應急水源地運行期間地下水位變化及環(huán)境影響評價

王 聰，黃 勇

(河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

0 引 言

應急水源地是指在常規(guī)供水水源遭遇突發(fā)狀況，如受到污染等而暫時無法進行正常供水的情況下，能夠快速啟動以解決或部分解決城市發(fā)展用水和居民生活用水，保障城市供水安全的水源地[1-2]。水資源對于國民經(jīng)濟發(fā)展以及社會和諧穩(wěn)定十分重要，在人民生活、生態(tài)建設和經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮重要作用，是基礎性的戰(zhàn)略資源與自然資源[3]。供水水源地是供水系統(tǒng)的基礎，因此保障供水水源地安全并建立應急水源地至關重要[4-5]。

達西于1856年經(jīng)過試驗得出達西定律，揭示了水在孔隙介質(zhì)中的運動規(guī)律，達西定律也成為了地下水滲流的基本定律。之后，法國水力學家裘布依又以達西定律為基礎，提出了地下水流向井內(nèi)的平面流穩(wěn)定運動公式——裘布依公式。1935年，泰斯提出了地下水非穩(wěn)定流在單井定流量抽水時的計算公式，地下水流的定量計算方式得到了快速發(fā)展。

關于地下水位計算方法的發(fā)展經(jīng)歷了3個時期[6]。1935年～1950年為第1個時期，主要是運用解析法計算地下水位，但這種方法假設條件較多，模型過于理想化，很難在區(qū)域性研究中得到廣泛應用。1950年～1965年為第2個時期，該時期電網(wǎng)絡模擬得到廣泛應用，這種方法是把滲流場中的地下水位、流量等與電場中的物理量相對應，求出相應微分方程的解。從1965年至今為第3個時期，該時期廣泛應用數(shù)值模擬法計算地下水位，該方法得益于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，利用計算機進行離散化求解數(shù)學模型，以得到數(shù)學模型的近似解，在地質(zhì)條件比較復雜的情況下，利用數(shù)值模擬法可以得出比較符合實際的結(jié)果。

本文結(jié)合江蘇省南通市通州區(qū)應急水源地的具體條件，對通州區(qū)地下水的動態(tài)變化進行分析，采用數(shù)值模擬的方法對應急水源地在應急抽水期間造成的降落漏斗以及停抽后的水位恢復進行評價，分析應急抽水對民用井取水、含水層帶來的影響，為通州區(qū)水資源的開發(fā)利用提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 地層巖性

通州區(qū)地處揚子陸塊，屬于揚子地層區(qū)，均為第四系覆蓋物。根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料，區(qū)內(nèi)第四系地層以松散沉積物為主，砂層與粘土層交替出現(xiàn)，厚240～300 m。沉積物層序復雜，根據(jù)時序差異，可分為下、中、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。下更新統(tǒng)Q1地層以含礫中粗砂、中細砂、粉細砂為主，為河湖相沉積，厚30～80 m，埋深較深，在200～220 m以下。中更新統(tǒng)Q2地層以灰黃、灰綠、黃褐色粘土和粉質(zhì)粘土為主，中部夾粉細砂層，埋深在110～120 m之間，厚70～100 m左右。上更新統(tǒng)Q3地層為含礫中粗砂、砂礫巖、中細砂、粉細砂夾灰褐色薄層狀粉質(zhì)粘土，埋深在40～120 m之間，厚60～80 m。全新統(tǒng)Q4地層以粘土為主，厚40～50 m，廣泛分布在近地表區(qū)域。

1.2 含水層類型

通州區(qū)屬于江海沖擊平原，地勢平坦，土地肥沃，地面高程一般3.2～4.5 m，西北部略高于東南部。水源地位于通州區(qū)的西南部，沈海高速東側(cè)，通呂河南岸，該地區(qū)內(nèi)的地層主要由第四紀沉積物組成，地層厚度變化較大。結(jié)合研究區(qū)內(nèi)鉆孔柱狀圖，該區(qū)域內(nèi)350 m以上的含水砂層可劃分為1個潛水含水層和4個承壓含水層，從上往下，分別劃分為潛水含水層和第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承壓含水層。

潛水含水層為全新統(tǒng)Q4長江三角洲相粉質(zhì)粘土、粉砂和粉細砂，在該區(qū)域內(nèi)分為上、下2個含水段，埋藏在50 m以上的位置，潛水位的埋藏深度隨季節(jié)的變化而變化，區(qū)間在1～4 m范圍內(nèi)。第Ⅰ承壓含水層主要由上更新統(tǒng)沖積和沖海積松散砂層組成，其頂板大約埋藏在地下50～60 m的范圍內(nèi)，主要為粉質(zhì)或淤泥質(zhì)粘土，底板地層主要為灰黃、棕黃色粉質(zhì)粘土、粘土及淤泥質(zhì)土，靜水位埋深約4 m。第Ⅱ承壓含水層主要為中更新世長江近河口地段形成的沖積砂層，其頂板埋深約130～150 m，靜水位埋深約3～5 m。第Ⅲ承壓含水層的沉積時代為下更新統(tǒng)Q1，頂板埋深約200 m，主要為含礫細中粗砂，厚約20～25 m，水位標高在-22～-30 m之間，其礦化度小于1.0 g/L，硬度小于50 mg/L，水質(zhì)類型主要為HCO3·Cl-Ca·Na(Mg)型淡水，水溫一般22～23 ℃，該含水層富水性較強，分布廣泛，水質(zhì)優(yōu)良，可以作為應急水源地主要的抽水含水層。第Ⅳ承壓含水層由上更新世N2地層組成，主要為粉質(zhì)粘土、粘土和中細砂，局部為中粗砂，頂板埋深較大，地下水位埋深一般在20 m左右。

1.3 地下水的補徑排關系

由水源地的水文地質(zhì)條件可知，水源地含水層由淺及深可劃分為潛水含水層和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承壓含水層，以及其間的弱透水層。潛水含水層地層顆粒較粗，滲透性好，接受大氣降水、地表水體側(cè)向滲透、農(nóng)田灌溉回歸水補給，主要排泄途徑為人工開采和潛水蒸發(fā)。第Ⅰ承壓含水層和潛水層間可通過弱透水層進行越流補給，第Ⅱ承壓含水層和第Ⅰ承壓含水層間缺失部分隔水層，水力聯(lián)系較為密切。第Ⅲ承壓含水層主要接受上游地下水的區(qū)域性補給，主要排泄途徑為人工開采和補給下游區(qū)域。

2 模型及方法

2.1 水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)范圍即為通州區(qū)應急水源地降落漏斗的大致影響范圍，面積約為1.44 km2。模擬計算范圍見圖1。圖1中，J1～J13為水井位置，其中J1、J2為觀測井。因抽水含水層主要為第Ⅲ承壓含水層，埋深較大，與地表河流水力聯(lián)系不大，故研究區(qū)不以河流為界，在初步估算出研究區(qū)的影響范圍之后，將邊界四周定為第一類邊界，即假定初始水頭不變。在垂直方向上，研究區(qū)的上邊界為第Ⅲ承壓含水層的隔水頂板，下邊界為第Ⅲ承壓含水層的隔水底板。

圖1 模擬計算范圍

應急水源地共布設有13口水井，在運行期間，13口井同時抽水，每口水井的抽水量均為1 920 m3/d，合計抽水量約為2.5萬m3/d。應急抽水的時間一般不會太長[7- 8]，假設應急抽水期為7 d，所有的抽水井均開采第Ⅲ承壓含水層中的地下水。

在布置抽水井時，既可采取單井抽水方案也可采取群井抽水方案。本水源地建設在通呂河南岸，選擇群井抽水方式。根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)勘察資料及規(guī)劃報告，抽水井群布置于通呂河南岸，在含水層性質(zhì)較好的位置選取1個長801 m、寬190 m的矩形，將13口應急抽水井布置在其中。鑒于抽水可能會引發(fā)一系列的地質(zhì)環(huán)境問題，因此關于抽水井的布置方式要慎重考慮。根據(jù)區(qū)域資料可知，研究區(qū)地層較為軟弱，如果超采地下水，很可能會引發(fā)地面沉降等問題。由于抽水井的影響半徑較大，為最大限度地提供一個可持續(xù)的抽水量，將13口井按雙排直線布置。13口井中充分利用了2口已有的觀測井，分南北2排布置?？拷影兜囊粋?cè)，井間距約為127～130 m，共布置7口井；遠離河岸的一側(cè)，井間距約為134～138 m，共布置6口井。

2.2 地下水流數(shù)學模型

基于通州區(qū)的水文地質(zhì)條件，建立研究區(qū)的三維地下水流運動模型，即

(1)

式中，ss為貯水率；Kxx、Kyy、Kzz為含水層各向異性主方向的滲透系數(shù)；H為點(x，y，z)在t時刻的水頭；W為源匯項；t為時間；Ω為計算區(qū)域；H0為點(x，y，z)處的初始水位；q(x，y，z，t)為第二類邊界上單位面積補給量；cos(n，x)、cos(n，y)、cos(n，z)為流量邊界外法線反方向與坐標軸方向夾角的余弦；Γ2、Γ3為第二類邊界和自由面邊界。

2.3 模型參數(shù)識別與驗證方法

采用最小二乘法驗證模型參數(shù)(滲透系數(shù))，將地下水位H殘差平方和最小值作為目標函數(shù)E，即

(2)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 模型參數(shù)識別結(jié)果

應用FEFLOW軟件[9-10]，在垂向上剖分7層，即潛水層和第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層，以及其間的3個弱透水層。每層上剖分2 649個單元格，1 368個節(jié)點。利用前期獲得的各種水文地質(zhì)參數(shù)為模型賦值，抽水部位位于第Ⅲ承壓含水層，每口井的抽水量為1 920 m3/d，總抽水量約2.5萬m3/d，應急抽水時間為7 d。研究區(qū)為非均勻介質(zhì)各向異性、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，利用數(shù)值模擬的方法能夠得到比較符合實際的結(jié)果。根據(jù)模擬預測的結(jié)果，分析承壓含水層水位的變化，并對其造成的影響進行評價。通過現(xiàn)場實測抽水井的水位降深與計算的水位降深的比較結(jié)果，對水流模型的參數(shù)進行反演計算，得出各含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，見表1。抽水試驗井J1水位擬合結(jié)果與實際水位對比見圖2。從圖2可知，在12 h之內(nèi)，水位降深計算值與抽水試驗的實際水位降深基本吻合，說明所得參數(shù)較為合理。

表1 含水層水文地質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果 m/d

圖2 抽水試驗井J1水位對比

3.2 水源地抽水期間地下水位預測

抽水7 d后，第Ⅲ承壓含水層地下水位見圖3。從圖3可以看出，抽水井群處的地下水位降深最大，其最低水位約為-72 m，形成了地下水降落漏斗，并且降落漏斗基本上擴展到了邊界。

圖3 抽水7 d后第Ⅲ承壓含水層地下水位(單位：m)

為了解地下水降落漏斗在剖面上的變化趨勢，取J13—J1剖面進行分析，此剖面包含抽水井J13、J11、J9、J7、J5、J2、J1，地下水位隨時間的變化見圖4。從圖4可知，在抽水初期，地下水位下降速度較快，僅在抽水1d后，抽水井J7的水位降深就達到了30 m，隨著抽水時間的增加，水位降深速度逐漸降低，到應急抽水末期，日降深僅為1 m左右。抽水7 d后，位于中間的抽水井J7的降深最大，其地下水位達到了-70 m以下。

圖4 J13—J1剖面各水井不同時間水位

3.3 水源地停抽后地下水位預測

應急抽水7 d后停止抽水，再對停抽后的第Ⅲ承壓含水層地下水位恢復情況進行模擬。停抽10 d后的地下水位見圖5。從圖5可知，停抽10 d后第Ⅲ承壓含水層地下水位基本就可以恢復到抽水之前的狀態(tài)，降落漏斗中心處的地下水位恢復至-24.6 m。15 d之后，第Ⅲ承壓含水層地下水位可完全恢復至抽水之前的狀態(tài)。由此可知，應急水源地在停止抽水之后，抽水含水層的地下水位可快速恢復，地下水降落漏斗逐漸消失，只需15 d就可恢復到原來的水位，說明在該含水層進行短期應急抽水，不會對含水層地下水位造成不可逆的破壞。

圖5 停抽后第10 d后第Ⅲ承壓含水層地下水位(單位：m)

停止抽水后，地下水位在J13—J1剖面上的變化趨勢見圖6。可以看出，地下水位恢復的速率由快變慢，如同抽水時一樣，停抽后第1 d水位恢復最快，之后水位恢復速率逐漸降低。停抽后15 d，J13—J1剖面上的水位曲線幾乎與抽水前的水位曲線重合，說明此時地下水位已恢復至抽水前的狀態(tài)。

圖6 停抽后J13—J1剖面各水井不同時間水位

4 對周邊環(huán)境造成的影響

4.1 對通呂河的影響

該應急水源地位于通呂河的南岸，抽水井距離河岸約20 m，通呂河河底標高為-2.10 m，正常水位為2.21 m，警戒水位2.61 m，歷史最高水位3.35 m。該應急水源地的取水層位是第Ⅲ承壓含水層，該含水層埋深較大，且該含水層與通呂河之間隔有3個相對隔水層，抽水部位所在含水層與地表河流之間的水力聯(lián)系較弱，故在第Ⅲ承壓含水層進行短期應急抽水的情況下，形成的地下水降落漏斗可以快速恢復，不會對河水位造成影響。

4.2 對周邊居民民用井的影響

附近居民用井主要用途為保障部分居民的生活用水，深度有限，一般位于潛水含水層內(nèi)，且用水量不大。如同通呂河水位一樣，居民用井與第Ⅲ承壓含水層間的水力聯(lián)系不大，不會因應急抽水受到影響。

4.3 對地面沉降的影響

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料可知，該地區(qū)地層較軟，如果超采地下水，很可能形成地面沉降。但在本工程中，由前述模擬計算可知，應急水源地在應急抽水期間，雖然會形成地下水降落漏斗，但降落漏斗的影響范圍并不是特別大，而且水位降深有限，在停止抽水后，地下水位能夠以較快的速度得到恢復，并不會因應急抽水而造成地面沉降。

5 結(jié) 語

本文基于江蘇省南通市通州區(qū)水文地質(zhì)條件，采用數(shù)值模擬軟件對該地應急水源地運行期間地下水位變化進行了研究，并對水源地運行期間可能造成的環(huán)境影響進行了評價，得出以下結(jié)論：

(1)采用雙排布井方案時，在第Ⅲ承壓含水層應急抽水7 d，降落漏斗基本擴展至邊界，漏斗中心最低水位約為-72 m。

(2)研究區(qū)第Ⅲ承壓含水層在接受地下水側(cè)向補給的情況下，停抽后降落漏斗逐漸消失，地下水位能快速恢復。停抽10 d后，地下水降落漏斗基本消失；停抽15 d后，研究區(qū)第Ⅲ承壓含水層地下水位就可以完全恢復至抽水之前的狀態(tài)。

(3)該應急水源地抽水位置位于第Ⅲ承壓含水層，埋藏較深，且與上部潛水含水層之間隔了3個相對隔水層，故第Ⅲ承壓含水層與潛水含水層之間的水力聯(lián)系并不是很大，在該含水層中進行短時間應急抽水，不會對通呂河以及位于潛水含水層中的居民用井造成影響。又因抽水時間較短，且停止抽水后水位能夠快速恢復，故不會造成地面沉降。