運城市城區(qū)水源地可采資源量評價與封井限采試驗研究

張念龍

(山西省運城市涑水河河務局，山西 運城 044000)

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運城市城區(qū)水源地可采資源量評價與封井限采試驗研究

張念龍

(山西省運城市涑水河河務局，山西 運城 044000)

[摘要]運城市城區(qū)水源地中深層承壓水，由于持續(xù)過量開采形成了100 km2的地下水位下降漏斗。通過對城區(qū)水源地含水系統(tǒng)的分析，把水位升降值看作是大氣降水入滲和人工開采對含水系統(tǒng)輸入激勵的響應輸出，采用數(shù)理統(tǒng)計分析方法建立線性時不變集中參數(shù)系統(tǒng)輸入響應數(shù)學模型評價可采資源量。對地下水漏斗水位恢復進行初步預測，并對已實施的兩次封井限采使漏斗中心水位回復效果進行分析。針對近年城區(qū)水源地承壓水水位動態(tài)變化，結合現(xiàn)狀開采狀況，提出今后封井限量開采的建議，指出封井限采措施在以地下水為主要水源的北方中小城市推廣應用有著重要的社會效益和生態(tài)環(huán)境效益。

[關鍵詞]沉積；鹵水

運城市位于山西省西南端，與河南、陜西以黃河為界，是晉南的經(jīng)濟文化中心。運城市城區(qū)水源地屬于涑水盆地的一部分，是以運城市區(qū)為中心，面積約20 km2。由于盆地特殊的地理氣候環(huán)境和水文地質(zhì)條件，淺層地下水是咸水，礦化度高，硬度大，氟、硫酸、氯等離子嚴重超標，不能作為城市的生產(chǎn)和生活用水水源，因而中深層承壓水早在上世紀五六十年代已被開發(fā)，年開采量約10萬 m3，七十年代年開采量逐漸增大約130萬 m3，八十年代開始大量開采，1987年開采量已達1 013萬 m3，以后隨著城市工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展及人口的增加，地下水開采量逐年增大，到1997年城區(qū)開采量已達到1 491.4萬 m3，中深層承壓水也形成面積約100 km2的區(qū)域下降漏斗。八、九十年代隨著城區(qū)水源地中深層地下水開采量持續(xù)加大，城區(qū)承壓水水位下降速率為每年2～5 m，一直到2002年城區(qū)承壓水降落漏斗中心位降累計幅已達到122.18 m。為了控制城區(qū)地下水位的持續(xù)下降，于2005年開始實施封井限采，水位逐漸開始回升，且效果明顯。本文就運城市城區(qū)水源地可采資源量進行了計算，并就中深層承壓水限量開采和降落漏斗水位回升預測進行了探討研究。

1運城城區(qū)水源地含水系統(tǒng)分析

運城市城區(qū)水源地含水系統(tǒng)屬于涑水盆地地下水流動系統(tǒng)一部分，含水層巖性及結構與涑水盆地一致，大致可分為淺、中、深三個含水層組和兩個弱透水層，構成一個五層結構越流含水系統(tǒng)。

淺層水含水層巖性以亞粘土、亞砂土為主，偶見粉細砂，含水層厚約10～30 m，水位埋深為2～30 m，直接受降水入滲補給，徑流方向由北向南，主要排向鹽湖，部分靠潛水蒸發(fā)或形成地表積水再蒸發(fā)排泄。在開采中深層水的條件下，通過下伏弱透水層向中深層越流排泄。

中層水含水巖性以細砂、中細砂為主，頂板埋深在70～130 m之間，含水層厚度20～50 m。在天然狀態(tài)下，向鹽湖通過向上越流而排泄，補給來源主要靠盆地兩邊山區(qū)及黃土崗地降水人滲徑流補給。原水頭高于地面(高程約360 m)7～10 m．開采后形成降落漏斗，水位埋深在70 m左右，其補給來源靠淺層水通過弱透水層越流補給以及漏斗周圍徑流補給，排泄方式主要是開采和向深層水越流。

深層水含水層巖性主要由粉細砂、中粗砂以及砂礫石組成，總厚度20～60 m不等。補徑排與中層水相似，只是在開采條件下水頭埋藏較深，在80～100 m之間。

總的來說，作為運城城區(qū)水源地的中深層孔隙水補給來源主要是靠垂直滲入補給以及側向徑流補給，排泄主要是人工開采。

2運城城區(qū)水源地可采資源量評價

2.1可采資源量計算方法選擇

一個水源地可開采資源量多少取決于開采條件下的補給量，也與開采的技術經(jīng)濟條件和開采方案有關。由于一個水源地的水文地質(zhì)條件、水文地質(zhì)研究程度、資料的豐富程度、供水量的大小、評價的精度不同，以及采用的方法不一致，其結果相差甚大，其中起決定作用的是水文地質(zhì)條件。在一定水文地質(zhì)條件下選擇計算方法不當，必然導致結果有誤。目前，對水源地可采資源量計算方法主要有開采試驗法、解析法、數(shù)值法以及數(shù)理統(tǒng)計分析法等。

開采實驗法及解析法一般適用于水源地具有定水頭邊界，水文地質(zhì)條件清楚，但可根據(jù)抽水量能否滿足供水要求，分別采用開采實驗法或解析法；數(shù)值法適用于一個水源地是一個完整的水文地質(zhì)單元、邊界條件清楚、地下水動態(tài)觀測系列較短；而數(shù)理統(tǒng)計分析法則適用于水源地不是一個完整的水文地質(zhì)單元，且邊界條件不清，但須具有系列較長的降雨、開采等補給、排泄項和水位動態(tài)觀測資料。

運城城區(qū)水源地面積20 km2，范圍較小，屬于涑水盆地地下水流動系統(tǒng)的一部分，不是一個完整的水文地質(zhì)單元，而且城區(qū)水源地的邊界也沒有設置專門地下水觀測網(wǎng)，邊界條件不清，但水源地內(nèi)有系統(tǒng)的降雨、水位觀測資料和歷年開采量統(tǒng)計資料，因此，可采資源量計算適合采用數(shù)理統(tǒng)計分析法。

2.2可采資源量計算

運城城區(qū)水源地中深層孔隙水補給來源主要是靠垂直滲入補給以及側向徑流補給，排泄主要是人工開采。因此，可將水位升降值看作是大氣降水入滲和人工開采對含水系統(tǒng)輸入激勵的響應輸出。所以對城區(qū)水源地可開采量的評價，采用數(shù)理統(tǒng)計分析法建立線性時不變集中參數(shù)系統(tǒng)輸入響應數(shù)學模型，若以月為計算時段，則數(shù)學模型可表示為：

(1)

式中：△H(t)為t時段的水位升降值，m；P(t-Z1)為t-Z1時段降水量，mm；Z1為降雨人滲補給延遲時間，Z1=0，1，……；W(Z1)為Z1時段的權系數(shù)；Q(t-Z2)為t-Z2時段的開采量，m3；Z2為開采影響延遲時間，Z2=0，1，……；W(Z2)為Z2時段的權系數(shù)；ξ(t)為除當?shù)亟涤耆藵B補給和人工開采以外的其它變量及各種誤差對水位影響的總貢獻。

在(1)式中，右邊是延遲時間為Z1的以前歷月降水量P(t—Z1)以不同權重W(Z1)作用的疊加值，延遲時間不同，其權重也不同。第二項延遲時間為Z2的以前歷月的開采量Q(t—Z2)以不同權重W(Z2)作用的疊加值。同樣道理，延遲時間不同，其權重也不同。一般來說，隨著延遲時間的增加，權重逐漸變小，當延遲時間增大至某一數(shù)值時，此時的降水量、開采量對水位變化的貢獻已小到忽略不計，這時，(1)式可截斷為：

(2)

式中：K1、K2為截斷的月份，其它符號同前。

這是一雙輸入單輸出系統(tǒng)的數(shù)學模型，利用地下水位變化值、月降水量以及月開采量資料，采用最小二乘法，求得模型中各項權系數(shù)，便可進行可開采量的計算。

為了利用數(shù)量統(tǒng)計分析法計算城區(qū)可開采量，對地下水位升降值采取濾波處理，即采用滑動平均求得數(shù)據(jù)的均值；開采量采用了月開采量分配系數(shù)，降水量月有效值采用延遲補給權系數(shù)法進行處理。代人(2)式，分別求得延遲5個月、7個月、9個月以及1 1個月的數(shù)學方程、復相關系數(shù)(R)及剩余標準差(s)，進行顯著性檢驗以及復相關系數(shù)比較，選出降雨延遲補給時間為9個月的方程式為預測方程。即:

△Ht=0.001 61Pt-0.001 06Qt-1-0. 002為75Qt+0.173 51

(3)

運城市城區(qū)水源從五十年代開采到1990年已形成區(qū)域下降漏斗，漏斗中心水位累計降幅已達到48.53 m，隨著持續(xù)的過量開采，2000年漏斗中心水位累計降幅已達到118.85 m，說明開采量嚴重超過了可開采量。若要控制水位不出現(xiàn)持續(xù)下降，只要多年平均水位升降值為0，即∑△H(t)=0。這時的開采量即為所求的可開采量。

從多年平均角度來說，以年為計算單位，(3)式中寫為：

式中從多年平均角度來說：

因此得：

(4)

本次利用1956-2000年進行多年平均可采資源量的計算，把以后的2001-2014年作為預測和限采效果檢驗年。因此，根據(jù)1956-2000年45年降水量的平均值Py=538.94 mm，

代入(4)式得： Qy=774. 23×104m3。

即運城市城區(qū)地下水可采資源量為774.23×104m3/a。這個可開采量即為在多年地下水位變化值為0時的開采量，理論上來說，只要年開采量控制在此范圍內(nèi)，運城城區(qū)地下水位不會出現(xiàn)持續(xù)下降。

2.3封井限采使承壓水漏斗中心水位回升預測

老巴在急救室門口只坐了一會兒，醫(yī)生便走了出來。醫(yī)生平淡地說：“人已經(jīng)完了。心肌梗死?！卑胄r后，阿里的母親便被送到了太平間。阿里的弟弟阿東趕到醫(yī)院時，老巴蹲在太平間門口，他已經(jīng)悲傷得嗓子發(fā)不出聲音。羅四強和李麗紅都在勸他先回家去。

運城城區(qū)水源地地下水可采資源量為774.23×104m3/a，這一可開采量是按45 a平均降水量計算出來的，若按豐水年(保證率25%)降水量611.65 mm計算，保持此開采量地下水位每年將回升0.12 m；若按枯水年(保證率80%)降水量454.5 mm計算，保持此開采量，每年水位將下降0.15 m。若年開采量減至365×104m3/a，在平水年水位回升1.54 m/a，在豐水年水位回升1.66 m/a，在枯水年水位回升1.40 m/a。若平均每年回升1.5 m/a計算，要使地下水位下降漏斗恢復到50年代水平(360 m)需要95 a。若不能實施限量開采措施，開采量得不到控制，中深層承壓水漏斗中心水位將持續(xù)下降。

3運城城區(qū)水源地地下水限量開采實施

3.1外調(diào)水源入城是限量開采的前提條件

八十年代末期及九十年代，運城市城區(qū)工業(yè)生產(chǎn)和城市規(guī)模不斷擴大，人口也逐年增加，用水量也不斷的擴大，導致城區(qū)地下水持續(xù)過量開采，地下水位不斷下降，供需矛盾日益尖銳。為了解決運城市城區(qū)供水日益增加的需水量，以及緩解地下水位的不斷下降，運城市政府決定從區(qū)外調(diào)水入城。隨著“引泗濟運”和“引黃濟運”兩大調(diào)水工程于1993年把夏縣泗交水、1999年把永濟黃河灘蒲州水源地水調(diào)入城區(qū)供水管網(wǎng)后，才使得城區(qū)地下水限量開采的實施成為可能。

多年來，城區(qū)供水公司外調(diào)水源對城區(qū)用戶的供水量也逐年增加，2004年供水量697萬 m3，2010年城區(qū)供水量1 039萬 m3，2014年城區(qū)年供水量1 370萬 m3。目前，供水公司的供水能力完全有保障在城區(qū)水源地范圍內(nèi)對中深層承壓水繼續(xù)實施封井限采。

3.2限量開采的實施

為了控制城區(qū)地下水漏斗的不斷擴展和地下水水位的以每年2～5 m的速度的下降及其引起的咸水倒灌等環(huán)境問題，于2005年開始實施封井限采措施。

第一次封井限采：封井工作于2005年4月—2008年12月實施，共封深井78眼，城區(qū)新增用供水公司戶3 508戶，限采中深層地下水176萬 m3。

城區(qū)水源地以上兩次共封井581眼，限采地下水258萬 m3。

3.3限量開采實施前后的漏斗中心水位回升效果分析

運城城區(qū)水源地地下水可采資源量為774.23×104m3/a是按45 a(1956—2000年)平均降水量計算出來的。在限采之前的2001-2004年降雨量、開采量、漏斗中心水位見表1。

表1　限采前后地下水位變化對比表

從表中可以看出，封井限采(2005年)以前因開采量一直在1 000萬 m3以上，且降水量較少，漏斗中心地下水位一直處于下降狀態(tài)；2003年降水量增大，開采量也相對減少，漏斗中心地下水位回升也較大。

第一次封井于2005年4月—2008年12月實施，之前的2004年城區(qū)地下水開采量1 148.6萬 m3，城區(qū)漏斗中心水位為217.82 m，與五六十年代相比累計降幅已達103.1 m。封井后的2006年城區(qū)地下水開采量908.3萬 m3，城區(qū)的地下水漏斗中心水位257.17 m。封井前后地下水位回升20.27 m。

第二次封井于2011年5月—2011年12月在全城開始實施，封井后的2012年城區(qū)地下水開采量728.5萬 m3，城區(qū)的地下水漏斗中心水位254.84 m，雖然與封井之前的2010、2011年地下水位264.24 m和266.63 m相比水位下降，這主要由于2012年降水量僅有384 mm ，遠小于2010年的568.6 mm和2011年的714.9 m所致,而并非第二次封井限采沒有作用。

總的來講，城區(qū)水源地實施封井限量開采，使地下水位漏斗中心水位回升效果明顯。

3.4今后限量開采實施意見

3.4.1現(xiàn)狀開采量

2014年城區(qū)水源地范圍內(nèi)還有深層承壓水開采井80余眼，均為工業(yè)及城市生活用水井，開采量仍達729.54萬 m3，主要集中在南城區(qū)開采量為296.6萬 m3，占總開采量的40.66%；北城區(qū)開采量為150.45萬 m3，占總開采量的20.62%；西城區(qū)開采量約為145.21萬 m3，占總開采量的19.90%；東城區(qū)開采量最小，約為137.28萬 m3，占總開采量的18.82%。年內(nèi)6-9月開采量較大，為313.4萬 m3，占總開采量的43.00%。

3.4.2今后限采量的確定

根據(jù)2000年以后的運城城區(qū)降雨系列資料，2001-2014年的年降雨量平均為481 mm,仍達不到1956—2000年的平均降水量538.1 mm和平水年(50%)的降水量516.1 mm，只比枯水年(80%)的降水量454.5 mm多26.5 mm。因此，今后再繼續(xù)實施限量開采，必須按枯水年(80%)的降水量454.5 mm來考慮限采，即把年開采量將至365×104m3/a，在枯水年水位可回升1.40 m/a。若平均每年回升1.4 m/a計算，要使2014年地下水位區(qū)域下降漏斗(2014年中心水位255.05 m)恢復到50年代(水位360 m)水平，仍需要75 a。

3.4.3具體限采方案的實施意見

因此，在運城城區(qū)仍需加大封井限采的力度，把年開采量逐步降低，爭取使開采量保持在365×104m3/a。具體限采方案是對南城區(qū)采取封井限采150萬 m3，北城區(qū)封井限采70萬 m3，西城區(qū)限采70萬 m3，東城區(qū)限采70萬 m3。

封井限采雖然對城區(qū)地下水位回升及改善整個涑水盆地的水環(huán)境大有好處，但由于會觸及到自備水源井用戶的既得利益，必然會阻力重重、困難較多，因此，必須由市政府牽頭，供水公司和水資源管理部門制定城區(qū)封井方案逐年實施。同時，要采取經(jīng)濟杠桿作用和嚴厲的地下水資源超采處罰政策來限制城區(qū)中深層地下水的開采。

4封井限量開采地下水研究的意義

隨著封井限采措施的實施，運城市城區(qū)水源地范圍內(nèi)地下水位逐年回升，也將使因地下水位嚴重下降引起的一系列環(huán)境水文地質(zhì)問題，如鹽湖咸水倒灌問題、淺層咸水越流補給中深層地下水問題、地裂縫等問題逐步得到改善。因此，封井限采地下水措施在以地下水為主要水源的北方中小城市推廣應用，有著較好的社會效益和生態(tài)環(huán)境效益。

參考文獻

[1]李世忠，等.地下水資源調(diào)控與管理.

[2]鹽湖區(qū)水資委，等.運城城區(qū)水源地2014年地下水動態(tài)分析報告.

[收稿日期]2015-03-14

[作者簡介]張念龍(1964-)，男，山西運城人，高級工程師，主要從事水資源開發(fā)利用工作。

[中圖分類號]TV211.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)01-0063-03