fJ I_日 ‘.( j,:‘ co : j =c【 :f J . ~:∈n 一一 羊庄水源地 龙山头水源地 I=E ,f 20 _e 篓 ,,∽川 r.I. =EI f 2 0 图4部分边界点溶质运移l 00天模拟图 一 w, :E r、f 1I. 式中: 一渗流区域;c一污染组分浓度 (mg/L);U 一二维空间上的地下水实际流 速(m/d);D。.~水动力弥散系数张量(m /d); 有效孔隙度;鼋 一源的补给强度(m/d); C 一源的溶质浓度(mg/L);鼋 一汇的排泄 强度(m'/d);P,、一含水层岩土的干容重; 一 生物降解系数;c 一固体颗粒吸附的溶质 浓度(mg/L);R一阻滞因子;cn( , , 一污 染组分的初始浓度(mg/L);厂.一一类边 界;C.(X, ,z,f)一一类浓度边界值(mg/L); 厂,一二类边界; (X, ,Z,t)~二类边界值 (mg/L・m/d);厂 一三类边界;q.一边界上 单位面积的渗透率(m/d);g.( , ,z,f)一三 类边界值(mg/L・m/d) MT3DMS提供了多种算法,溶质在区 内岩溶含水层中的运移以对流为主,则求 解对流项可选用欧拉一拉格朗日混合方法 并包括特征线法(forward~tracking method 图5部分边界点溶质运移1 0O0天模拟图 01。模拟的污染溶质选取污染负荷较 of characteristics,M0C),求解矩阵方程采 率9=0.用广义共轭梯度法(Generalized conjugate— 高、危害性较大的亚盐氮作为代表,其 gradient solver package,GCG)。 在Ⅲ类水标准中的含量不得超过0.02mg/L, mg/L,为 根据部分试验成果,并参照类似条件 目前地下水中的含量略低于0.0l地区的参数值及经验值,给定地下水的弥 了简化计算,模拟时将现状含量作为其初 散系数DL=30m /d,岩溶含水层的有效孔隙 始浓度,并设定为0,而将Ⅲ类水质标准的 含量定义为0.01mg/L。 将水质模型在水流模型预测的地下水流 场环境中运行,模拟污染质在渗流场的不 同位置和方向往水源地扩散运移的状况, 污染质锋面(亚盐氮浓度为0.0lmg/L) 运移lO0天(图4)和1 000天(图5)刚好到达 水源地的试验点,就是沿该径流方向一级 和二级保护区的边界点。 4.3各级保护区范围 根据模拟计算结果和水质保护需要, 饮用水水源地保护区共划分为三级四个 区。一级保护区分为两个,即龙山头水源 地一级保护区和羊庄水源地一级保护区, 其范围分别处在每个水源地的周围。二级 保护区和准保护区为两个水源地的共同保 护区;其中二级保护区主要在羊庄断块岩 溶水子系统范围内,龙山头西部视松散层 的分布及与区外地下水的联系适当延伸至 区外;准保护区范围为二级保护区以外,.到 羊庄岩溶水系统边界之间的区域(表l和图6)。 表1 饮用水水源地保护区划分表 保护 范嘲 l龙山头水源地 级I t废水源地 村庄(个) lO 耐积(km ) l2.62 l6 86 15.26 8844 级 1~饮用水水源地;2一保护区分区界线;3一一级保护区; 4~二级保护区;5准保护区 图6 饮用水水源地保护区划分图 准保护区 合 3l】 423 533.68 650 (下转11 4页) 1 1 2 科技创新导报Science and Technology Innovation Herald 维普资讯 http://www.cqvip.com !塑! Q:! Science and TechnOlOgy lnnovation Herald 资源与环境 clams(Siliqua patula)dufingl991 1993[J】. Nat.Toxins,2:l97 205(1994b). 【l3]Novaczek,I.,et a1.Uptake,disposition, and depuration of domoic acid from 有可能通过食物链进行传播,即使DA没有累 积到致死剂量,也会对踺康造成慢性影响。 然而,目前并无法预测到DA有何慢性影响。 对于DA的研究还有待于检测技术的进一步发 展。 An outbreak of toxic encephalOpathy caused by eating mussels contaminated with dom0ic acid[J】.New Eng1.J.Med., 322:l775—1780(1990) 【6】Teitelbaum,J.S.,R.J.Zatorre,S. 参考文献 【l】Perl,T.M.et a1.,l987,Intoxication fol lowing mussel ingestion in Montreal live blue mussels(Mytilus edulis)[J】. Carpenter,D.Gendron,A.C.Evans.A. Aquat.Toxico1.,2l:l03 l18(1991). Novaczek,I.,et a1.Depuration of domoic Gjedde,and N.R.Cashman.Neurologic 【14]sequelae of domoic acid intoxication acid from live blue mussels(Mytilus due to the ingestion of contaminated edulis)[J】.Can.J.Fish.Aquat.Sci.,49: 3l2 3l8(1998). 【J】.Can.Dis.Week.Rep.,l 3:224 226. 【2]Bates,S.S,et a1..1989,Pennate diatom Nitzschia pungens as the primary source mussels[J】.N.Eng1.J.Med.,322:178l— l 787(1990). 【7]Xi,D.,et a1.Domoic acid is a potent neurotoxin to neonatal rats[J1.Nat. Toxins.,5:74 79(1997). 【8]Work,T.M.,et a1.Domoic acid intoxi cation of brown pelicans and cormo 『l 51Drum,A.S.,et a1.Domoic acid in the Pacific razor clam liqua patula(Dixon. of domoic acid,a toxin in shellfish 1789)[J】.J.Shellfish Res.,l2:443 450 (1993). from eastern Prince Edward Island[J1. Canada,Can.J.F.Sh.Aquatic.Sci.,46: l203 l 2l 5. 【l6]Campbel1,D.A.,et a1.Amnesic shell— fish poisoning in the king scallop, Pecten maximus,from the west coast 『3]Todd.E.C.D.1990.Amnesic shellfish poisoning a new seafood toxin rants in Santa Cruz,California【C】.In: Toxic PhvtODlanktOn Blooms in Sea, of Scotland[J】.J.Shellfish Res.,20:75 syndrome[C】.In:Graneli,E.,Sundstrom, B.,Edler,L.&Anderson,D.M.(eds), Toxic Marine PhytOplanktOn Pro~ PP.643 649.(Smayda,T.J.and Y. 84(2001). Shimizu,Eds).Amsterdam:Elsevier (1993). ceedings of the fourth internatiOnal conference on Toxic Ma rine 【91Shaw,B.A.,et a1.Feeding deterrent and toxicity effects of aDOfucOxanthinOids and phycotoxins on a marine copopod Phytoplankton,held June 26 30,l 989, in Lurid,Sweden.Elsevier Scierice Pub lishing Co.,Inc.,New York.PP.504 508. (Tigriopus californicus)【J】.Mar.Bio1., l 28:273 280(1997). 【l0]Jones,T.O.,et a1.Haemocyte changes in the Pacific oyster,Crassostrea gigas, caused by exposure to domoic acid in the diatom Pseudonitzschia pungens f. 【4]Debonnel,G.L.,L.Beauchesne,and C.De MontignY.Domoic acid,the aliege “mussel toxin.”might produce its neu rotoxic effect through kainite recep—— tor activation:an electrophysiological multiseries【J】.Toxican,33:347 353 (1995b) study in the dorsal hippocampus[J】. Can.J.Physil.Pharmaco1.,67:29 33 【l l】Bates,S.S.Domoic acid producing diatoms:another genus added!【J】.J. (1989) 【5]Perl,T.M.,L.Bedard,T.Kosatsky,J.C. Hockin,E.C.D.Todd,and R.S.Remis. phyco1.,36:978 985(2000). 【l 2】Wekell,J.C.,et a1.Occurrence of domoic acid in Wash.ngton state razor (上接1 t 2页) 及时处理。 5保护区环境管理措施与水质防护对策 5.1环境管理措施 (1)一级保护区。实行圈网管理或在边 界处设立界桩,警示作业内容;禁止建 设与取水设施无关的建筑物,可能对 地下水产生污染的管.渠通过。 (2)二级保护区及准保护区。在重要性 边界点设立界碑,明确保护范围和保护要 求;禁止建设严重污染企业和废弃物堆放 场,特殊需要的应经环保部门批准,并采取 严格的防污染措施。 (3)保持新薛河及其它地表水体水质不 低于(GB3838~2002)Ⅲ类标准,严禁在重 要补给区开山取石和开采矿产,禁止利用 污水灌溉农田,施用有毒、高残留化 肥、农药,大力推进植树造林和退耕还林 工程。 5.2水质防护对策 (1)在饮用水水源地、岩溶水系统不同 功能区和新薛河不同河段布设水质监测 点,定期采集水样分析测试,全面掌控区内 水体环境质量状况;发现问题,查明原因, (2)加强对上游城镇及工业污水、废水 的处理效果监测,建设农村人畜排泄物集 纳.处理工程系统,确保实现达标排放;开 展各类建设项目环境影响评价,杜绝产生 新的污染源;实施一级保护区村庄、与水 源地无关建筑的搬迁规划,改善水源地周 围生态环境。 (3)大力宣传保护饮用水水源安全的重 参考文献 要意义,提高群众的水质防护意识;制定饮 【1】李传谟,康凤新.岩溶水资源及增源增采 用水水源地水质安全应急预案,及时控制 模型【M】.济南:山东科学技术出版社, 和处理各类水质污染事件的发生。 l999。80 89. 素,对潜水或微承压水水源地来说,保护区 范围应尽量涉及整个水文地质单元。 (3)水质模拟模型是目前划分大中型地 下水水源地保护区的最先进方法,计算结 果具有较高可信度,但计算时要使其在水 源地开采后形成的稳定流场或一定开采周 期后的非稳定动力场条件下运行。 6结语 (1)羊庄岩溶水系统是一个边界条件完 整、功能区清晰、蓄存条件优良、三水转 化显著的地下水系统,划分饮用水水源地 保护区,对于实现饮用水水源的科学化管 理,保障枣庄市和滕州市的饮水水质安全 具有重要意义。 (2)地下水水源地保护区划分应充分考 虑含水层的开放性、水源地开采影响范围 以及地下水循环交替能力等水文地质因 【2】H J/T338~2007,饮用水水源保护区划 分技术规范【s】. 1 1 4 科技创新导报Science and Technology Innovation Herald 

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