Question

岩溶水系统含水层水质脆弱性与保护区分区评价

Answer 1

一、评价因子的选取

结合娘子关泉域岩溶系统的具体条件，本次岩溶含水层水质脆弱性评价选择的有包气带厚度、垂直入渗补给强度（包括大气降水入渗补给及河流、水库渗漏补给量）、包气带岩性（碳酸盐岩分布埋藏类型）及岩溶含水层导水性能（以保护娘子关泉水水质为核心，1年期内抽水时泉水量削减度响应）4个因子。

1.包气带厚度

包气带是指地面与地下水面之间的部分，是地下水与地表水、大气圈以及植被生态系统相联系的重要纽带，也是污染物进入含水层的必经途径。通常，包气带越厚，污染物到达含水层所需要的时间越长，污染物经历的各种反应（吸附、化学反应、生物降解等）越充分，则污染物稀释、降解的机会就越多，包气带的自净能力越强。所以说，包气带厚度越厚，表示地下水环境脆弱性越低，越不易遭受到污染。

根据“山西省娘子关泉域岩溶水资源评价及其开发利用”科研报告，系统岩溶含水层包气带的垂直渗透系数为37m/a，评价中按照在包气带中渗流时间，以1年、5年、10年、20年划分包气带厚度，见表8-7。

表8-7 娘子关泉域岩溶水系统包气带厚度评分表

包气带厚度愈薄，其级别越高，表示地下水环境越脆弱，越易遭受到污染。

采用1982年系统岩溶地下水流场图和1∶25万地形图，由ArcGIS计算得系统内最大包气带厚度在左权县马家背一带，为1224.62m，娘子关泉口处最小，为0m。

2.泉域内大气降水入渗补给量及河流渗漏补给量（入渗补给量）

区域水文地质调查表明，娘子关泉域岩溶水系统的岩溶地下水的主要补给来源有大气降水面状的入渗补给（包括碳酸盐岩裸露区的直接入渗补给和松散层覆盖区的间接入渗补给）、河流在碳酸盐岩区的线状渗漏补给及水库点状渗漏补给。

降水入渗补给分为4种情况，第一为岩溶相对发育的中奥陶统碳酸盐岩裸露区，该区降雨入渗系数为0.2763；第二为岩溶发育相对较弱的下奥陶统和寒武系碳酸盐岩裸露区，该区降雨入渗系数为0.123；第三为碳酸盐岩覆盖区，该区降雨入渗系数为0.10；第四为碳酸盐岩埋藏区，对寒武-奥陶碳酸盐岩含水岩组的入渗补给为0。大气降水的入渗补给强度首先对不同雨量站降水量按照泰森多边形进行分区，而后依据所对应的降水入渗系数进行计算。

区内主要河流在碳酸盐岩区的渗漏长度分别为：桃河39km；温河43km；南川河分为2支，其中阳胜河为23km，尚怡河为16km；松溪河15km；清漳河东源支15km；清漳河西源支10km。根据前人计算各河流的多年平均渗漏量计算补给强度。

全区在碳酸盐岩裸露区的地表水库存在渗漏的主要为南川河的大石门水库和温河的油瓮水库，前人计算大石门水库的渗漏量为0.095m³/s，合计年渗漏补给岩溶地下水量为300万m³。油瓮水库每天的渗漏量在3000m³左右，年渗漏量约为109.5万m³。

最后计算得单位面积上年均最大入渗补给强度的大石门水库，为3000mm/a；河流渗漏区段的入渗补给强度最小为清漳河东源为93.9mm/a，最大为温河为3256mm/a；中奥陶统碳酸盐岩裸露区为147.1mm/a，奥陶统和中、上寒武统碳酸盐岩裸露区平均为65.5mm/a，覆盖区为53.2mm/a，埋藏区为0mm/a。

汇总以上各补给项，计算系统内岩溶水资源的单位面积补给量，包括大气降雨入渗补给、河床、水库渗漏补给，其补给量分别从0～3256mm/a不等，考虑不同补给强度在系统内的分布面积，我们采用表8-8分级标准进行5级入渗强度分级。

表8-8 娘子关泉域岩溶水系统补给强度分级评分表

地表污染物一般随着大气降水、河床、水库渗漏补给到地下水中，入渗补给量越大，污染物进入含水层的可能性就越大，地下水环境也就越脆弱，其评分值越大。

3.包气带岩性

包气带岩性是对各种污染物在包气带内吸附能力的一种表征，影响因素包括岩性本身的吸附能力和对地下水的传输速度两方面。系统内岩性划分为河床—砂砾石层、碳酸盐岩裸露区—碳酸盐岩、碳酸盐岩覆盖区—黄土、碳酸盐岩埋藏区—碎屑岩、碳酸盐岩埋藏区—黄土、碎屑岩5种类型。其中砂砾石层入渗最快，吸附能力弱；碳酸盐岩裸露区吸附能力弱，入渗速度相对较快；碳酸盐岩覆盖区吸附能力强，传输速度相对慢；碳酸盐岩埋藏区传输速度为0（对岩溶含水层）。因该指标为定性指标，分级中无法连续取值，因此各类指标区取中值，分级标准见表8-9。

表8-9 娘子关泉域岩溶水系统包气带岩性分级评分表

级别越大，表示对地下水的影响越大，表示越脆弱。

4.岩溶含水层的导水性能

岩溶含水层的导水性能很大程度上决定污染质的传递速度，引入该因子的目的主要是针对一些重要开采区（泉水排泄区或重要水源地）污染保护评价需要而确定。由前述可知，娘子关泉水是系统最重要供水水源地，岩溶含水层对于泉水的导水性能一定程度上决定污染质传递到泉水的速率。因此，在水质脆弱性评价时将该指标作为评价因素。本次评价中，该指标采用前面建立的系统岩溶水渗流数值模型，由响应矩阵法求得泉水对不同抽水区的削减响应量进行。具体划分标准是按照系统内各点抽水，在1年期内对娘子关泉水的削减率以100%，80%，50%，30%，10%划分为5个级别（表8-10）。同一时间内，泉水削减度越大，表明地下水越脆弱，越易受到污染。

表8-10 娘子关泉域1年期泉水响应分级评分表

根据上述选择的4个评价指标，5个级别的指标特征值列于表8-11。

表8-11 评价指标分级特征值

二、计算方法

将地下水脆弱性评价的样本集依据4个指标5个级别的指标标准特征值进行识别，则有4×5阶指标标准特征值矩阵

中国北方岩溶地下水环境问题与保护

式中：y_ih为级别h指标i的标准特征值：i=1，2，3，4；h=1，2，3，4，5。

利用ArcGIS软件，将各个指标转化成栅格图件，使得每一栅格都有对应的4个指标的实际数值。

由矩阵（8-10）和表8-7至表8-10通过线性内插获得各指标的隶属级别特征值，各指标分区如图8-16。

三、评价结果

对每一栅格中各评价因子隶属级别特征值加权平均，获得最终脆弱性分级评价结果如图8-17所示。

图8-16 4个指标的实际数值栅格图

其中，极易污染区只有极小一部分，位于娘子关泉群出露带。极难污染区只分布在泉域西北部边界处，面积13.87km²。

较易污染区范围：包括娘子关泉群出露带周围，以及温和、桃河、松溪河、南川河、清漳河西源渗漏段，面积101km²；

图8-17 娘子关泉域地下水水质脆弱性评价结果图

稍难污染区：包括盂县北部、盂县—阳泉—平定—昔阳—和顺一带以东地区，及清漳河西源、东源下游段附近，为近泉口的碳酸盐岩裸露区及河谷地带，面积1057.67km²；

较难污染区：包括阳泉市、平定县周围，和顺县—左权县—带以东地区，下王村—黑石窑—黄岭—凤嘴一带，以及瓜地沟—观家峪—黑驼—乌金山镇一带，为远离泉口的碳酸盐岩裸露区、碳酸盐岩覆盖区，面积1595.79km²；

极难污染区：包括盂县—阳泉—平定—昔阳—和顺一带以西地区，以及寿阳县，主要为碳酸盐岩埋藏区，面积4427.87km²。

根据脆弱性评价结果，对系统岩溶含水层按照前述水质保护区分级标准，划分为泉源保护区、水质一级保护区、水质二级保护区（稍难污染区和较难污染区合并）和水质准保护区。具体结果如图8-18所示。

1）泉源保护区，面积为13.87km²。

2）岩溶含水层水质一级保护区，面积为101km²。

3）岩溶含水层水质二级保护区，面积为2653.47km²。

图8-18 娘子关泉域岩溶水系统水质保护区分布图

4）系统水质准保护区，面积4427.85km²。

保护区应按照第七章第五节的保护措施分类、分级开展保护。