應(yīng)急水源地運(yùn)行期間地下水位變化及環(huán)境影響評(píng)價(jià)

王 聰，黃 勇

(河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

0 引 言

應(yīng)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(shí)無(wú)法進(jìn)行正常供水的情況下，能夠快速啟動(dòng)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(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及社會(huì)和諧穩(wěn)定十分重要，在人民生活、生態(tài)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮重要作用，是基礎(chǔ)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(chǔ)，因此保障供水水源地安全并建立應(yīng)急水源地至關(guān)重要[4-5]。

達(dá)西于1856年經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出達(dá)西定律，揭示了水在孔隙介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，達(dá)西定律也成為了地下水滲流的基本定律。之后，法國(guó)水力學(xué)家裘布依又以達(dá)西定律為基礎(chǔ)，提出了地下水流向井內(nèi)的平面流穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)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(shí)的計(jì)算公式，地下水流的定量計(jì)算方式得到了快速發(fā)展。

關(guān)于地下水位計(jì)算方法的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)時(shí)期[6]。1935年～1950年為第1個(gè)時(shí)期，主要是運(yùn)用解析法計(jì)算地下水位，但這種方法假設(shè)條件較多，模型過(guò)于理想化，很難在區(qū)域性研究中得到廣泛應(yīng)用。1950年～1965年為第2個(gè)時(shí)期，該時(shí)期電網(wǎng)絡(luò)模擬得到廣泛應(yīng)用，這種方法是把滲流場(chǎng)中的地下水位、流量等與電場(chǎng)中的物理量相對(duì)應(yīng)，求出相應(yīng)微分方程的解。從1965年至今為第3個(gè)時(shí)期，該時(shí)期廣泛應(yīng)用數(shù)值模擬法計(jì)算地下水位，該方法得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行離散化求解數(shù)學(xué)模型，以得到數(shù)學(xué)模型的近似解，在地質(zhì)條件比較復(fù)雜的情況下，利用數(shù)值模擬法可以得出比較符合實(shí)際的結(jié)果。

本文結(jié)合江蘇省南通市通州區(qū)應(yīng)急水源地的具體條件，對(duì)通州區(qū)地下水的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)應(yīng)急水源地在應(yīng)急抽水期間造成的降落漏斗以及停抽后的水位恢復(fù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析應(yīng)急抽水對(duì)民用井取水、含水層帶來(lái)的影響，為通州區(qū)水資源的開(kāi)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(yáng)子陸塊，屬于揚(yáng)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(fù)雜，根據(jù)時(shí)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(xì)砂、粉細(xì)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(xì)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(xì)砂、粉細(xì)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(lèi)型

通州區(qū)屬于江海沖擊平原，地勢(shì)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(jì)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(gè)潛水含水層和4個(gè)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(zhǎng)江三角洲相粉質(zhì)粘土、粉砂和粉細(xì)砂，在該區(qū)域內(nèi)分為上、下2個(gè)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(zhǎng)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(shí)代為下更新統(tǒng)Q1，頂板埋深約200 m，主要為含礫細(xì)中粗砂，厚約20～25 m，水位標(biāo)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(lèi)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(qiáng)，分布廣泛，水質(zhì)優(yōu)良，可以作為應(yīng)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(xì)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(bǔ)徑排關(guān)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(bǔ)給，主要排泄途徑為人工開(kāi)采和潛水蒸發(fā)。第Ⅰ承壓含水層和潛水層間可通過(guò)弱透水層進(jìn)行越流補(bǔ)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(bǔ)給，主要排泄途徑為人工開(kāi)采和補(bǔ)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(yīng)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(jì)算范圍見(jiàn)圖1。圖1中，J1～J13為水井位置，其中J1、J2為觀測(cè)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(lèi)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(jì)算范圍

應(yīng)急水源地共布設(shè)有13口水井，在運(yùn)行期間，13口井同時(shí)抽水，每口水井的抽水量均為1 920 m3/d，合計(jì)抽水量約為2.5萬(wàn)m3/d。應(yīng)急抽水的時(shí)間一般不會(huì)太長(zhǎng)[7- 8]，假設(shè)應(yīng)急抽水期為7 d，所有的抽水井均開(kāi)采第Ⅲ承壓含水層中的地下水。

在布置抽水井時(shí)，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(shè)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(bào)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(gè)長(zhǎng)801 m、寬190 m的矩形，將13口應(yīng)急抽水井布置在其中。鑒于抽水可能會(huì)引發(fā)一系列的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，因此關(guān)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(huì)引發(fā)地面沉降等問(wèn)題。由于抽水井的影響半徑較大，為最大限度地提供一個(gè)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(cè)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(yuǎn)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(xué)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)(x，y，z)在t時(shí)刻的水頭；W為源匯項(xiàng)；t為時(shí)間；Ω為計(jì)算區(qū)域；H0為點(diǎn)(x，y，z)處的初始水位；q(x，y，z，t)為第二類(lèi)邊界上單位面積補(bǔ)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(biāo)軸方向夾角的余弦；Γ2、Γ3為第二類(lèi)邊界和自由面邊界。

2.3 模型參數(shù)識(shí)別與驗(yàn)證方法

采用最小二乘法驗(yàn)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(biāo)函數(shù)E，即

(2)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 模型參數(shù)識(shí)別結(jié)果

應(yīng)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(gè)弱透水層。每層上剖分2 649個(gè)單元格，1 368個(gè)節(jié)點(diǎn)。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(wàn)m3/d，應(yīng)急抽水時(shí)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(shí)際的結(jié)果。根據(jù)模擬預(yù)測(cè)的結(jié)果，分析承壓含水層水位的變化，并對(duì)其造成的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)抽水井的水位降深與計(jì)算的水位降深的比較結(jié)果，對(duì)水流模型的參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算，得出各含水層的水文地質(zhì)參數(shù)，見(jiàn)表1。抽水試驗(yàn)井J1水位擬合結(jié)果與實(shí)際水位對(duì)比見(jiàn)圖2。從圖2可知，在12 h之內(nèi)，水位降深計(jì)算值與抽水試驗(yàn)的實(shí)際水位降深基本吻合，說(shuō)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(yàn)井J1水位對(duì)比

3.2 水源地抽水期間地下水位預(yù)測(cè)

抽水7 d后，第Ⅲ承壓含水層地下水位見(jiàn)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(kuò)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(shì)，取J13—J1剖面進(jìn)行分析，此剖面包含抽水井J13、J11、J9、J7、J5、J2、J1，地下水位隨時(shí)間的變化見(jiàn)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(dá)到了30 m，隨著抽水時(shí)間的增加，水位降深速度逐漸降低，到應(yīng)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(dá)到了-70 m以下。

圖4 J13—J1剖面各水井不同時(shí)間水位

3.3 水源地停抽后地下水位預(yù)測(cè)

應(yīng)急抽水7 d后停止抽水，再對(duì)停抽后的第Ⅲ承壓含水層地下水位恢復(fù)情況進(jìn)行模擬。停抽10 d后的地下水位見(jiàn)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(fù)到抽水之前的狀態(tài)，降落漏斗中心處的地下水位恢復(fù)至-24.6 m。15 d之后，第Ⅲ承壓含水層地下水位可完全恢復(fù)至抽水之前的狀態(tài)。由此可知，應(yīng)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(fù)，地下水降落漏斗逐漸消失，只需15 d就可恢復(fù)到原來(lái)的水位，說(shuō)明在該含水層進(jìn)行短期應(yīng)急抽水，不會(huì)對(duì)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(shì)見(jiàn)圖6?？梢钥闯?，地下水位恢復(fù)的速率由快變慢，如同抽水時(shí)一樣，停抽后第1 d水位恢復(fù)最快，之后水位恢復(fù)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(shuō)明此時(shí)地下水位已恢復(fù)至抽水前的狀態(tài)。

圖6 停抽后J13—J1剖面各水井不同時(shí)間水位

4 對(duì)周邊環(huán)境造成的影響

4.1 對(duì)通呂河的影響

該應(yīng)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(biāo)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(yīng)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(gè)相對(duì)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(jìn)行短期應(yīng)急抽水的情況下，形成的地下水降落漏斗可以快速恢復(fù)，不會(huì)對(duì)河水位造成影響。

4.2 對(duì)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(huì)因應(yīng)急抽水受到影響。

4.3 對(duì)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(jì)算可知，應(yīng)急水源地在應(yīng)急抽水期間，雖然會(huì)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(fù)，并不會(huì)因應(yīng)急抽水而造成地面沉降。

5 結(jié) 語(yǔ)

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(duì)該地應(yīng)急水源地運(yùn)行期間地下水位變化進(jìn)行了研究，并對(duì)水源地運(yùn)行期間可能造成的環(huán)境影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

(1)采用雙排布井方案時(shí)，在第Ⅲ承壓含水層應(yīng)急抽水7 d，降落漏斗基本擴(kuò)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(bǔ)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(fù)。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(fù)至抽水之前的狀態(tài)。

(3)該應(yīng)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(gè)相對(duì)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(jìn)行短時(shí)間應(yīng)急抽水，不會(huì)對(duì)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(shí)間較短，且停止抽水后水位能夠快速恢復(fù)，故不會(huì)造成地面沉降。