泰莱盆地地下水傍河水源地准保护区形态研究

杨海博，朱文峰，徐 建，赵 耘，袁金浩

（1.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，济南250000；2.山东省第一地质矿产勘查院，济南250000）

在我国水资源的供给结构中，地下水占据很大分量，地下水资源保护对保障用水安全具有重要意义。准保护区等同于捕获区的概念，已经被广泛应用到水源地保护领域[1-3]。1979年，Bear 求解了均匀流场中井开采条件下区域水流被井抽取的分水线，这是早期准保护区的概念基础[4]。此后多井抽水、复杂区域边界、相邻河流或分水岭等复杂条件下的准保护区被勾勒研究[5-8]。随着理论研究的成熟，准保护的应用研究逐渐成为国内外热点。2018年，李若怡利用粒子示踪划分了鄂尔多斯浩勒报吉水源地的准保护区，将保护区扩展到三维形态[9]。实际中，准保护区具有更复杂的形态特征。

地下水水源地根据赋存条件可分为多种，其中傍河水源地最为普遍[10]，但傍河水源地准保护区研究多停留在理论研究方面。1988年NeWsom 和Wilson 根据区域流流向的不同将排泄河流水源地准保护区分成了三类：开采水来自侧向径流，开采水来自侧向径流同时河水补给地下水，开采水来自侧向径流和河流[11]。2011年Asadi-Aghbolaghi 等通过改变开采量也得到了以上3 种准保护区[12]。此次研究将增加补给型河流，将准保护区增加为五类：Ⅰ开采水来自侧向径流，Ⅱ开采水来自侧向径流，但受开采影响河水补给地下水，Ⅲ开采水来自侧向径流和河流补给，Ⅳ开采水来自河水，Ⅴ开采水来自侧向径流、河水以及河流另一侧区域流。

目前傍河水源地准保护区研究多限于理论方面，多河流研究更是处于空白。泰莱盆地地处黄河与京杭大运河交汇处，水系发育，主要河流6 条，围绕河流建有地下水水源地14个[13]。这独特的地域条件为准保护研究提供了基础，同时对鲁中地区用水安全具有重要意义。

1 研究区概况

泰莱盆地位于东经116°20'52″～117°58'57″，北纬35°43'05″～36°34'15″，面积8 173 km2。其范围横跨泰安市肥城市、泰山区、新泰市的多个县区，海拔高度范围在37～1 545 m，最高处为“五岳独尊”的泰山。研究区属温带季风大陆性气候，四季分明。据多年资料统计，年平均气温在11～13 ℃之间；区内多年平均降水量765.3 mm，日最大降雨量222.5 mm；年总蒸发量1 664.2 ～1 927.0 mm[14]。盆地内水系发育，如图1所示，河流主要有：大汶河、牟汶河、瀛汶河、柴汶河、康王河、汇河以及其他支流。水库包括黄前水库、光明水库、上庄炉水库和金斗山水库等[15]。目前已建成傍河水源地14 座，均位于河流附近。由于水源地功能不同，日开采量之间存在较大差异。羊流宫里和石横水源地日均开采量近7 万m3，而寨里和埠阳庄水源地只有2 000～3 000 m3左右。不同水源地间开采深度和取水岩层也不相同[15]，详细信息见表1。水源地开采会降低地下水位，导致地下水与河流的水力联系更加复杂，进而准保护形态也更加丰富。

图1 研究区水系与水源地分布图Fig.1 Distribution map of water system and water source area

表1 傍河水源地信息表Tab.1 Information table of riverside water sources

研究区盆地地貌典型，在盆地南部、东部和北部有大范围泰山群火成岩和变质岩出露，风化程度弱，且多处于高海拔地区。河谷地区主要为坡积、残坡积、洪坡积形成的第四系沉积物，其成分主要是片麻岩、角闪岩、灰岩碎屑与泥沙形成的混合物。第四系埋深最深处位于河谷中心，约50 m 左右，由河谷向外，埋深逐渐减小。在盆地西部和河谷下伏岩层为寒武—奥陶系地层，岩性以灰岩为主，其中掺杂白云岩、页岩等。局部地区发育石炭系页岩和古近系砂岩。盆地内局部发育岩溶和断层地质构造，其可影响局部地下水流场，但整体水流场依旧受盆地地形控制[16]。

研究区内地下水类型齐全，分为第四系孔隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水、碳酸盐类岩溶水、变质岩与岩浆岩类裂隙水，如图2 和图3所示。第四系孔隙水主要分布在河谷两侧，厚度50 m 左右，富水性强，在河谷附近埋深1～7 m，年变幅1～3 m。随着距河流越远，水位埋深变化逐渐加大。含水层介质为由变质岩、碳酸盐岩类、石炭岩、砂岩、页岩组成的散岩类。孔隙水主要受大气降雨、河流渗漏、岩溶越流补给。地下水流运移主要受地形控制，整体呈现由地势高向地势低洼的河谷地区径流，最后排泄到大汶河和其支流的下游。碳酸盐岩类岩溶水和岩溶裂隙水主要位于盆地中南部地区。随着深度增加，岩溶裂隙的发育程度逐渐减弱。在地表出露地区，水位埋深大，富水性强。受气候和地质条件影响，大气降雨、河流渗漏、孔隙水入渗是岩溶水和岩溶裂隙水主要补给源。局部范围内地下水运移受岩溶和裂隙发育的影响，大范围内依旧受地势作用，呈现由北部、东部向南部径流的趋势。在南部地区岩溶水发生越流，向上层第四系孔隙水或河流排泄。除此之外人工开采也是岩溶裂隙水的排泄方式之一。变质岩与岩浆岩类裂隙水主要分布在北部泰山岩群地区，由于岩层裂隙发育和风化程度弱，富水性极差。地下水补给主要来自大气降雨，但受岩层渗透性低的影响，地下水运移能力差[17,18]。

图2 水文地质简图Fig.2 Hydrogeological sketch map

图3 地层岩性剖面图Fig.3 Stratum lithology profile

2 准保护区划分

2.1 概念模型与数学模型

此次研究将泰莱盆地视作一个独立的水文地质单元，三维模型如图4(b)所示。研究区地下水受地形控制由高海拔向低海拔地区径流，盆地边缘多为火成岩山地，隔水性强，因此将北部、东部、南部设定为隔水边界。盆地西南临近东平湖，地势最低，地下水从西南边界流出，受地表水控制水位稳定，所以设定为定水位排泄边界。地下水上边界相对复杂，源汇项主要有：大气降雨、蒸发、河水渗漏、河流排泄和水源地开采。垂向上由于第四系松散层与基岩层水循环差异大，将模型分为上第四系潜水层和下基岩承压含水层，在基岩出露的地区设定存在很薄的虚拟层[见图4(a)]。

图4 概念模型剖面图及三维模型示意图Fig.4 Cross-section diagram of conceptual model of groundwater flow system；schematic diagram of three-dimensional model

根据概念模型，可用数学模型描述稳定地下水流系统如下，上部潜水含水层地下水流微分方程：

下部承压含水层地下水流微分方程：

其中：

式中：h1、h2、h0、hR、hf分别为潜水含水层水位、承压含水层水位、西南边界水位、河水水位、地表高程；Kx、Ky分别为潜水含水层x和y方向渗透系数；T为承压含水层导水系数；σ为导水系数；Q1i、Q2j分别为潜水水源地开采量和承压水源地开采量；f、WR、r分别为河流分布函数、地下水与河床交换强度、河床渗漏系数；R、α、G分别为降雨入渗强度、降雨入渗系数、降雨强度；E、E0、Δ、Δ0分别为潜水含水层蒸发强度、水面蒸发强度、潜水位埋深、潜水极限蒸发埋深；n、S1、Γ1、S2、Γ2分别为边界外展方向、第一层排泄边界、第一层隔水边界、第二层排泄边界、第二层隔水边界。

2.2 模型求解与校准

本次研究使用GMS 软件中的MODFLOW[19]模块求解地下水稳定流场，并在此基础上利用MODPATH模块采用粒子示踪方法划分水源地准保护区。MODPATH 模块可以记录粒子在流场中的运移路径，并根据稳定流场的模拟结果来划定准保护区。这是在半解析解粒子示踪法的基础上发展起来的。其原理是基于稳定状态下三维地下水流守恒的偏微分方程[20，21]：

式中：vx，vy和vz为地下水在坐标轴3 个方向上的平均矢量流速；n为孔隙度；W为含水层单位体积内补给或排泄地下水量的速率。方程（11）代表了极小体积内的水量守恒。

数值模型求解使用PCG2 包，收敛准设定为水头变化精确到0.01，单元格直接流动残差为0.001。模型各个区域的渗透系数利用242 个观测孔进行PEST 反演获得，迭代收敛标设定为0.001，具体参数如表2所示。

表2 模型分区参数表Tab.2 Model partition parameter table

MODFLOW 模型使用242个地下水观测孔进行校准，其中第四系潜水观测孔155 个，承压水观测孔87 个（见图1）。观测数据来源于《山东省地下水水源地调查评价报告》。模拟水位与实测水位相关性关系如图5所示，潜水层标准误差近7 m，承压含水层标准误差为10 m，但考虑到研究区内包括海拔1 524 m 的泰山，海拔差异巨大，因而认定校准后的结果相对可靠，能够用于准保护区划分。

图5 模拟水位与实测水位对比图Fig.5 Comparison of simulated water head and measured water head

3 结果与讨论

通过粒子示踪方法得到的傍河地下水水源地准保护区分布如图6所示，结合表1 信息可知，受开采量、河流、开采深度的影响，准保护区的范围各不相同。其中S13准保护区范围最大，其水源地具有开采量大、开采深度大、距离河流远的特点。S7、S8、S9、S10、S12、S14 准保护区面积小，其都具有距离河流近的特点，同时S7、S8 开采量小，S9、S12 开采深度浅。由上可推测，开采量越大，开采深度越深，准保护区面积越大。当水源地距离河流近时，可以接受充足的水源补给，所以河流具有限制准保护区范围的能力。水源地S1、S3 形成的准保护区不接触河流，表明其开采的地下水均来自大气降水补给，在水质监测时可以重点监测保护区浅层水；S7、S8、S12、S14 水源地准保护区只与河流的一侧接触，表明部分河段渗漏的河水经过地下含水层被水源地开采，在水质监测时需对接触段河水进行监测；S2、S4、S5、S6、S9、S10、S11、S13水源地准保护区穿越了河流，能够抽取河流另一侧的地下水，接触段河流渗漏的河水也会被水源地开采。通常情况下，河流往往会被认定为水文地质单元的边界，但由于地下水开采，河流另一侧的区域流也能被水源地抽取，所以河流另一侧的地下水水质也需要监测。

图6 傍河地下水水源地准保护区分布图Fig.6 Distribution map of quasi-protected zones of groundwater sources near rivers

傍河水源地开采使地下水与河流间的水力联系发生变化，因此形成的准保护区形态也更加复杂。在NeWsom和Wilson研究的基础上，将傍河水源地分成了五类：Ⅰ开采水来自侧向径流，Ⅱ开采水来自侧向径流，但受开采影响河水补给地下水，Ⅲ开采水来自侧向径流和河流补给，Ⅳ开采水来自河水，Ⅴ开采水来自侧向径流、河水以及河流另一侧区域流。分类在实际应用时，会出现侧向径流的水来自河流的上游入渗，导致无法对保护区进行分类的情况。这时需要根据当地气候条件和污染物运移衰减程度对水源地周边范围进行限制，当渗漏河段处于限定范围以外时，认为开采的水来自侧向径流，当渗漏河段位于限定范围内时，认定抽取的水来自河流。如图7所示，水源地S1、S3、S7、S8、S9 抽取的水来自附近区域的侧向径流，属于第Ⅰ类；S5 抽取的水来自河流和周边的侧向径流，属于第Ⅲ类，同时在S5 附近出现了第Ⅱ类具有特征，这是因为限定范围大造成的；S12、S14 水源地准保护区只与河流的一侧接触但距离河流很近，因此划归为第Ⅳ类；S2、S4、S6、S10、S11、S13 水源地准保护区穿越了河流，归为第Ⅴ类。

图7 水源地附近流线分布图Fig.7 Streamline distribution near the water source

在Asadi-Aghbolaghi 的研究中，水源地准保护区的类别随着抽水量的增大而发生变化，如图8(a)～图8(c)所示。Q为抽水量，Q1、Q2为两个关键值，当Q＜Q1时，准保护区为第Ⅰ类；当Q1＜Q＜Q2时，准保护区属于第Ⅱ类；当Q2＜Q时，准保护区为第Ⅲ类。现开采条件下S8 准保护区为第Ⅰ类，在模型中增大S8 的开采量，流线变化如图8(d)～图8(f)所示。当S8 开采量增大时会成为第Ⅱ类[图8(d)]和第Ⅲ类[图8(e)]，当第Ⅲ类准保护区水源地开采量继续增大时会变成第Ⅴ类[图8(f)]准保护区，这里存在一个关键值Q3。第Ⅳ类准保护区出现于补给型河流附近，当开采量增大到Q3＜Q时，第Ⅳ类会和第Ⅲ类一样转变为第Ⅴ类准保护区。为了分析关键值Q3的影响因素，在现有参数基础上简化模型，进行敏感性分析。如图9所示，Q3随河流渗漏强度增大而增大，当入渗强度大于0.1 m3/d 时，增大幅度急剧上升，当水源地距离河流越近时，Q3越小。同时Q3还受区域流水力梯度和开采深度的影响，区域流水力梯度与Q3成正相关，而开采深度与Q3呈负相关。Asadi-Aghbolaghi 和此次研究都将河流概化成一条线，但在实际中河流具有一定宽度，所以Q1、Q2、Q3会从一个关键值转化成一个关键区间。泰莱盆地14个水源地保护区分类情况与信息总结在表3中。

图8 S8水源地附近流线分布对比图Fig.8 Comparison of streamline distribution near the S8 water source

图9 关键值Q3敏感性分析图Fig.9 Key value Q3 sensitivity analysis diagram

表3 水源地准保护区信息表Tab.3 Information table of water source quasi-protected zones

4 结论

此次研究基于NeWsom 和Wilson 对准保护区分区理论研究，增加河流类型，并划分了五类准保护区。基于泰莱盆地多天然水系和傍河水源地特征，通过粒子示踪划分各个水源地准保护区形态，并验证了NeWsom和Wilson理论研究具有实际支撑。傍河水源地准保护区面积受到开采量、开采深度和水源地到河流距离影响，最后根据水源地附近流线分析得出开采水的来源区域以及附近河水对水质的影响。根据Asadi-Aghbolaghi 关于抽水井开采量改变准保护类型的理论研究，结合泰莱盆地水源地实际划分结果和对S8进行增大开采量模拟，完善了水源地开采量变化对准保护区类型的影响，同时对关键值Q3进行敏感性分析，发现水源地到河流距离、河流渗漏强度以及区域流水力梯度与Q3成正相关，开采深度与Q3呈负相关。在验证前人理论研究的同时，结合泰莱盆地实际多水源地准保护区特征，完善总结了研究内容，为水源地污染防治提供科学依据。