崔龙玉，姜素，黄敬军

1.江苏省地质调查研究院，南京 210018；2.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室(江苏省地质调查研究院)，南京 210018

0 引言

徐州市地处江苏省西北部，东襟淮海，西接中原，南屏江淮，北扼齐鲁，既是淮海经济区的中心城市，又是江苏省重点规划建设的三大都市圈核心城市之一。徐州城市规划区内岩溶发育，水量大、质量优的岩溶水是居民饮水和工矿企业的重要供水水源。随着经济的加速发展和人口的不断膨胀，用水需求也日益增加，为了保护地下水资源并合理开发利用，在徐州规划区开展岩溶地下水脆弱性研究具有十分积极的作用。

地下水脆弱性是由Margat于1968年提出，他将地下水脆弱性定义为：在自然条件下，地表污染物通过扩散和渗滤进入地下水的可能性[1]。随之发展出多种地下水脆弱性评价方法，最为广泛应用的地下水脆弱性评价方法为DRASTIC模型[1]，该方法主要适用于孔隙水和裂隙水，岩溶水由于其复杂的水文地质条件，影响其脆弱性的因素有别于孔隙水和裂隙水。因此，在2003年，欧洲科技领域合作组织(COST)第620号行动提出了岩溶含水层的脆弱性评价方法，即“欧洲模式”[2]，它充分考虑了岩溶区特殊的地质及水文地质条件，是基于“起源--路径--目标”[3]的概念模型，其中包含不同的评价方法，如PI法、COP法、LEA法和Time-input法等。笔者以徐州城市规划区为研究区，采用COP方法，运用MapGIS对研究区内岩溶水脆弱性进行评价，编制徐州城市规划区岩溶水脆弱性分区图，为区内岩溶水开发利用和管理提供科学依据。

1 研究区概况

徐州城市空间整体格局呈现“群山环抱，一脉入城；两河相拥，一湖映城”的特点，平原区分布在西北和东南部，低山丘陵及山前、山间平原区主要在中东部和西南部，总面积为3 126 km2。区内地势总体呈向东南倾斜，山体多为寒武系灰岩组成的低山丘陵，海拔在100～200 m之间；平原区以覆盖性岩溶为主，寒武系、奥陶系及震旦系灰岩均有分布。徐州位于北亚热带与暖温带之间过渡带，属于湿润半湿润季风气候，多年平均降雨量为845.1 mm，降雨量虽十分充沛，但降雨年内变化大，时空分布不均。区内河流纵横交错，湖沼、水库星罗棋布，两条较大的河流分别为北部的京杭运河与斜穿东西向的故黄河。

徐州最主要的构造为徐宿弧形构造，多呈复式背斜与复式向斜的平行相间隔档式发育，复式背斜核部主要由新元古界地层组成，复式向斜核部则多由二叠系地层组成(图1)[4]。 与徐州弧形构造带伴生的还有一系列横向和纵向断裂，其中纵向压扭性逆断裂更发育，断裂大致与徐宿弧形构造平行，多倾向南东，横向断裂切断了区内所有地层，断裂带较宽，断裂带内岩石碎裂，为区域性控水构造[5]。

图1 徐州市区地质构造简图Fig.1 Geological structural map in Xuzhou City

徐州地下水的赋存和分布特征既有平原区的水文地质特点，也有丘陵区的水文地质特征，可划分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水(以下简称岩溶水)以及裂隙水。本次研究的重点为岩溶水，主要分布在垞城—柳新—拾屯—夹河一线以东地区，除了出露的基岩山区外，均被第四系松散层所覆盖，可分为石炭系上统含水岩组(C2)、奥陶系中下统含水岩组(O)、寒武系含水岩组(∈)及震旦系含水岩组(Z)等4大类，含水岩组岩性多为灰岩、白云岩、白云质灰岩和砂页岩夹灰岩等(图2)。

图2 徐州城市规划区岩溶水含水岩组分布图Fig.2 Distribution of karst water aquifers in Xuzhou planning area

岩溶水作为徐州重要的供水水源以来，因其开发利用早，开采时间长，也引发了一些环境地质问题。①为地下水水位下降，降落漏斗扩大，以丁楼—茅村水源地为例，1980年该区漏斗面积仅8.3 km2，而到1995年底漏斗面积已扩大到182.49 km2，到2014年7月漏斗面积已经超过200 km2；②为地下水化学成分发生变化，局部水质溶解性总固体超过III类水标准[6]，岩溶水污染风险不断增加；③为岩溶塌陷，1986年以来，徐州市区已发生多起危害性较大的岩溶塌陷事故，绝大多数是因为大量开采岩溶地下水而引起的，造成了重大的经济损失和不良的社会影响。

2 岩溶水脆弱性评价方法及指标

2.1 评价方法

由于岩溶水水文地质条件复杂及其自身的特殊性，在收集并分析区内水文地质条件并结合野外调查的基础上，采用针对岩溶水脆弱性的COP方法[7]进行评价。COP方法也可以概括为“起源--路径--目标”模型，其中“起源”可以看做地下水潜在污染物释放的区域，“路径”为污染源释放点(即“起源”)到所要保护的目标的全部途径，“目标”则是需要保护的地下水[5]。评价因子为上覆岩层(O)、径流条件(C)和降水(P)[8]，其中O因子代表上覆岩层对污染物的阻挡及保护能力，C因子代表地表的径流条件，P因子代表降水对岩溶含水层脆弱性的影响[9]。分别为每个评价因子赋值、评分，利用MapGIS软件进行空间叠加分析，最终得到岩溶水脆弱性指数，编制徐州城市规划区岩溶水脆弱性分区图。

2.2 评价因子

2.2.1O因子(上覆岩层)

欧洲模式中将上覆岩层(包气带)分为表层土、次表层土、非石灰岩岩石和非饱和带的石灰岩4层[10]。根据实际地质条件及钻孔资料，将区内上覆岩层概化为土层(OS)和岩层(OL)[2]。O因子保护能力的计算公式包括：

OL=Cn*∑(Ly*m)

(1)

O=OS+OL

(2)

式中：OL为上覆岩层的保护能力；Cn为含水层额外保护能力量化值；Ly为上覆岩层保护能力量化值；m为各岩层厚度(m)；OS为上覆土壤层的保护能力。

OS的取值由土壤的质地和厚度决定，区内土层可划分为粉砂、粉土和粉质黏土--黏土3类，其对岩溶水的保护能力的量化见表1，分值越大，保护能力越强，反之保护能力越弱。

表1 上覆岩层保护能力量化表(OS)[11]

Table 1 Quantitaive table of overlying layers protection capacity (OS)

厚度粉砂粉土粉质黏土--黏土>2 m1.53.04.51～2 m1.02.54.0<1 m0.52.03.5

OL的取值通过岩性、裂隙发育情况、岩层厚度和含水层性质来量化，欧洲模式中将上覆岩层岩性分为13类，在整理分析区内揭露基岩钻孔资料的基础上，笔者选取区内分布最多的7种岩石，对Ly进行评价(表2)，分值越高保护能力越强。

表2 岩性赋值量化表(Ly)[11]

同时，若含水层为承压水或其上有半隔水层，岩溶水会受到额外的保护(Cn)[12]，无隔水顶板保护的岩溶水岩层其上覆岩层保护能力最弱，分值最低(表3)。按照公式(1)得出OL包气带岩层的保护能力。

表3 额外保护能力量化表(Cn)[11]

岩溶水包气带保护能力是土层及岩层合力作用的结果，O因子是土层保护能力与岩层保护能力的总和[12]。

利用公式(2)计算O因子分值，分值越高上覆岩层保护能力越高，反之保护能力越低。将O因子划分为5个等级：分别为保护能力弱、保护能力较弱、保护能力中等、保护能力较强和保护能力强(表4)。

表4O因子上覆岩层保护能力量化表[11]

Table 4 Quantitaive table of overlying layers protection capacity (factorO)

O12(2～4](4～8](8～15]保护能力弱较弱中等较强强

2.2.2C因子(径流条件)

C因子用来校正O因子的系数，代表发生集中渗滤的几率和该区上覆岩层保护能力退化的情况[13]。C因子分为两种情况：第一种是存在落水洞的区域，第二种是其他区域。根据实际情况，区内没有落水洞，因此C因子仅与地表岩溶特征(sf)和坡度--植被(sv)有关，其计算公式为：

C=sf*sv

(3)

根据岩石的裸露与否以及岩溶发育程度对地表岩溶形态特征(sf)进行赋值[14](表5)，一般裸露的石灰岩赋值较低，不透水的非岩溶地区赋值较高。

表5 地表岩溶特征(sf)量化表[11]

上覆岩层是否有植被及其密度都会影响地下水的入渗和径流过程，坡度对径流具有积极的影响。坡度(s)--植被(v)具体分值见表6。

表6 坡度(s)--植被(v)量化表[11]

C因子分值在0～1之间，C=0代表保护层功能完全丧失，C=1代表O因子保护能力没有被修正，将C因子划分为5个等级(表7)。

2.2.3P因子(降水)

P因子代表的是降水对岩溶水脆弱性的影响。根据区内的实际情况，选择极端降雨事件次数(rd)和达到平均降水量天数(se)来反映降水对脆弱性的影响[12]。极端降雨事件是24 h降雨量在80 mm以上的暴雨和大暴雨，平均降雨量是24 h降雨量在20～80 mm。P因子计算公式为：

P=rd*se

(4)

其结果可量化为5个等级(表8)，保护能力退化强表示污染物通过降水进入岩溶水的可能较大，反之则较小。

2.2.4 岩溶水脆弱性

基于上述评价结果，按式(5)叠加C、O、P3个评价因子得出岩溶水脆弱性指标，并将岩溶水脆弱性划分为5个等级(表9)。

K=C*O*P

(5)

表7 径流条件C因子量化表[12]

表8 降水P因子量化表[13]

表9 岩溶水脆弱性等级[11]

3 评价结果及分析

3.1 O因子评价结果

按照式(1)、式(2)和表1、表3计算得出O因子分值,并根据表4对O因子保护能力进行等级划分(图3)。

由图3可以看出，大部分地区为保护能力较强；基岩裸露区是岩溶水的重要补给区，且不具有土层保护，因此基岩裸露区及其周围包气带保护能力等级为低或较低；南部部分地区保护能力等级可达到强。

3.2 C因子评价结果

根据式(3)计算得出C因子分值，并绘制C因子保护能力退化程度分区图(图4)。C因子保护能力退化程度强的区域主要集中在基岩裸露区，坡度在8%～31%之间，且岩溶发育；其余大部分地区保护能力退化程度较低或低。

图3 O因子上覆岩层的保护能力分区图Fig.3 Partition map of overlying layers protection capacity (factor O)

图4 径流条件(C因子)分区图Fig.4 Partition map of concentration flow (factor C)

3.3 P因子评价结果

通过收集并分析区内降雨资料，徐州地区P因子没有太大差异，根据式(4)计算得出P=1，因此，降水对研究区岩溶水的脆弱性影响很低，本次评价暂忽略降水对岩溶水脆弱性的影响。

3.4 岩溶水脆弱性评价结果

利用MapGIS空间分析模块，叠加O因子和C因子得出徐州地区岩溶水脆弱性评价分区图(图5)，各等级统计结果见表10。

表10 岩溶水脆弱性各等级所占百分比

Table 10 Percentage of each grades of karst water vulnerability

K面积/km2占比/%高464.3023.12较高275.6013.73中157.607.85较低232.3711.57低878.1043.73

图5 岩溶水脆弱性评价分区图Fig.5 Partition map of karst water vulnerability assessment

由评价结果可以看出，区内43.73%的地区脆弱性低，该区都有较厚的第四系土层覆盖，包气带保护能力较强，地势平坦，保护能力退化程度较弱；脆弱性高和较高的地区分别占比23.12%和13.73%，主要为寒武系、奥陶系基岩裸露区及其周围地区，由于缺少上覆土层的保护，岩溶裂隙也比较发育，其包气带保护能力弱，保护能力退化程度强，故脆弱性高--较高。

4 结论

(1)COP法能够针对岩溶水水文地质条件及其自身特殊性进行岩溶水脆弱性评价，进而为岩溶水保护提供依据。

(2)徐州岩溶水脆弱性评价结果显示，岩溶水脆弱性主要受其包气带保护能力的影响：基岩裸露区由于缺少上覆土层保护，其脆弱性一般高或较高，占总面积的23.12%、13.73%；大部分地区为隐伏型岩溶，岩溶水包气带保护能力较强，脆弱性等级一般也为低或较低，占总面积的43.73%、11.57%；脆弱性中等地区占总面积的7.85%。

(3)脆弱性高或较高的地区主要集中在基岩裸露及其周边地区，岩溶水污染风险相对较高；同时，该区属于岩溶水补给区，因此，在岩溶水开发利用过程中应重点关注，进一步划分岩溶水保护区，控制人类活动，以保证岩溶水水源安全。

(4)低脆弱性地区由于表层的保护，地表人类活动对岩溶水的影响较小，但仍需合理规划工农业活动。