岩溶含水层保护区划分及保护对策 岩溶水系统含水层水量脆弱性与保护区分区评价
一、岩溶含水层保护区分区结果
岩溶水资源不合理的开采往往会诱发岩溶塌陷地质灾害的产生，而开口型岩溶裂隙及已产生的岩溶塌陷坑等为地表污水的入渗通道，成为十里泉域岩溶水系统污染的重要途径。特别是本区水源地主要分布在系统岩溶水排泄区，岩溶强烈发育、含水层厚度大、覆盖土层薄，岩溶水开采区成为岩溶塌陷严重发生区。开展以水源地（排泄区）为核心的岩溶塌陷区的水资源保护是本系统水量保护的核心。
根据上节对枣庄十里泉域岩溶水系统岩溶塌陷风险评价结果，将岩溶含水层划分出三级保护区（图9-4）。
图9-4 十里泉域岩溶水系统基于岩溶塌陷的含水层水量保护区分区图
1.Ⅰ级塌陷保护区
主要分布在十里泉水源地、丁庄-东王庄水源地和渴口水源地的集中开采区，面积17.56km2。该区岩溶塌陷风险性高，地下水活动强烈。十里泉水源地位于峄城大沙河齐村支流的下游，该河汇集了市驻地西部和十里泉工业区的全部生活污水及工业污废水，而十里泉地区第四系土层较薄、开口型裂隙岩溶及已产生的岩溶塌陷等为地表污水的入渗创造了条件。该区长期大量超采地下水使地下水位大幅下降，加速了地表污水的下渗，加重了岩溶水的污染程度。
随着城市和工业的迅速发展，丁庄-东王庄水源地和渴口水源地对地下水资源的开发利用程度越来越高。超采地下水使地下水位大幅下降，加速了地表污水对地下水的补给，加重了污染程度。在人类经济活动影响下，地下水水质逐渐变差，细菌类指数上升，离子含量增高，溶解性总固体、总硬度持续升高。
2.Ⅱ级塌陷保护区
主要分布在十里泉水源地和丁庄-东王庄水源地的集中开采区的外围部分，面积为32.94km2。
十里泉、丁庄-东王庄两水源地边界范围，历史上曾经发生过较小规模岩溶塌陷，受地下水超采的影响，岩溶地下水也受到了一定程度的污染，需加强保护防治。
3.Ⅲ级塌陷保护区
为十里泉域岩溶水系统的其他地区，总面积为591.31km2。作为典型岩溶区的一部分，特殊的岩溶发育条件和水环境决定了其水资源保护都应得到重视。
二、岩溶水保护对策
枣庄十里泉域岩溶水资源保护应坚持“节流、开源、保护水源并重”的方针，重点做好以下工作：
1）充分利用现有水源，合理开发新水源，适当引用客水资源。以开发地表水为主，适度开采地下水。按照水资源的实际供应能力，引导和调控水资源需求，建设节水型城市。坚持把城市供水安全放在首位。统筹考虑水资源保护、开发等各项措施，合理配置水资源，提高用水效率，形成优水优用、一水多用的水循环体系。
2）重视地下水源保护工作。严格控制水源水质，做好十里泉、丁庄、渴口等饮用水源地保护工作。对地下水取水井和水厂周围，按国家有关规定要求划定地下水源保护区，落实相应的防护措施。严格控制地下水超采，多途径涵养地下水，有计划地进行地下水回灌。加强对农灌用水、景观用水、工业用水等非饮用地表水环境功能区的保护，保证非饮用地表水环境功能区能够满足对应功能的水质要求。针对水源地保护区内的生态现状，进行生态修复、生态工程建设，以加强生态保护，提高保护区内自然净化能力，促进生态系统良性循环，改善和保护饮用水源水质。加强环境事故风险的防范能力，避免或防止饮用水源污染，保障居民生活的用水安全。
3）加快重点治污项目的建设步伐，全面实施流域水污染综合治理工作。完成峄城沙河等主要河流的截污导流工程。按照新颁布的山东省南水北调污水排放标准，依法对超标排污企业实行限期治理，确保工业企业污染物的全面达标排放。加快城市污水处理设施建设，切实做好污水处理设施正常运营监管。在抓好现有污水处理厂运行管理的同时，建设新污水处理厂。突出流域污染治理，确保水环境安全。完成出境河流截、蓄、导、用流域的综合治理工程，基本实现所有河流水体变清，保证出境河流控制断面水质稳定达到Ⅲ类标准。
4）加强地下水环境监测。在核实已有监测点分布现状的前提下，彻底查清已有监测点的位置、观测目的、观测质量等，分析研究监测点分布及监测目的等的合理性。对现有监测井点分布、监测质量、控制区域、分布密度等进行检查，重点分析研究监测工作的针对性及其存在的问题。结合当地水文地质条件、针对重大水源地及新增大中型水源地、泉水区及地热区、与地下水相关的环境地质问题突出地区，依据《地下水环境监测技术规范》，应因地制宜地制定监测点优化调整及修复建设方案。
5）实行浅井分散开采，增源开采。第四系孔隙水富水地段，地下水分布较为均匀，水位埋藏较浅，地表水系发育。在开采地下水的时候应以浅井分散开采为主，井深不宜大于60m，井距大于500m为宜。建议修建拦水坝等地面工程，增加地表水对地下水的入渗补给，增加地下水可开采量。采取变集中为分散的化整为零增源措施，使地下水资源大幅度增加，还可以改善该地区的生态环境，促进经济效益的提高。建议在水源地上游低山丘陵区植树种草，加强水土保持；实施蓄水工程及小流域综合治理；涵养水源，增加地下水补给。下游山间平原覆盖型汇集区，采取专门水文地质措施，增加开采，扩大地下库容，增加丰水期的补给量，充分发挥储存量的调节能力，修建拦水坝，阻截地表水，增加对岩溶水的渗漏补给。
6）贯彻实施新水法，做到依法管水治水。城市建设应按照建设节水型城市的要求调整产业结构，强化节水措施。在坚持开源节流并重、节水优先的前提下，采用先进的灌溉技术和耕作方式，发展节水型农业和生态农业；大力发展节水型工业，加大产业结构调整力度，严禁新上高耗水、高污染的工业项目；关、停浪费大、效益低的工业企业，建设企业内部水循环系统，提高工业用水重复利用率；大力推广节水型器具和设备，提高各种用水效率；加快建设中水回用工程，提高污水资源化率；大力开展节水宣传工作，增强城市居民的水患意识和水法制观念，提倡珍惜水、节约水、保护水的良好社会风尚。
岩溶水保护区的划分~
目前国内外对岩溶水保护区可分为含水层保护区与泉水排泄区（或水源地）保护区两种。与脆弱性分区有所不同，保护区是直接服务于水资源管理与保护的，其划分不仅要考虑岩溶水的脆弱性，还要考虑相应的保护对象与措施，为此需要在脆弱性分区基础上与环境问题成因、水资源用途、国民经济发展需要等因素结合，根据水资源功能制定保护目标并提出对应的保护措施。
一、保护目标的制定
岩溶地下水的保护目标要与岩溶水的用途和国民经济发展规划相结合。例如，作为旅游资源或具有重要生态意义的泉水，保证一定的流量、维持一定的生态用水是必要的；用于农业灌溉和用于人畜饮用的水质要求也是不一样的，需要根据具体情况采用定量指标来制定。
二、岩溶含水层保护区划分
岩溶含水层保护区划分要以岩溶水系统为单元来进行，同样应该与脆弱性评价分区相对应，还要分出水量与水质保护区。无论岩溶含水层水量保护区还是水质保护区划分都要在脆弱性评价基础上结合具体保护目标来制定。根据我国目前一些地区的保护区划分方案，保护区建议也采用三级，分别是一级保护区、二级保护区和三级保护区，而后冠以水质、水量来定名。
三、泉水排泄区或水源地保护区划分
多数国内外制定的水源地保护区主要针对水质与环境开展的。例如，国际上著名的50d流程等值线是德国地下水源保护区的二级区界，其确定的依据是饮用水中的病菌病原体在地下含水层中的生存时间少于50d。在英国，地下水源地保护区划分为一级保护区（内区），区界是地下水50d流程等值线；二级保护区（外区），区界是地下水400d流程等值线；三级保护区（流域区），区界是水源地所在流域区区界。划定分区时的附加规定有各级保护区最小半径。
我国国家环境保护总局将北方岩溶水饮用水水源地（岩溶裂隙网络型饮用水水源地）划分为一级保护区（以水源地为中心，溶质运移小于100d的范围）、二级保护区（溶质运移到水源地小于1000d的范围）和准保护区（必要时的水源地补给区和径流区）三级。
泉水排泄区（或水源地）一、二级保护区多通过示踪试验、溶质运移模型和地下水渗流模型来定量确定，三级保护区（或准保护区）一般通过水文地质条件方法确定。
泉水排泄区或水源地的水量以及保护区内的水量由于有可开采资源量的约束，因此有必要再分出水量保护区。其保护内容上除了对泉水水量（保护水位）、水质外，自然景观与环境的保护是其中重要内容。
综合上述，根据前面岩溶含水层脆弱性评价的思路并参照山西省岩溶泉域保护区划分方法，可以采用先分类后分级的岩溶含水层保护区划分方案，即首先按照泉水排泄区（或水源地）、含水层水量保护区、含水层水质保护区分为三大类，进而对含水层水量保护区、含水层水质保护区分为三级，具体如图7-3。
图7-3 岩溶含水层保护区划分流程与结构图
与岩溶地下水水量相关的水文地质环境问题都是由水位或水量不合理变动所致。地下水动力学的非稳定流解析法、数值法、野外测试方法以及一些统计学方法能够计算刻画地下水对施加外力的响应，并以此可以评价水量脆弱性问题。对于非均质各向异性的区域性岩溶水流系统，数值法更能详细地描述整个流场的变化响应。
一、数值模型的建立
1.水文地质概念模型
如前所述，娘子关泉域岩溶水系统除泉口附近有少量潜流外，四周为相对封闭的“自产自流”型全排系统。含水层的介质结构表现为以溶蚀裂隙及溶孔为主导，局部地段存在有溶洞的非均质各向异性含水岩体。从地下水的流场上，总体表现为一从北、西、南向东边娘子关泉口径流的扇形汇流体，进一步可分为南北两大补给区、阳泉至巨城的汇流区及泉口排泄区。对应前三区分别发育了三条强径流带，其一是从盂县县城沿温河至巨城的北部岩溶地下水位强径流带，其二是南部从昔阳沿中奥陶统与石炭系、二叠系接触带至平定五矿至阳泉一带的南部岩溶地下水位强径流带，其三是阳泉至巨城至泉口汇流区的中部岩溶地下水位强径流带。流态上根据北方岩溶介质特征，可以认为服从达西定律的二维平面流运动。娘子关泉水流量的衰减系数介于n·10-3～n·10-8之间，也表明岩溶发育以溶隙、溶孔为主，在局部大的溶洞发育地段不排除存在非达西流的情况，计算中对这些特殊地段未作特别处理。此外在模型中忽略了地下分水岭的移动，以隔水边界处理，对地下水中的垂向运动也未加以考虑。
2.数学模型及其求解
根据上述娘子关泉域岩溶水的水文地质概念模型，其水量运移数学模型表达式为
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
考虑到地下水位的变化幅度相对于含水层厚度很小，可忽略不计，故含水层厚度可近似认为一定值，则其运移模型为
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
式中：H为含水层的水头；Tx、Ty为x方向及y方向的导水系数；Q为含水层的水量垂直交换量；H0（x，y）为岩溶地下水初始流场；H1（x，y，t）为第一类边界点水头；μ为储水系数；q（x，y，t）为二类边界单宽补给量。
3.数学模型的离散
对上列岩溶地下水计算区的定解问题，采用不规则有限差分法分割，由众多的小三角面元去逼近地下水位曲面，整个泉域共分出597个三角面元、343个结点，剖分区对上列地下水渗流的定解问题离散成：
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
式中：β为i结点均衡域组成的β面元；p为i结点均衡域组成的面元数；、为β面元j结点顶点t时及t-1时的水位；Δt为时间步长；D为导水矩阵；
=(×Ai×Al+×Bi×Bl)/(8×Δβ)
E为储水矩阵；E0i=-1/（16×Δβ）[（Ai×Aj+Bi×Bj）×（+）+（Ai×Ak+Bi×Bk）×（+）]
Δβ为β面元的面积；
Ai=Yj-YK,Aj=YK-Yi,Ak=Yi-Yj
Bi=Xj-Xk,Bj=Xk-Xi,Bk=Xi-Xj
X、Y为β面元三顶点的横纵坐标。
4.数学模型的校正与解算
受观测资料限制，模拟计算期选在1982年6月到1983年12月，计算时间单位以月进行。
模拟计算过程中对具有线状渗漏特征的河流入渗量，首先按河流所跨面元将河流自然分割，所割线段的中点作为入渗点，近似代替线状入渗；而后按等效入渗点所在面元内的位置，将入渗量以三角形平板集中荷载对各个支撑点（三角面元顶点）的分配原则，加到三个顶点上进行计算。开采井以及其他垂向点状交换量均采用该方法处理。
对各地降雨量的差异，计算中分出了四个降雨量分区，大致是以河系为基础分出温河中上游区、桃河中上游区（包括南川河）、松溪河区和桃河温河下游区。不同区由于包气带因厚度出现的滞后效应，根据降雨及地下水位动态关系对比，分别作了从排泄区、汇流区到补给区降雨量滞后1～3个月的处理。
通过岩溶水文地质分区调参，对地下水流场及11个地下水位长观孔与泉水流量进行模拟计算，最后求得33个参数分区（表8-5、图8-13）和如图8-14的拟合曲线。
表8-5 娘子关泉域水文地质参数分区表 单位：m2/d
二、响应矩阵的求算
20世纪70年代，从地下水管理的角度出发，为追求具有统一流场的地下水最佳开发状态的目标，人们把地下水数值渗流模型与优化技术结合起来，形成了地下水系统的管理模型。为确保管理模型中水位约束条件与开采量之间服从地下水流渗流方程，前人提出了建立二者关系的“嵌套法”（Aguado、Remson，1974）和“响应矩阵法”（Heidari，1982）。水量脆弱性评价的本质是系统内各点进行水量开采引起对特定目标点在水量（或水位）影响程度的一种表达，是一个计算不同点间开采量与水位（或流量削减量）的关系问题，因此本次解算中采用了响应矩阵法进行二者间的连接。对于（8-2）式中所描述的泉域岩溶地下水量渗流模型可分解为以下两个定解问题：
图8-13 娘子关泉域岩溶水系统数值模拟参数分区图
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
图8-14 娘子关泉域岩溶水系统数值模拟曲线汇总图
和
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
式中：Q=ε+p；ε为系统降雨入渗量、河流渗漏量、水库等垂向补给量；p为系统岩溶地下水的开采量。
（8-4）式代表给定的初始及边界条件下，在管理区内无地下水开采的天然水位场；而（8-5）式则是描述不考虑初始及边界值，单纯在开采条件下所产生的水头变化场。容易证明：
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
当开采量p控制在不足以引起系统参数产生较大变化的一定范围内时，（8-5）式所描述的水文地质特征体为平稳的、边界和初始方程为齐次的线性时不变系统，水位降深可用开采量的单位脉冲响应函数来表征，并以此可获得系统输入-输出的数学关系表达式。根据线性时不变系统的性质，地下水的降深可由其开采量与系统单位脉冲响应的卷积来表达：
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
式中：Q（t）为开采量；b（t）为系统单位脉冲响应函数；5（t）为由于开采所产生的降深。
对（8-7）式离散则有
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
据叠加原理，对（8-8）式的线性系统，由i个水源地在n时段末k结点上产生的降深为
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
式中：S（k，n）为k结点在n时段末的降深；q（i，j）为i水源地在j时段的开采量；β（k，i，n-j+1）为响应矩阵。
响应矩阵所代表的物理意义可理解为：i水源地以单位抽水量在第一时段内抽水，在以后时段内停抽时各时段末在k结点上所产生的剩余降深。
给定单位脉冲开采量，通过解算（8-5）式，即可获得任意一点或多个点抽水时系统内任意点在各时段的水位响应矩阵。
三、岩溶水系统含水层水量保护区划分
娘子关泉水目前是阳泉市自来水提水工程、平定县提水工程的水源，规划的最大提水能力（扣除娘子关电厂提水，已关闭）5.09m3/s，再加娘子关镇当地用水量0.5m3/s，总水量将达到5.59m3/s（表8-6）。根据2000年以后的泉水实测平均流量为6.452m3/s，达到最大提水量后的剩余流量不足1.0m3/s，泉水下游还有河北绵河灌区以及冶河沿岸的生态用水，泉水流量继续衰减后必然威胁到泉水的持续利用，因此保持6.0～6.5m3/s的最低泉水流量应该作为岩溶水保护的一个重要目标。为达到该目标，需要以娘子关泉水流量为保护核心，对系统内岩溶含水层抽水所引起的泉水流量的削减量，即娘子关泉水对系统内岩溶含水层抽水在时空的敏感性响应进行分区，评价泉水流量对系统含水层的脆弱性。
表8-6 娘子关泉水提水工程现状调查统计表
1.含水层水量脆弱性评价
通过系统岩溶水数值渗流模型基础上的响应矩阵可以获得系统含水层在任意一点或多点抽水时，其他任意点在任何时间的水位响应值。平面空间上可通过改变数值法结点号（或组成面元的结点）获得，时间上可通过调整时间步长获得。对于时间步长给定，需要结合岩溶水系统的动态特征具体分析来给出。
娘子关泉域岩溶水系统的岩溶水动态特征主要受系统大气降水的补给制约，以此在脆弱性评价的时间段选取上我们采用以下几种情况：
1）泉水排泄区。相对于直接抽取泉水，瞬时削减量为100%的水量极高敏感区。
2）1年期内对泉水削减在80%以上的地区的水量高敏感区。由于系统降水在年内分配不均一，泉水流量与岩溶地下水位都在一年期内表现出规律性变化。
3）最长连续枯水期泉水削减在80%以上的水量中等敏感区。对水量而言、连续干旱年份的出现对岩溶水动态特征的影响以及相关水文地质环境问题出现的影响最为重要。因此将降水量连续出现低于多年平均值的最长时期作为脆弱性评价期。根据系统内降水量系列动态分析，历史上出现有两次连续5年低于多年降水量平均值的时段，为此，选择5年期作为评价期。
4）整个系统剩余的水量低敏感区。美国佛罗里达州Suwannee River Water Management District已开展的5个岩溶水系统保护区划定中，将20年到达排泄区的范围岩溶含水层范围作为保护区来确定。这种界定具有一定的人为因素，扩大到泉域整个范围更为合理。
2.系统岩溶含水层水量保护区划分
维持娘子关泉水最小流量在是6.0m3/s以上应作为系统含水层水量保护的重要目标之一。要达到这一目标，需要根据脆弱性评价的结果制定系统岩溶水的整体开发方案。在目前几乎没有剩余可动用的流量情况下，特别要对泉水流量影响较大的一级、二级保护区的岩溶地下水开采应加以较为严格的限制。按照第七章第四节水量保护区划分方案（图7-3），共划分出4级岩溶含水层水量保护区（图8-15），分别是：
图8-15 娘子关泉域岩溶水系统岩溶含水层水量脆弱性（保护区）分区图
1）泉源保护区，面积为13.87km2。
2）岩溶含水层水量一级保护区，面积为20.73km2。
3）岩溶含水层水量二级保护区，面积为137.12km2。
4）系统水量准保护区，面积7024.47km2。
地下水环境质量评价及含水层保护
答：这些都是依研究区的具体情况而定,没有统一的划分标准。 除上述的评价方法外,在确定综合污染(水质)指数时,还有模糊数学法等,本书不作详细介绍。 (二)含水层的防护 含水层的水质防护分为区域防护及局部防护两类。其目的都是为了保护地下水水质,避免水质恶化而影响其使用。 1.区域防护 在过去的区域水文地质研究...
岩溶含水层组类型及赋水特征
答：不同岩溶层组类型的水文地质剖面,岩溶发育及水文地质特征,都反映出明显的差异。从研究岩溶水文地质特征的需要出发,碳酸盐岩成分及不同岩性层的组合方式,是岩溶发育及其含水层赋水特征的基本控制因素[3][4]。因此,对基于碳酸盐岩岩层组合的岩溶含水层组进行分类研究,是掌握岩溶水赋存特征的基础。 2.1.2.1 碳酸盐...
地下水型水源地保护区划分方法
答：1.3.3.1 地下水型水源地保护区划分历程 水源地保护区是指国家为防止水源地污染、保护水源地环境质量而划定并要求加以特殊保护的一定面积的水域和陆域,它分为地表和地下水型饮用水水源地保护区。近年来,世界人口的持续增长和水污染的日益加剧,促使各国更重视地下水并把其作为优先饮用水水源,而建立保护区则是保护地下...
水源保护区的划分及保护要求
答：以取水点来划分。饮用水水源地保护区的划定：一级保护区:以取水点起上游1000米，下游100米的水域及其河岸两侧纵深各200米的陆域。二级保护区：从一级保护区上界起止溯2500米及其河岸两侧纵深各200米的陆域。准保护区：从二级保护区上界起止溯5000米的水域及其河岸两侧纵深各200米的陆域。若水源地...
水源地保护区划分工作的实施
答：地下水型饮用水水源地保护与管理：以吴忠市金积水源地为例 式中：Q——抽水速率；t——各级保护区的运移时间标准；n——含水层孔隙度；b——抽水井滤管长度；q1——垂向渗透或区域补给率；Rt——与时间t对应的保护区半径。即该情况下水源地保护区划分需要收集抽水速率、孔隙度、抽水井滤管长度及垂...
地下水水质恶化的特征、危害、原因及防治措施
答：1.存在引起地下水水质恶化的污染物质来源 这些污染物,既可存在于地下,也可以存在于地上。从污染物质的成因类型来看,可分为两大类。第一类为天然污染源,即自然界本来就存在着的各种劣质水体,如海水、地下高矿化水或其他劣质水体。此外,含水层或包气带中的某些含水介质含有某些矿物(特别是各种易溶盐类),也可成为...
水源保护区划分范围怎么分
答：对水源保护区要实行特别的管理措施,以使保护区内的水质符合规定用途的水质标准。 划分方法 我国水源保护区等级的划分依据为对取水水源水质影响程度大小,将水源保护区划分为水源一级、二级保护区。 结合当地水质、污染物排放情况将位于地下水口上游及周围直接影响取水水质(保证病原菌、硝酸盐达标)的地区可划分为水源一...
饮用水资源保护区的分级标准是什么?
答：饮用水水源保护区划分技术规范 前言 为贯彻《中华人民共和国水污染防治法》和《中华人民共和国水污染防治法实施细则》,防治饮用水水源地污染,保证饮用水安全,制定本标准。 本标准规定了地表水饮用水水源保护区、地下水饮用水水源保护区划分的基本方法和饮用水水源保护区划分技术文件的编制要求。 本标准为首次发布。 本...
地下水型饮用水水源地保护区划分的基本原则
答：地下水饮用水水源地保护区的划分一般遵循如下5个原则。1）地下水和地表水统一原则：地下水和地表水相互作用、互为补给，两者之间在水量和水质上有着不可分割的关系，必须坚持地下水和地表水同时保护。2）水质和水量兼顾原则：地下水保护主要是保护地下水质量。对未污染水体要加强保护，防止水质恶化。对已经...
保护区划分方法的确定
答：要对吴忠市金积水源地进行保护区划分工作，首先我们要进行保护区划分方法的筛选以使之适合本地实际情况。依据上文所述，筛选保护区方法是采用HEARLAW指数评价法，通过对水源地开采规模、水文地质条件复杂性、污染风险、含水层介质类型、赋存地点、精度需求及技术水平、抽水井分布密度这7 项指标进行评分并...
