株洲市河西應(yīng)急地下水源地研究

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(湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局四一六隊(duì)，湖南 株洲 412003)

株洲是湖南第二大城市，其城市供水水源是湘江，湘江既是航運(yùn)河道又是納污河流。近些年由于枯季水量減少及水位下降等原因，湘江下游水資源緊缺問(wèn)題已經(jīng)凸現(xiàn)。以水資源緊張、水污染嚴(yán)重為特征的水危機(jī)嚴(yán)重制約著株洲市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。由于突發(fā)性事件的不確定性，為應(yīng)對(duì)各種因素影響下的應(yīng)急供水，保障人民身心健康，維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定，在應(yīng)急情況下提供健康水源。建立以地表水源為主，地下水源為備用的“復(fù)合型供水”體系，健全城市供水預(yù)警和應(yīng)急機(jī)制，以防突發(fā)水污染事件[1-3]。利用地下水含水層的儲(chǔ)藏和調(diào)蓄能力，為緊急狀態(tài)下提供后備水源地和優(yōu)質(zhì)地下水資源，將有效提高株洲市的供水安全。本文從應(yīng)急地下水源地特征、地下水資源量、地下水質(zhì)量等方面探討其應(yīng)急供水的可行性，可為株洲市地下水應(yīng)急水源地建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 株洲水資源現(xiàn)狀概況

1.1 城市供水現(xiàn)狀

株洲市位于湖南省東部，湘江中下游，主城區(qū)常駐人口約130萬(wàn)人，全境皆屬湘江水系，水資源豐富，水資源總量達(dá)572億 m3/a，其中本境水資源94億 m3/a，客境水資源497億 m3/a。城市供水水源是湘江，已建有4座水廠，總供水能力已達(dá)100萬(wàn) m3/d，目前四座水廠的生活用水管網(wǎng)已經(jīng)互相聯(lián)通，二、三水廠的沉淀水管亦銜接，整個(gè)株洲市給水管網(wǎng)已形成一個(gè)多環(huán)，相互連通的環(huán)狀供水管網(wǎng)。為便于調(diào)解調(diào)度，主干管網(wǎng)末端均置高位調(diào)解清水池；各大用戶(重點(diǎn)用戶)均設(shè)有兩條進(jìn)廠輸水主干管，具備雙水源供水的需求。

1.2 城市供水存在的主要問(wèn)題

1.2.1 供水水源單一、污染風(fēng)險(xiǎn)較高

目前株洲市四個(gè)水廠的取水口分布于主城區(qū)湘江河道，距離較近，而湘江功能較為復(fù)雜，承擔(dān)著航運(yùn)、承接排放等功能，一旦湘江上游突發(fā)水污染事件，必然對(duì)株洲市自來(lái)水供水安全帶來(lái)巨大沖擊，全市面臨停水的風(fēng)險(xiǎn)。如2006年 1月，由于株洲市霞灣港清淤治理工程施工不當(dāng)且未采取適當(dāng)防范措施，造成湘江株洲霞灣港至長(zhǎng)沙段發(fā)生嚴(yán)重水污染事故，導(dǎo)致湘潭、長(zhǎng)沙兩市水廠取水水源的水質(zhì)受到不同程度污染。湘潭市環(huán)境監(jiān)測(cè)站2006年1月5日的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，株洲、湘潭交接斷面馬家河右岸鎘超標(biāo)25.6倍。

1.2.2 湘江水水質(zhì)欠佳、水資源時(shí)空分布不均

湘江水質(zhì)受有機(jī)物和重金屬污染，近些年由于枯季水量減少及水位下降等原因，湘江下游水資源緊缺問(wèn)題已經(jīng)凸現(xiàn)，2003年、2007年、2008年枯水季節(jié)有較長(zhǎng)時(shí)間主要依靠上游東江水庫(kù)補(bǔ)給才能基本保證下游長(zhǎng)、株、潭的人民生活及生產(chǎn)用水需求。以水資源緊張、水污染嚴(yán)重為特征的水危機(jī)嚴(yán)重制約著株洲市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，在遭受極端氣候或污染事件時(shí)，仍然需啟動(dòng)其它應(yīng)急供水方案。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 區(qū)域水文地質(zhì)

研究區(qū)出露地層為由老至新有出露泥盆系石炭系(C)、白堊系(K)及第四系(Q)等地層。其中石炭系下統(tǒng)梓門(mén)橋組(C1z)為生物碎屑灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r；樟樹(shù)灣組(C1zs)為厚層狀石英砂巖、含礫砂巖夾砂質(zhì)、炭頁(yè)巖質(zhì)，石炭系中上統(tǒng)壺天群(CPH)為灰?guī)r、白云巖；白堊系(K)為泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖夾綠色礫狀砂巖，底部為灰質(zhì)礫巖；第四系(Q)以沖洪積為主。

圖1 株洲市河西地下水源地分布圖

研究區(qū)在區(qū)域構(gòu)造上為湘東新華夏系構(gòu)造帶和湘東華夏系構(gòu)造帶的組成部分。區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造有株洲凹陷盆地、肥塘灣壓扭性斷裂(F61)、廟灣—羅家屋場(chǎng)斷裂(F62)、董家沖—壩灣壓扭性斷裂(F66)、霞石—雷打石壓扭性斷裂(F68)。

區(qū)內(nèi)地下水主要為碳酸鹽巖裂隙溶洞水和碎屑巖孔隙裂隙溶洞水為主，其中碳酸鹽巖裂隙巖溶水。據(jù)區(qū)域資料資料，泉流量可達(dá)61.467 L/s，單井涌水量809.0～2 358.7 m3/d含水豐富。碎屑巖孔隙裂隙溶洞水單井涌水量147.0～649.7 m3/d，含水中等。

2.2 研究區(qū)水文地質(zhì)特征

研究區(qū)由泉水窟—羅正壩地下水源地及雷打石—壩灣地下水源地共同組成。兩個(gè)水源地呈條帶狀分布于株洲市天元區(qū)南東一帶，面積分別為89.64 km2和46.44 km2(圖1)。

2.2.1 邊界條件及含水巖組

泉水窟—羅正壩地下水源地北西及南東兩側(cè)分別以肥塘灣壓扭性斷裂(F61)、廟灣—羅家屋場(chǎng)斷裂為界(F62)，斷裂的東側(cè)為白堊系上統(tǒng)羅鏡灘組(K2lj)及戴家坪組(K2dj)泥灰?guī)r段含水極貧乏巖層，西側(cè)和北側(cè)為戴家坪組(K2dj)砂礫巖含水貧乏巖層，為相對(duì)隔水邊界(圖2)；南部的北西側(cè)為泥盆上統(tǒng)岳麓山組(D3yl)及石炭系下統(tǒng)尚保沖組(C1sb)和樟樹(shù)灣組(C1zs)含水極貧乏巖層，東側(cè)為白堊系砂礫巖段含水貧乏巖層，均為相對(duì)隔水層。

雷打石—壩灣地下水源地水源地南東側(cè)的霞石—雷打石壓扭性斷裂(F68)以東為白堊系砂礫巖，ZK89抽水試驗(yàn)，降深28.07 m，涌水量?jī)H0.259 m3/d[4-5]，是良好的隔水層，為南東側(cè)隔水邊界。北西側(cè)董家沖—壩灣壓扭性斷裂(F66)以西的下降盤(pán)亦為白堊系砂礫巖、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等隔水層，為地下水源地北西側(cè)邊界(圖3)。北東側(cè)地表為第四系沖洪積層，下伏石炭系中上統(tǒng)壺天群，屬覆蓋型碳酸鹽巖類裂隙溶洞水，水量豐富，該地段構(gòu)成地下水源地的排泄邊界。

圖2 泉塘沖-泉水窟水文地質(zhì)剖面示意圖

圖3 壩灣-霞石水文地質(zhì)剖面示意圖

研究區(qū)碳酸鹽巖裂隙溶洞水主要賦存于石炭系中上統(tǒng)壺天群(CPH)白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r含水巖組中，為承壓水。碎屑巖孔隙裂隙溶洞水賦存于白堊系上統(tǒng)羅鏡灘組(K2lj)灰質(zhì)礫巖含水層中，覆蓋于碳酸鹽巖裂隙溶洞含水層之上。

泉水窟—羅正壩地下水源地南部為覆蓋型，北部為埋藏型，埋深大于200 m，南淺北深。泉水窟為代表性排泄上升泉，泉水流量最大為64.529 L/s，最小為18.767 L/s[4]。鉆孔揭露溶洞及溶蝕裂隙發(fā)育深度達(dá)257 m，鉆孔一般涌水量496.54～1 767.9 m3/d，ZK130鉆孔抽水試驗(yàn)降2.72 m，涌水量達(dá)2 352.7 m3/d。

雷打石—壩灣地下水源地絕大部分為埋藏型，埋深50～200 m，由南往北逐漸變淺。區(qū)內(nèi)壺天群白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r巖溶發(fā)育，溶孔和溶蝕裂隙多見(jiàn)，溶孔多呈蜂窩狀，鉆孔遇溶洞及溶蝕裂隙發(fā)育深度達(dá)147.93 m。鉆孔涌水量一般大于1 000.0 m3/d，ZK150鉆孔抽水試驗(yàn)降深1.19 m，涌水量2 095.20 m3/d[4]。

2.2.2 地下水補(bǔ)徑排特征

地下水補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水，大氣降水沿?cái)嗔褞霛B補(bǔ)給；受區(qū)域地形和湘江流向控制，南部的碳酸鹽巖巖溶水沿著斷裂破碎帶和巖溶通道向北東方向運(yùn)移。埋藏型碳酸鹽巖裂隙溶洞水沿著巖溶管道或斷裂破碎帶，由南西向北東方向運(yùn)移和向上覆碎屑巖裂隙溶洞水徑流，如ZK150的水位較北東約2.16 km處的ZK146水位高出14.93 m。

研究區(qū)地下水主要以上升泉的形式排泄，多沿?cái)嗔褞Ъ捌涓浇牡屯莸囟纬雎?，如羅正壩的上升泉、泉水窟上升泉群、霞石上升泉、鞍子嶺上升泉等，最大流量達(dá)64.529 L/s。

2.2.3 地下水動(dòng)態(tài)變化特征

研究區(qū)SK701水位年變幅3.0 m[5]、SK703水位年變幅1.67 m、 SK704水位年變幅3.62 m、SK705水位年變幅5.30 m[5]，地下水水位變化受大氣降水影響較為明顯，雨季水位上升，枯水期水位下降。據(jù)前人長(zhǎng)期觀測(cè)資料，除ZK130水位變化不明顯外，其余觀測(cè)點(diǎn)均隨季節(jié)變化明顯。每年豐水期鉆孔水位上升、流量增大，枯水季節(jié)則鉆孔水位下降、泉流量減少；鉆孔水位和泉流量變化均滯后于大氣降水。據(jù)不同觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)資料，從上游至下游有明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)：ZK139位于補(bǔ)給徑流區(qū)，滯后于大氣降水7～25 d；ZK136在徑流區(qū)，滯后于降水23～30 d；泉水窟上升泉群在排泄區(qū)，滯后于大氣降水19～62 d。雷打石地區(qū)泉流量變化滯后于大氣降水13～30 d。

2.2.4 地下水水化學(xué)特征

研究區(qū)地下水無(wú)色、無(wú)味，水化學(xué)類型為HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg型。pH值除泉水窟上升泉群為6.4外，其余pH值在7.05～7.81之間，屬中偏堿性水，總硬度182.40～343.64 mg/L，屬軟—微硬水，礦化度220.7～372.91 mg/L?？傮w而言，研究區(qū)地下水有毒有害元素均未超出生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，是良好的飲用水。

3 地下水資源量計(jì)算分析

3.1 地下水資源量計(jì)算

3.1.1 補(bǔ)給量計(jì)算

綜合研究區(qū)水文地質(zhì)條件，按大氣降水入滲法進(jìn)行補(bǔ)給量計(jì)算：

式中：Qb為補(bǔ)給量(104m3/d)；α為大氣降水入滲系數(shù)，取值0.148；A為大氣降水量(mm/d)，取3.528；F為計(jì)算區(qū)面積(m2)。

經(jīng)計(jì)算，泉水窟—羅正壩地下水源地的補(bǔ)總量(Qb)為4.67×104m3/d；雷打石—壩灣地下水源地的補(bǔ)總量(Qb)為2.42 ×104m3/d；兩個(gè)地下水源地合計(jì)補(bǔ)給量(Qbh)為7.09×104m3/d。

3.1.2 儲(chǔ)存量計(jì)算

本次只計(jì)算地下水容積儲(chǔ)存資源量，其計(jì)算公式為：

Qw=μ×M×F

式中：Qw為儲(chǔ)存量(104m3)；μ為給水度，以鉆孔揭露溶洞的總高度與揭露的可溶巖總厚度之比替代；F為可溶巖面積(m2)；M為含水層厚度(m)，地段內(nèi)鉆孔揭露的可溶巖厚度的平均值。

經(jīng)計(jì)算，泉水窟—羅正壩地下水源地的儲(chǔ)存量(Qw)為2 343×104m3，雷打石—壩灣地下水源地的儲(chǔ)存量(Qw)為1 135×104m3；兩個(gè)地下水源地合計(jì)儲(chǔ)存量(Qwh)為3 478×104m3。

3.1.3 可采量計(jì)算及可靠性分析

井群干擾法適用于井?dāng)?shù)不多，抽水井比較集中的取水方式，如城鄉(xiāng)供水、工礦企業(yè)供水等集中供水水源。由于這類水源地往往數(shù)個(gè)井同時(shí)開(kāi)采，各井之間會(huì)相互干擾。因此，在評(píng)價(jià)開(kāi)采量時(shí)，必須充分考慮多井干擾問(wèn)題。對(duì)于條帶狀地下水源地，經(jīng)開(kāi)采條件概化后，采用承壓水完整井直線井排涌水量式函數(shù)及映射法理論計(jì)算其可開(kāi)采量，其計(jì)算公式為：

式中： Qk為井群地下水總開(kāi)采量(104m3/d)；K為滲透系數(shù)(m/d)；M為承壓水含水層厚度(m)；Sw為井內(nèi)水位降深(m)；b1為井排至供水邊界的距離(m)；b2為井排至另一側(cè)供水邊界的距離(m)；b為b1+ b2；d為井距之半(m)；B0為3d；n為設(shè)計(jì)井?dāng)?shù)。

經(jīng)計(jì)算，泉水窟—羅正壩地下水源地的開(kāi)采量(Qk)為1.87萬(wàn) m3/d，雷打石—壩灣地下水源地的開(kāi)采量(Qk)為1.35萬(wàn) m3/d；兩個(gè)地下水源地合計(jì)可采量(Qk)為3.22萬(wàn) m3/d。

研究區(qū)地下水補(bǔ)給資源量與可開(kāi)采資源量之比(“補(bǔ)開(kāi)比”) 分別為2.50和1.80，表明可開(kāi)采資源總量保證程度高。

3.2 地下水質(zhì)量分析

研究區(qū)地下水具有無(wú)色、無(wú)味的特點(diǎn)，未見(jiàn)有肉眼可見(jiàn)物。地下水化學(xué)類型為HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg型，除泉水窟上升泉群pH值為6.4外，其余pH值在7.05～7.81之間，呈中偏堿性水，總硬度182.40～343.63 mg/L，屬軟—微硬水，礦化度207.08～372.91 mg/L。總體而言，研究區(qū)地下水一般指標(biāo)絕大多數(shù)合格。研究區(qū)地下水中砷、鎘、鉻(六價(jià))、鉛、汞、氰化物、硝酸鹽等指標(biāo)未超標(biāo)[4]，符合規(guī)范要求。研究區(qū)5個(gè)樣品分析，菌落總數(shù)合格，總大腸桿菌有3個(gè)樣品不合格，但大腸桿菌在深層地下水存活的時(shí)間有限，分析認(rèn)為可能是取樣存在問(wèn)題所致。

總體而言，研究區(qū)地下水水質(zhì)良好，稍加處理之后，即可飲用；加之地下水資源豐富、人口密度低、建筑物少、場(chǎng)地空曠、地下水防污性能好、便于水源地建設(shè)與保護(hù)，綜合評(píng)定可作為應(yīng)急地下水源地。

4 地下水資源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及應(yīng)急水源地開(kāi)啟對(duì)地質(zhì)環(huán)境承載分析

4.1 地下水開(kāi)采現(xiàn)狀及平衡分析

4.1.1 地下水開(kāi)采現(xiàn)狀及潛力分析

研究區(qū)集鎮(zhèn)以湘江水為水源，散居的村民多以第四系孔隙水為生活用水。研究區(qū)地下水開(kāi)采主要有霞石小學(xué)、磚橋小學(xué)日常生活用水、白蓮社區(qū)溫泉山莊(泉水窟)餐飲及養(yǎng)魚(yú)用水，其余地段地下水資源開(kāi)采量極少；研究區(qū)地下水開(kāi)采量總計(jì)約2 400 m3/d，其中泉水窟—羅正壩地下水源地開(kāi)采量約1 800 m3/d，雷打石—壩灣地下水源地開(kāi)采量約600 m3/d。

地下水開(kāi)采程度及地下水開(kāi)采系數(shù)分別采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

β=Qsc/Qk；α=Qk/Qsc

式中：β為開(kāi)采系數(shù)；Qsc為地下水開(kāi)采量(m3/d)；Qk為可開(kāi)采資源量(m3/d)；α為地下水開(kāi)采潛力系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算研究區(qū)地下水開(kāi)采系數(shù)分別為4.44%及9.63%；地下水開(kāi)采潛力系數(shù)分別為10.39、22.50。據(jù)地下水開(kāi)采潛力系數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，屬地下水潛力大區(qū)。

4.1.2 水量供需平衡分析

目前株洲市區(qū)常駐人口約130萬(wàn)人，到2020年，主城區(qū)常駐人口150萬(wàn)。主城區(qū)供水人口分別按130萬(wàn)人及150萬(wàn)人，當(dāng)最低人均一天供水量為20 L/d時(shí)[7]，總供水量分別為2.6萬(wàn) m3/d及3.0萬(wàn) m3/d；當(dāng)最低人均一天供水量為50 L/d時(shí)，一天總供水量分別為6.5萬(wàn) m3/d及7.5萬(wàn) m3/d。

兩個(gè)應(yīng)急水源地可開(kāi)采量合計(jì)為3.22 萬(wàn) m3/d。當(dāng)需水量為每人20 L/d時(shí)，可供161.0萬(wàn)人的應(yīng)急需水量，可滿足主城區(qū)應(yīng)急供水需求。當(dāng)需水量為每人50 L/d時(shí)，可供64.4萬(wàn)人的應(yīng)急需水量，難以滿足主城區(qū)應(yīng)急供水需求，需要從外地調(diào)水或?qū)ふ移渌醋鳛檠a(bǔ)充地下水水源用于相對(duì)水質(zhì)較低的洗滌等。

4.2 應(yīng)急水源地開(kāi)啟對(duì)地質(zhì)環(huán)境承載力初步分析

研究區(qū)集中開(kāi)采地下水后對(duì)地質(zhì)環(huán)境承載力的影響主要表現(xiàn)在地下水水位的下降、巖溶塌陷等兩個(gè)方面。

4.2.1 地下水水位下降

應(yīng)急水源地開(kāi)啟之后，短時(shí)間內(nèi)大量抽取地下水，會(huì)引起地下水水位下降，對(duì)水源地及周邊地區(qū)產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在民井水量減少，吊泵等。結(jié)合水文地質(zhì)條件分析，應(yīng)急水源地一般啟用時(shí)間不會(huì)超過(guò)10 d，極端情況下一般也不會(huì)超過(guò)30 d，停止抽水地下水之后，水位會(huì)逐漸回升至正常地下水水位。綜上所述，應(yīng)急水源地開(kāi)啟之后，短時(shí)間內(nèi)會(huì)造成地下水水位的下降，其社會(huì)及經(jīng)濟(jì)影響較小，且停止抽水后，水位會(huì)逐漸回升到正常水位。

4.2.2 巖溶塌陷

研究區(qū)巖溶塌陷多發(fā)生在覆蓋型巖溶區(qū)，主要在梅市至建強(qiáng)、勝塘至湘云村一帶。研究區(qū)巖溶塌陷主要特點(diǎn)是：松散覆蓋層厚度不大，下伏巖層中溶洞發(fā)育，且多集中在50 m深度之內(nèi)；溶洞中含有較為豐富的裂隙溶洞承壓水。短時(shí)間內(nèi)人工抽取大量裂隙溶洞承壓水，造成水位降低，溶洞水的浮托力減小，導(dǎo)致溶洞頂板下沉，進(jìn)而引發(fā)塌陷產(chǎn)生[8]。

應(yīng)急水源地一般啟用時(shí)間不會(huì)超過(guò)10 d，極端情況下一般也不會(huì)超過(guò)30 d。因此，未來(lái)開(kāi)啟水源地時(shí)，地下水水位降幅不會(huì)太大，加之開(kāi)采時(shí)間較短，引發(fā)大規(guī)模巖溶塌陷可能性較小。塌陷潛在區(qū)地處人口、建筑物相對(duì)較少的地區(qū)，對(duì)比區(qū)域性的供水危機(jī)而言，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響是很小的。

5 結(jié)語(yǔ)

株洲市天元區(qū)南東部的泉水窟、雷打石一帶地下水資源豐富、水質(zhì)良好，具備應(yīng)急地下水水源地建設(shè)查的良好條件。水源地取可開(kāi)采量達(dá)3.22萬(wàn) m3/d，應(yīng)急狀態(tài)下按每人需水量20 L/d計(jì)算，可解決161.0萬(wàn)人的飲用水問(wèn)題，能夠滿足株洲市主城區(qū)2020年的應(yīng)急供水需求。當(dāng)需水量為每人50 L/d時(shí)，可供64.4萬(wàn)人的應(yīng)急需水量，難以滿足主城區(qū)應(yīng)急供水需求，需要從外地調(diào)水或?qū)ふ移渌醋鳛檠a(bǔ)充地下水水源用于相對(duì)水質(zhì)較低的洗滌等。

建立以地表水水源為主，地下水水源為備用的“復(fù)合型供水水源”體系，健全城市供水預(yù)警和應(yīng)急機(jī)制，以防突發(fā)水污染事件。利用地下水含水層的儲(chǔ)藏和調(diào)蓄能力，為緊急狀態(tài)下提供后備水源地和優(yōu)質(zhì)地下水資源，將有效提高株洲市的供水安全。