基于玫瑰花图裂隙法对饮用天然矿泉水卫生防护区设定的探索——以济南某饮用天然矿泉水为例

刘传娥，迟乃杰，高文锋

(1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014；2.山东省地质科学研究院，自然资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013；3.山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266590)

0 引言

随着人们生活水平的提高，天然矿泉水作为含有锶、偏硅酸等多种有益微量元素的饮用水，成为人们改变饮用水质量的首选对象[1-4]。根据市场调查，受访者中喜欢矿泉水的人占49%。相关资料显示，中国矿泉水消费量以近20%的速度增长[5-11]。但由于部分矿泉水井卫生防护区设置的不合理，矿泉水水源地没有得到有效保护，使矿泉水水质受到不同程度的污染，加上当地燃煤量持续增长，矿泉水水质污染程度加剧[7]，水质变差成为影响人们健康生活的重要制约因素，解决矿泉水水质污染，科学合理划定饮用天然矿泉水卫生防护区变得至关重要。

1 矿泉水井概况及其水文地质背景

济南某饮用天然矿泉水井位于山东省济南市历城区西营镇北3km处，丘陵地形的山坡下部与近SN向山间谷底的东部边缘带上。矿泉水井成井于1992年，井深150m，开孔口径377mm，8～73m孔径273mm，73m以下孔径219mm，至终孔。上部为ф325mm螺旋钢管护壁，水泥砂浆止水。

该矿泉水地下水类型属碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙水，主要赋存于寒武纪长清群馒头组灰岩及薄层状灰岩破碎形成的裂隙中。矿区范围内，主要出露寒武纪长清群馒头组灰岩和第四纪砂砾层，第四系沿山间沟谷两侧分布，厚度较小，富水性中等。寒武纪石灰岩厚度较大，部分岩溶裂隙发育，富水性好，为矿泉水井的取水层位。矿泉水井西侧为东坞断裂与一小型NE向断裂交会处(图1、图2)。

1—三山子组a段；2—三山子组c段；3—炒米店组；4—崮山组；5—张夏组上灰岩段；6—张夏组下灰岩段；7—馒头组上页岩段；8—馒头组下页岩段；9—馒头组石店段；10—朱砂洞组丁家庄段；11—前寒武纪变质基底；12—断层及推测断层界线；13—地下水流向；14—剖面线；15—矿区范围图1 矿泉水井附近地质简图

1—三山子组a段；2—三山子组c段；3—炒米店组；4—崮山组；5—张夏组上灰岩段；6—张夏组下灰岩段；7—馒头组上页岩段；8—馒头组下页岩段；9—馒头组石店段；10—地下水水位线；11—断层图2 水文地质剖面示意图

该矿泉水井南部石灰岩出露地表，地下水直接接受大气降水补给或地表河水入渗补给。主要排泄途径是人工开采。

经水质分析，该矿泉水锶含量0.39～0.502mg/L，偏硅酸含量15.5～17.22mg/L，属于锶达标的饮用天然矿泉水。该矿泉水一方面供村民生活用水，一方面进行商业开发，年均总开采量2万m3左右。

2 矿泉水井原卫生防护区的设定及保护现状

该矿泉水井设立矿权之初，按照相应规范要求，设立了一级、二级、三级保护区(图3)。一级保护区，以矿泉水井为中心，30m范围内的耕地，应禁止种植和使用；二级保护区，矿泉水井周围150m的范围内，为防止面状污染，在种植田内，应禁止使用化肥、农药；三级保护区，矿泉水井附近不准新建居民点，以保护好水井附近的地质环境。

1—一级保护区；2—二级保护区；3—三级保护区；4—矿泉水井；5—地下水流向；6—矿权范围图3 矿泉水井原卫生防护区设置示意图

该矿泉水在多年开采过程中，对水井及其各防护区的保护措施落实良好，区内未建设与矿泉水引水无关的建筑物，水井外围建有水井房，房屋配备有钥匙，并有专人管理。取水泵房周边主要种植有绿化树木，其他无关的工作人员严禁随意进出泵房所在的保护区内。

3 矿泉水井卫生防护区重新设定建议

济南某饮用天然矿泉水井虽按原卫生防护区进行了相应防护，但矿泉水水质恶化，导致水化学类型发生了变化，这说明原卫生防护区设置存在局限和不足。

该矿泉水井原一二级防护区的设定于1993年，由于当时技术条件等的限制，单纯参照相关规范以取水井为圆心，以30m,150m为半径划定同心圆。此划定方法没有考虑地层岩性、地质构造、地形地貌、地下水补径排条件等。

该矿泉水产于寒武纪破碎石灰岩岩溶裂隙及构造裂隙中，具潜水—承压水特征，从水源保护角度，该卫生防护区的设置除应依据规范方法设立保护区外，作为岩溶饮用水水源来说，还应该考虑裂隙介质的各项异性及其发育特征，优化保护区设置，以便精准保护。

为客观反映济南某矿泉水地下水赋存条件及其补给、径流条件，对紧邻矿泉水井的基岩露头区(照片1、照片2)进行水文地质调绘，对典型区域岩石节理裂隙发育情况进行统计(表2)，并绘制节理裂隙发育走向玫瑰花图(图4)。

表1 济南某饮用天然矿泉水多年水质对比

表2 济南某饮用天然矿泉水井附近节理裂隙走向统计

照片1 节理裂隙走向1

照片2 节理裂隙走向2

区内节理裂隙发育走向以NW向为主，另有NE向与之共轭发育，二者比例平均约为2.1/1。二者共同主导了区内岩溶裂隙网络型蓄水单元。

NNE向节理裂隙为区内主控导水构造，为区内主要岩溶裂隙水补给径流通道，这一现象与区内地下水流向基本吻合。

参照环境保护部发布的《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ338—2018)岩溶裂隙网络型岩溶水水源地保护区划定方法，以该矿泉水井原一、二级保护区计算结果为半径，划定等效一级保护区范围及边界，再根据区内岩溶裂隙网络发育特征，进行修正，最后以修正后范围作为保护区范围。

根据区域节理裂隙统计结果，按照长轴半径/短轴半径=2.1/1的比例，按规范要求的最短距离圈划椭圆，其长轴方向为NW—SE向，依据地下水“向源”保护原则，沿此方向(水源上游方向)平移1/3长轴距，以此作为修正后的保护区范围。

图4 节理裂隙走向玫瑰花图

4 矿泉水井卫生防护区重新设定的探索做法

4.1 一级保护区

按规范要求，一级保护区边界依据水文地质条件和周边环境，距离取水点最少为30～50m半径。该文圈定保护区的方法，按照长轴半径/短轴半径=2.1/1的比例，圈划距离井口最短距离不小于30m的椭圆，其长轴方向为NW—SE向，并沿此方向(水源上游方向)平移1/3长轴距，修正一级保护区(图5)。

1—矿泉水井；2—等效一级保护区；3—修正一级保护区图5 一级保护区修正范围示意图

4.2 二级保护区

按照相应规范，产于岩溶含水层的天然矿泉水水源，保护区边界距离一级保护区边界不小于100m。该文对二级保护区进行一定修正，修正过程同一级保护区。最后以经修正后的范围确定为二级保护区，已便精准保护(图6)。

1—矿泉水井；2—等效二级保护区；3—修正二级级保护区；4—修正一级保护区图6 二级保护区修正范围示意图

4.3 三级保护区

三级保护区的划定，以水源免受污染为基本原则，除将水源补给区和径流区一并划为三级保护区范围外，该文还以水源地所处小区域相对独立的水文地质小单元为三级保护区边界：西侧以东坞断裂为界，南、北、东3个方向主要以地表分水岭为界，划定面积为2.24km2。

5 建议

(1)经现场勘查，拟定矿泉水井一、二级保护区内无点源污染源存在，拟定一级保护区的范围内具备一级保护区封闭管理的条件。建议矿权企业在一级保护区内设置隔离防护措施的建设，确保一级保护区内无与供水设施和保护水源无关的建设项目和污染源，全力保障饮用水环境安全。

(2)拟定三级保护区附近有居民点，生活污水、生活垃圾等经雨水淋滤入渗有污染地下水环境风险，因此要注意生活垃圾等不得随地堆放，集中收集后统一处理，同样要做好排污管道防渗处置，加强渗漏巡检。

(3)矿权企业加密矿泉水水源地标志牌的设置，通过水源地标志牌(界标、宣传牌、交通警示牌等)设置，切实加强饮用水安全、水源保护等相关知识及工作的宣传力度，增强居民水源保护意识。构建全民行动格局，切实提升饮水安全保障水平。