暗河管道边界控制下的饮用水源地保护区划分方法研究

赵红梅,赵勇,廖瑞雪,许冠东

(1.四川省生态环境科学研究院，成都 610041；2.中国大唐集团科学技术研究院有限公司水电科学研究院，成都 610074)

1 前言

按照《中华人民共和国水污染防治法》对饮用水源的要求，国家建立饮用水水源保护区制度，饮用水水源保护区分为一级保护区和二级保护区，必要时，在饮用水水源保护区外围划定一定的区域作为准保护区。为了贯彻落实水污染防治法的相关要求，加强集中式饮用水源地的环境保护，2007年，我国颁布了《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ/T338-2007)[1]，明确了饮用水水源保护区分为地表水饮用水源保护区和地下水饮用水源保护区，规定了地表水型和地下水型水源地保护区的划分技术方法。2018年，原环境保护部对划分技术规范进行了修订[2]。

目前国内针对岩溶地区的水源地保护区划分多集中在地下水型水源地上，采用的划分技术方法多为三维数值模拟法[3]～[5]、经验公式法，对地表水和地下水相互转化型的水源地研究较少。南方岩溶地区复杂的大气降水→地下岩溶管道水→地表水“三水转化”规律[6]，给环境保护工作者开展饮用水源地保护区划分带来了极大的困难与挑战。而现行规范往往只针对单纯的地表水型和地下水型给出了划分技术方法，对岩溶地区暗河管道交错、地表水地下水循环交替的水源地保护区划分指导不足。若仅按照导则中规定的地表水型或地下水型保护区划分方法进行划定，往往造成水源地保护范围缺失，达不到保护饮用水源水质、防范环境风险的目的。

本文以川东广安市龙滩河集中式饮用水源地为例，从水文地质条件分析入手[3]，深入研究取水口以上的流域汇水特征、“三水转化”规律、暗河管道边界的控制作用等，提出了基于现行技术规范和水文地质条件分析下的两种不同的保护区划分方案。

2 水源地基本情况

2.1 水源地概述

广安市前锋区城区供水水源为龙滩河，设计日供水规模10 000 m3，供水人口10万人，为前锋区县级集中式饮用水水源地。目前，龙滩河水源地取水口位于龙滩镇龙滩电站前池。水源地取水口以上汇水区域主要包括两段，一段为龙滩电站前池沿输水明渠向上游至龙滩水库导流洞，二段为导流洞以上的龙滩水库以及上游入库河流龙滩河及支流皮子槽河。区域水系结构详见图1。

图1 龙滩水库流域水系图

2.2 水系汇水结构

广安龙滩河发源于华蓥山山脉西侧的光辉乡高岭村，源头分水岭处海拔650 m。龙滩水库坝址以上分为南、北两条支流，水源地取水口以上水系结构概化情况见图2。

图2 水源地取水口上游水系结构概化图

北支流为龙滩河干流，源头为烂泥沟和干河沟，河道长度约7.5 km，河床高程364～490 m，河床比降约为17‰。由北往南逐渐汇集了左岸的龙洞湾、阎王沟、干河沟等支沟水，支沟均发源于华蓥山西侧山麓。枯水期龙滩河上游河段来水量少，基本呈干涸状态，主要接受左岸的K1、S27、S25、S26等暗河管道系统地下水的补给，成为主要补给来源，暗河管道系统的源头均为地表支沟通过落水洞转化为伏流补给。南支流皮子槽河主河道长约3 km，流向N20°～30°E，河床高程364～520 m，河床比降约为52‰。受龙滩煤矿运输巷道的影响，枯水期上游来水从煤矿巷道通过河床潜入地下，下游河床干涸，主要接受右岸的S55暗河管道系统地下水的补给。

因此，区域龙滩水库的汇水除南北龙滩河、皮子槽河补给外，还有一部分重要水源为东侧地表支沟通过伏流转化为暗河管道最后又在支沟排泄补给，且这类型补给方式成为了枯水期龙滩水库主要的补给水源，对其水质的保护显得尤为重要。

2.3 岩溶含水岩组划分

水源地周边区域出露地层由新至老依次为：第四系松散堆积层(Q4)、侏罗系中下统(J1z)地层、三叠系上统须家河组(T3xj)、三叠系中统雷口坡组(T2l)、三叠系下统嘉陵江组(T1j)和飞仙关组(T1f)地层，各地层沿北东方向展布。根据区域出露地层的岩性组合及岩溶发育特征，将其划分为：强岩溶含水岩组(T1j、T1f1-2、T1f2-1、T1f3-1)、中等岩溶含水岩组(T2l2)、弱岩溶含水岩组(T1f1-1、T1f3-2)、隔水岩组(T2l1、T1f4、T1f2-2、P2l、T3xj)等4类。

受北东向隔水岩组的控制，将水库区从西向东划分为五大独立的地下水含水系统，地下水径流为顺层径流，龙滩河就发育于强岩溶T1j和隔水岩组T2l1接触界面附近。如图3所示。

2.4 区域岩溶化特征

龙滩水库周边区域气候温和湿润，雨量充沛，为岩溶发育提供了良好条件，区域岩溶形态主要有岩溶洼地、落水洞、暗河管道、溶洞等。水库以龙滩河和皮子槽河为界，西侧以相对隔水和隔水地层为主，仅雷口坡组第二段(T2l2)可溶岩呈条带状夹于其间，地表未见溶洞发育，岩溶形态主要有溶蚀洼地，且沿岸未见流量较大的常年性泉水出露。东侧则以强岩溶含水透水层(T1j)为主间夹少量隔水～中等透水地层，各类岩溶形态均有发育，其中落水洞和暗河管道最为突出，K1、S27、S25、S26等暗河管道系统发育在龙滩河左岸， S55管道系统发育在皮子槽河右岸，暗河管道上游均由地表支沟经落水洞以伏流形式注入，最后在河流切割处成泉。

研究区地下水的补给方式主要有两种：①分散补给形式，大气降雨通过溶蚀裂隙、落水洞、洼地、层面等入渗补给地下水，此种入渗补给形式为该区主要补给形式；②集中注入式补给，即地表径流通过岩溶洼地、落水洞等以伏流形式直接集中注入补给地下水，如白岩凼伏流、干河沟伏流、庙梁子伏流、大店村伏流等。区域地下水的径流主要受地貌、构造及水文网切割情况的控制，沿北东向地层展布方向径流，最后在龙滩河左右岸以暗河和岩溶下降泉排泄。

2.5 三水转化规律

结合流域汇水特征、岩溶地下水补径排条件分析，龙滩水库区域地下水在绿水洞背斜核部的分水岭区域接受降雨补给后，受背斜轴部岩层产状的控制，地下水一部分向西翼龙滩河流域径流排泄，一部分向背斜东翼御临河流域径流排泄，两翼形成独立的水文地质单元。西翼龙滩河主要在流域分水岭地带接受大气降水补给，受地貌条件控制，地下水就近补给，就近排泄形成地表明流，随着流域汇水的形成，地表支沟穿越了隔水层组进入到强岩溶化地层中，遇地表强烈发育的落水洞注入地下，最后在龙滩河左岸受河流切割以暗河管道和大泉形式排泄。

受山区河道的影响，龙滩河河水具有陡涨陡降的特点，河流枯水期主要接受沿途岩溶管道水的补给，这些岩溶大泉受上游伏流注入的影响，表现为枯水期水量明显变小、汛期流量增大，大雨后流量陡增的特点。区域三水转化模式见图3。

图3 龙滩河岩溶管道三水转化过程示意图

3 保护区划分方法讨论

3.1 基于技术规范划分成果

根据《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ338-2018)，水源地类型按照取水口取水类型确定，本项目取水口设置在龙滩镇龙滩电站前池，按照规范确定为地表水型饮用水源地。

(1) 一级保护区划分

按照划分技术规范中地表水型水源地类比经验法，一般河流水源地，“一级保护区水域长度为取水口上游不小于1 000 m，下游不小于100 m范围内的河道水域。”且“非完全封闭式饮用水输水河(渠)道应划分一级保护区，其宽度范围可参考河流型水源保护区划分方法”。

龙滩河水源地取水口以上至导流洞之间有1.2 km输水明渠，渠道宽度约为2 m，渠道全线未封闭。因此，按照规范要求一级保护区水域范围为龙滩电站前池至上游1 200 m导流洞之间的整个输水渠道范围；一级保护区陆域宽度受渠道左岸紧临坡体，直接接纳地表径流汇入，右岸临空，高于坡体影响，取右岸纵深50 m、左岸纵深至地表分水岭范围。

(2) 二级保护区划分

根据划分技术规范中类比经验方法，二级保护区水域长度从一级保护区的上游边界向上游延伸不得小于2 000 m，下游外边界距一级保护区边界不得小于200 m。二级保护区水域宽度为多年平均水位对应的高程线下的水域。二级保护区陆域沿岸纵深范围一般不小于1 000 m，但不超过流域分水岭范围。

按照技术规范划分，龙滩河水源地二级保护区起点从导流洞起，分别向龙滩河、皮子槽河上游延伸2 000 m。下游外边界由于电站前池下游为封闭管道且高程远远低于电站前池海拔高度，可不划下游边界。二级保护区陆域沿岸纵深取至1 000 m，但不超过流域分水岭。

(3) 准保护区

参照二级保护区的划分方法，在二级保护区上游边界向上游延伸2 000 m为准保护区水域长度，水域宽度为多年平均水位对应的高程线下的水域，准保护区陆域范围取至水域沿岸纵深1 000 m，但不超过流域分水岭。

基于技术规范的龙滩河集中式饮用水源保护区划定方法如图4。

图4 前锋区龙滩河集中式饮用水源地保护区(基于技术规范要求)

3.2 基于技术规范划分成果存在的问题

由图5可知，基于现行技术规范划分的饮用水源保护区西侧取至地表分水岭，但东侧1 km范围外的暗河管道以及地表伏流白岩凼伏流、干河沟伏流、庙梁子伏流、大店村伏流却未被纳入到保护区范围内，这类伏流在枯水期是龙滩水源地主要的给水水源，且伏流的汇水范围内还存在大面积的农业种植、分散式农户居住以及3家煤矿开采企业。该保护区划分范围，在防控水源地水质安全方面存在不足，应当进行进一步优化。

3.3 基于水文地质分析方法的保护区划分成果

在前文所述的三水转化模式下，考虑到暗河管道水流运动速度较快，管道的源头均是地表伏流通过落水洞进入暗河管道，具有河流特性。本文创新性提出将汇入龙滩河的暗河管道K1、S27、S25、S26、S55作为龙滩河的支沟看待，在技术规范的基础上，结合实际将整个暗河管道出口至伏流入口白岩凼落水洞、新房子落水洞、黄茅坪落水洞、董家湾落水洞、周家湾落水洞、偏头山落水洞段划为二级保护区水域，两侧陆域宽度按照规范推荐公式进行计算。同时为了有效管控白岩凼伏流、干河沟伏流、庙梁子伏流、大店村伏流汇水范围内的各类污染源和风险源，本次将落水洞以外的伏流整个汇水范围划为准保护区，增加了对上游农业面源和采矿企业的风险管控。

在以技术划分规范为基础，结合区域水文地质条件分析，确定出龙滩河饮用水源地保护区划分范围如下：

一级保护区：龙滩电站前池以及龙滩渠道前池进水口上溯至龙滩水库导流洞出口，两岸渠堤之间的全部水域范围；一级保护区水域边界右岸纵深50 m，左岸纵深至分水岭的陆域范围。

二级保护区：自导流洞入口分别沿龙滩河与皮子槽河上溯2 000 m的多年平均水位对应高程线下的水域，以及龙滩河左岸K1、S27、S25、S26暗河出口沿管道延伸至白岩凼落水洞、新房子落水洞、黄茅坪落水洞、董家湾落水洞、周家湾落水洞之间的管道水域，皮子槽河右岸S55暗河管道出口沿管道延伸至偏头山落水洞的管道水域。龙滩河二级保护区水域边界左岸纵深至第一重山脊线，右岸纵深至流域分水岭的陆域，皮子槽河二级保护区水域边界右岸纵深至第一重山脊线，左岸纵深至流域分水岭的陆域，暗河管道两侧纵深66 m的陆域范围。

准保护区：二级保护区上边界分别沿龙滩河、皮子槽河上溯2 000 m的多年平均水位线下的水域；准保护区水域边界龙滩河右岸、皮子槽河左岸纵深至流域分水岭，龙滩河左岸、皮子槽河右岸纵深至黄莲村干堰塘、唐家坳、麻柳湾及大店村大垭口、大堰村小学、高硐村弓背梁、横店村堰塘湾一线地下水补给径流区域(其中二级保护区除外)。

基于水文地质分析方法的保护区划分结果见图5。

图5 前锋区龙滩河集中式饮用水源地保护区划分(基于水文地质分析)

4 结论

(1) 岩溶地区典型的大气降水→地下岩溶管道→河流的“三水”转化过程，给环境保护工作者开展饮用水源地保护区划分带来了极大的困难与挑战。而现行规范往往只针对单纯的地表水型和地下水型给出了划分技术方法，对岩溶地区暗河管道交错、地表水地下水循环交替的水源地保护区划分指导存在不足。本文对比了基于技术规范要求和基于水文地质分析的两种不同划分方法，得到第二种方案更具合理性、科学性。

(2) 在复杂岩溶地区划分饮用水源保护区，应该在水源地保护区划分技术规范的基础上，特别重视对水文地质条件的分析，研究区域“三水”转化规律，使保护区划分结果在满足规范要求的同时，更符合地方实际，确保饮用水水源水质得到有效、全面保护。

(3) 本文考虑到暗河管道水流运动速度较快，具有河流的特性，创新性提出将汇入龙滩河的暗河管道K1、S27、S25、S26、S55作为河流的支沟看待，对暗河管道划定一定范围的二级保护区，具有一定的创新性。