西南典型岩溶区地下水防污性评价方法

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doi:10.3724/SP.J.1201.2012.02088

摘要：与第四系含水层相比，西南岩溶区常缺少天然的防渗或过滤层，岩溶含水层的地下水防污能力较差，地表水和污染物很容易通过落水洞等岩溶形态直接进入含水层或地下河。现以典型岩溶区――桂林市区为例，在将该地区依据地貌分为7个亚区的基础上，结合岩溶水二元补给特性，尝试运用“二元法”对桂林市岩溶区地下水的防污能力进行分区评价，评价结果显示，桂林市区除洪积扇亚区一带地下水的防污能力强以外，其他地区的岩溶地下水都面临着防污能力差的问题，尤其是在落水洞发育的峰丛洼地、峰丛谷地两个亚区，如果不加以保护，地下水极易被污染。通过与前人成果的对比，该方法将径流特征作为一个主要的评价因子，所得结果更为合理，而且本方法具有所需数据量少，可以进行定性评价等优点，可在我国西南岩溶区中加以推广。

关键词：西南岩溶地区;地下水防污性能;二元法;径流特征;地貌分区;桂林市区

中图分类号：X82;P641.134 文献标识码：A 文章编号：

1672-1683（2012）02-0088-05

Assessment Methods of Groundwater Antipollution Capability in Typical Karst Regions of Southwestern China

LIU Jing-lan1,LI Li-wei1,ZHANG Jia-en2

(1.Institute of Geology,Tianjin North China Geological Exploration Bureau,Tianjin 300170,China;2.Tianjin Institute of Geological Investigation & Surveying,Tianjin 300191,China)

Abstract:Compared with the Quaternary aquifer,the karst aquifer has a lower antipollution capability in the karst regions of southwestern China due to the absence of the natural impermeable filter layer in these regions,and therefore the surface water and contaminants can easily enter into the karst aquifer or underground river through the sinkhole or other karst features.In this paper,a typical karst region,Guilin karst area,is selected and this region is divided into seven sub-regions according to different geomorphology.The "dual method" is used to assess the groundwater antipollution capability in the sub-regions of Guilin karst area based on the fact that the karst water has a characteristic of dual supply.The results show that although the proluvial fan sub-region has a strong groundwater antipollution capability in Guilin karst area,other sub-regions have weak groundwater antipollution capability in the karst aquifer,especially in the peak cluster depression and peak cluster valley sub-regions with numerous developed sinkholes,where groundwater can easily be contaminated without any pared to the previous studies,the method in this study takes into account the runoff as an important evaluation index,which provides more reasonable results.Also,the method requires less data and evaluates the groundwater antipollution capability qualitatively,and thus it can be promoted in the karst regions of southwestern China.

Key words:karst regions of southwestern China;groundwater antipollution capability;dual method;runoff characteristics;geomorphologic zoning;Guilin

我国西南岩溶区岩溶总面积约78万km2［1］，由于该地区岩溶作用强烈，溶孔、溶隙、溶洞及暗河水系十分发育，地表水经常漏失为地下水，故地下水是该地区水资源的主要组成部分［2］。同时，西南岩溶区的极大多数地区缺少应有的地下水保护带，天然防渗过滤层很薄，地下水极易受到污染，因此找到一种简单易行的地下水防污性能评价方法成为岩溶区地下水脆弱性保护的关键。

地下水系统防污性能（Vulnerability of Groundwater Systems to Contamination）是指土壤-岩石-地下水系统抵御污染物污染地下水的能力，分为固有和特殊防污性能两种［3］。固有防污性能是指在一定的地质水文地质条件下，人类活动产生的所有污染物进入地下水的难易程度，它与含水层所处的地质水文地质条件有关，与污染物性质无关。特殊防污性能是指地下水防止某种或某类污染物污染的能力，它考虑污染物性质及其在地下环境中的迁移能力。本文主要评价的是岩溶区地下水固有防污性能。

1 二元法简介

近20年来，各国学者提出了众多的脆弱性评价（填图方法），直到欧盟COST620计划提出“岩溶含水层保护的脆弱性与风险填图”泛欧洲方法［4］，才建立了相对完整的岩溶地下水脆弱性概念框架与评价基本原则。欧洲模型是一种概念性的模型，各国研究者在具体应用时，采纳的因素不尽相同，方法各异，例如PI法、COP法、LEA法、Time-input法、LULK法等［5］。这些方法是基于欧洲国家的水文地质条件和社会经济背景提出的，评价过程不仅相对复杂而且需要大量的数据支撑，对其他国家，尤其是基础数据相对缺乏的发展中国家来说，难以推广应用。为了找到适合我国国情而且简单可行的岩溶区脆弱性评价方法，曾有学者运用“二元法”对重庆金佛山典型西南岩溶区以及重庆青木关岩溶槽谷等地区进行了脆弱性评价［6-7］，得到了与实际情况相符的结果，该评价方法具有输入数据量小，对岩溶含水层普遍适用等优点，而且较泛欧洲方法［8-9］简单，因此本文也选择该方法对桂林市岩溶区地下水的防污性能进行分区评价。

二元法［6-7,10］针对资源型固有脆弱性，参照地下水脆弱性评价的起源-路径-目标模型而建立，即定义地表为起源（用来描述潜在污染物质释放的位置），包气带为路径（指从起源到目标的污染物运移通道），地下水位为目标（目的在于保护含水层），因而评价中只需要考虑两个因子：覆盖层(O)与径流特征(C)。这两个因子对应着岩溶含水层补给的二元特性（内源水和外源水）。覆盖层(O)反映覆盖层保护能力，覆盖层厚度与渗透性的强弱决定了内源水补给产生的脆弱性，即降雨和潜在的污染物直接入渗并通过包气带进入含水层的可能性。覆盖层(O)厚度越大，渗透性越小，则其保护能力越强，内源补给产生的脆弱性则越低，根据O因子的取值可参照表1。

径流特征(C)因子为岩溶区独有，它代表外源水补给过程产生的脆弱性，亦即虽然覆盖层对地下水提供一定的保护作用，但外源水可能绕过覆盖层，如通过落水洞直接汇入含水层。桂林地区90%以上的地下河和大、中泉水分布于与非岩溶区接触带的峰丛、峰林谷地边缘，接受外源水的补给，来自于非岩溶区的地表径流补给可通过落水洞或坡面流使污染物快速进入岩溶含水层，因此外源水补给产生的脆弱性相对较高。

径流特征(C)所产生的脆弱性分两步来确定：第一步先根据土层的渗透性确定主要径流过程;第二步将地表划分为4大区(带)，见表2。

主要径流过程分为3种类型：类型A表征有高中渗透性岩层的地区，主要为直接入渗过滤，即以内源水补给为主;类型B为过渡类型，如表层土渗透性强，底层土渗透性低的地区容易产生地下的缓慢入渗水流;类型C表征很低渗透性地区，容易产生地表水流，意味着有外源水补给，即有侧向地表径流存在，最终通过点状或入渗带集中补给岩溶含水层。由于点状入渗点（落水洞、渗透率相对较低的碎屑岩等）和集中入渗带（地表河流等）的存在与否，将直接影响C因子所产生的脆弱性，因此，需要将地表划分为4大区(带)。

由表2可知，不管哪种径流过程，因带1存在集中入渗补给，与含水层联系密切，因而由C因子产生的脆弱性最高;带2由类型A到类型C，补给由分散到集中，脆弱性依次增高;带3与带2同类型径流区的脆弱性比较，又有所降低;带4因位于水文地质系统以外，不会构成对含水层的直接威胁，因而其脆弱性最低。带4与类型A很难有组合，但来自非岩溶区的水有可能通过裂隙系统补给下部含水层，因而，仍把它归为低脆弱性一类。

C因子主要由研究区次级流域图与主要径流过程组成，根据上述分析和相对原则，类型与带之间组合及脆弱性等级划分如表2。C因子与O因子组合情况如表3。

2 桂林市区地下水防污能力评价

2.1 桂林市区岩溶水文地质条件

按岩性划分，本区大致可划分为非岩溶区和岩溶区两大区。前者由碎屑岩组成，主要分布在东北部和西北部，在南部仅零星分布;后者由碳酸盐岩组成，广泛分布于区内，分布面积约700 km2，占总面积的75.43%。

2.1.1 地下水类型

根据赋存条件，将桂林市区地下水分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩岩溶水及基岩裂隙水3大类，分布面积及赋存条件见图1和表4。

2.1.2 桂林市区岩溶地下水系统特征

桂林市区岩溶地下水系统含水介质以溶洞、溶蚀裂隙为主，局部有岩溶管道。在垂直方向上，溶洞主要发育在距地表100 m范围内，地下溶洞发育强度在垂直方向上表现为随埋深增加而减弱，罗元华根据大量钻孔抽水资料分析证实［11］其地下水含水介质具有相对均质各向异性特征。研究区岩溶地下水的运动方式可分为管流和散流两种方式，且以散流为主，地下水流态大都为层流，在局部地段存在紊流。从总体上来说，岩溶地下水大体自东西两侧峰丛山区向漓江汇集，漓江是岩溶地下水排泄区。

2.1.3 岩溶地下水补径排特征

桂林市区内地貌成因类型复杂，形态类型多样，主要岩溶地貌有峰林平原、孤峰平原、峰丛洼地、峰丛谷地、峰林谷地、一、二级阶地岗垄和洪积扇等7个亚区，在研究岩溶地下水运动特征时，本文将该地区主要合成3大类进行分述，分别为洪积扇亚区，峰丛洼地（谷地）、峰林谷地亚区，峰林平原、孤峰平原亚区（包括漓江一、二级阶地岗垄亚区），前两者为补给区，后者为径流排泄区。研究区岩溶地下水的补给、径流和排泄特征如框图2所示。

2.2 岩溶地下水防护性能评价

曾有前人提出由于含水岩层程度、岩溶发育的

强度，覆盖土层的岩性、厚度、透水性、地下水埋藏深度的不同，从而导致了各亚区岩溶地下水的防护条件、防污能力的差异［12-13］，并据此得到了桂林市区岩溶地下水防护性能示意图见图3。本次工作考虑到岩溶地下水的特殊性，尝试采用覆盖层和径流特征两个主要因子对桂林市区岩溶地下水的防污性能进行评价，并根据上述影响岩溶地下水防护条件因素，按地貌分区进行综合分析评价，评价结果如下。

① 峰丛洼地、峰丛谷地两个亚区。分别分布在尧山南侧养鸡场至轮胎厂和西部长海机械厂至塘家湾一带。碳酸盐岩几乎全部，故O因子（保护能力）取值为低;该地区洼地、落水洞、溶洞、漏斗、溶隙十分发育，大气降雨直接转化为岩溶地下水的速度极快，径流过程属于类型A，流域归为带1，故C因子取极高值。查表3可知，该地区地下水脆弱性极高，污水及污染物极易直接污染地下水，防污性能极差。

② 峰林谷地亚区。分布在西山至老人山一带，东部的岩前村至二药厂一带。该亚区碳酸盐岩大部分，虽然盖层-黏土渗透系数低（0.2 m/d左右），但厚度不大（＜5 m）且分布及其不均，综合考虑盖层的保护能力，将O因子取值为低;塌陷、落水洞，尤其是在山体边缘处，落水洞屡见不鲜，地下水埋深也不大（2～6 m），大气降水转化为岩溶地下水的速度也较快，径流过程属于类型B，流域归为带2，故C因子取中等值。查表3可知，该地区地下水脆弱性高，地表污水、污染物容易下渗污染岩溶地下水，防污性能差。

③ 峰林平原和孤峰平原两亚区。介于漓江阶地和峰林阶地之间，分布面积较大，含水层大都埋藏于黏土层以下，黏土渗透系数0.09～0.189 m/d，厚度一般在5～10 m，因而对地下水保护能力较强，这些区域O因子（保护能力）取值为高。塌陷、落水洞仅个别地段较发育，岩溶地下水位较浅，由于含水层普遍有黏土层覆盖，大气降水，地表水都要通过黏土层下渗补给岩溶地下水，转化为岩溶地下水速度较慢，主要径流过程属于类型B，且该地区主要位于带3，查表2可知C因子取值为中等，查表3可知，该地区地下水脆弱性中等，防污性能较差。

④ 漓江一、二级阶地，岗垄亚区。分布于漓江两岸，含水层全部覆盖于土层之下，处在地下水排泄区。该亚区土层厚度较大，一般在10～30 m，具二元结构。地下水上部孔隙潜水和下部岩溶承压水，其间水力联系不甚好，综合考虑，将O因子（保护能力）取值为高。孔隙潜水上部有厚3～5 m亚砂土覆盖，由于亚砂土渗透系数较大（1.65～6.00 m/d），降水和地表污水容易下渗污染孔隙潜水，而下部承压岩溶水之上尚有层厚10 m多的砾石黏土，渗透系数很小，C因子属于类型B，地表划分为带2，综合以后取中等值，查表3可知，该地区地下水脆弱性中等，防污性能较差。

⑤ 洪积扇亚区。分布在尧山西侧，岩溶含水层全部埋藏于10～30 m厚的砂质黏土或黏土砾石层下，地下水埋藏较深，一般在10～15 m，包气带厚。土层渗透系数在0.5～2 m/d，故O因子（保护能力）取值为高;大气降水和地表污水要经过较厚土层才能进入地下水，C因子属于类型B，地表划分为带2，C因子取值为中等，查表3可知，该地区地下水脆弱性中等，岩溶地下水防护条件好，防污能力强。

综合以上评价得出的地下水防污能力评价结果，与广西地质环境监测总站绘制的桂林市区岩溶地下水防护性能示意图结果相近，见图3、图4。说明该评价方法对于西南岩溶区地下水防污性能的评价具有较好的适应性。但在地表径流较强的地区，如在漓江一二级阶地亚区，本方法得出的地下水防污能力较之有所降低，表明径流条件会优先决定岩溶区地下水防污性能，因此建议在进行岩溶区地下水防污性能评价时应将该地区的径流条件作为一个最主要的评价因子来考虑。

3 结语

本文以西南典型岩溶区――桂林市区为例，运用“二元法”对其7个地貌亚区的岩溶地下水防污性能进行了定性的评价，并以径流条件作为一个主要的评价因子，得出了与实际情况较为相符的评价结果，弥补了前人单从岩层程度、岩溶发育的强度，覆盖土层的岩性、厚度、透水性、地下水埋藏深度等因子进行防污性能评价的缺陷，为桂林市今后可持续利用岩溶地下水资源提供了科学依据。

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