地下水應(yīng)急水源地綜合研究
——以唐山市平原區(qū)為例

李鐸， 畢攀， 張可， 李政， 劉洋

（1.河北地質(zhì)大學(xué) 河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)實驗室，河北 石家莊 050031 2.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河北 石家莊 050021）

0 引言

近年來我國水污染事件連續(xù)發(fā)生[1-2]，對城鎮(zhèn)飲水安全構(gòu)成了威脅。為應(yīng)對突發(fā)性水源污染事件，以最大限度滿足城鎮(zhèn)居民生存、生活用水,建設(shè)應(yīng)急供水水源地具有重要意義。目前國內(nèi)外對應(yīng)急水源地的研究主要包括應(yīng)急水源地的水文地質(zhì)條件、選址[3-10]，應(yīng)急地下水水源地降水入滲補(bǔ)給分析[11-12]，建立應(yīng)急水源地地下水?dāng)?shù)值模型、評價地下水資源量和開采潛力[13-21]，研究建立地下水應(yīng)急供水水源地評價指標(biāo)體系[22]，分析應(yīng)急水源地開發(fā)利用及存在的問題[23]。這些研究內(nèi)容與常規(guī)水源地的研究沒有太大區(qū)別。

本文考慮應(yīng)急供水的特殊性，針對地下水水源，提出了地下水應(yīng)急開采量的概念，探討了應(yīng)急水源地勘查步驟和評價內(nèi)容，評價了水源地應(yīng)急開采量和地下水資源恢復(fù)能力。研究成果對地下水應(yīng)急水源地的勘查、評價具有指導(dǎo)意義。

1 地下水應(yīng)急水源地研究

1.1 選址原則

（1）具有地下水水源地的特征。城市應(yīng)急供水應(yīng)以挖掘和利用水源地的水資源剩余潛力為基礎(chǔ)，使得城市應(yīng)急供水對城市持續(xù)供水不產(chǎn)生大的影響。

（2）城市應(yīng)急供水水源地應(yīng)選擇在城市周圍尚未開發(fā)的富水地段和目前仍具備一定開采潛力的水源地。

（3）地下水水質(zhì)良好。

（4）具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力。在一定時期、一定的地質(zhì)環(huán)境約束下，動用地下水儲存量，能夠維持人類正常生存。

（5）具有較強(qiáng)的恢復(fù)能力。應(yīng)急供水結(jié)束后，通過天然和人工補(bǔ)給，在一定時間內(nèi)能夠恢復(fù)地下水資源。

1.2 研究內(nèi)容

（1）水源地富水條件。地下水應(yīng)急水源地應(yīng)具有良好的水文地質(zhì)條件，其含水層應(yīng)具備儲水空間大、滲透性好、含水層厚、水質(zhì)優(yōu)良、補(bǔ)給條件好等特點。

（2）補(bǔ)給資源量。地下水補(bǔ)給資源量是地下水水源地的基本保證水量。

（3）應(yīng)急開采量。地下水應(yīng)急開采量是指滿足一定限制條件前提下單位時間內(nèi)從水文地質(zhì)單元或取水地段中能夠取得的水量。所謂的一定限制條件包括: 通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的取水方案，在應(yīng)急開采期內(nèi)出水量相對穩(wěn)定，動水位不超過設(shè)計要求，水質(zhì)變化在允許范圍內(nèi)，不發(fā)生危害性的環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，應(yīng)急解除后在自然和人為干預(yù)條件下地下水資源能夠恢復(fù)。

（4）地下水資源恢復(fù)能力。應(yīng)急水源地地下水資源恢復(fù)能力是指在應(yīng)急解除后，地下水在一定時期的天然和人為干預(yù)條件下，地下水含水層的含水量能夠得到恢復(fù)，并可以維持原有地下水資源狀況和生態(tài)環(huán)境功能的能力。地下水資源恢復(fù)能力評價就是評價應(yīng)急解除后地下水資源的恢復(fù)時間和恢復(fù)程度。

1.3 研究步驟和研究方法

地下水應(yīng)急水源地研究的前期調(diào)查、勘探與常規(guī)地下水水源地的研究方法基本相同，后期評價時應(yīng)考慮應(yīng)急水源地的特征。地下水應(yīng)急水源地的研究步驟分為5步：

（1）進(jìn)行水文地質(zhì)調(diào)查，確定應(yīng)急水源地靶區(qū)。

（2）進(jìn)行水文地質(zhì)詳查或勘探，確定水源地布井方案。

（3）建立地下水模型，評價地下水補(bǔ)給資源量。

（4）評價應(yīng)急開采量。

（5）評價地下水資源恢復(fù)能力。

應(yīng)急水源地地下水應(yīng)急開采量評價方法宜選取均衡法和數(shù)值法。

2 應(yīng)用實例

2.1 研究區(qū)概況

2.1.1 自然地理概況

如圖1所示，研究區(qū)位于冀東平原，包括部分山前傾斜平原區(qū)和濱海沖積平原區(qū)。研究區(qū)地形平坦，由北向南緩傾斜，北部山前傾斜平原區(qū)地面標(biāo)高一般為5～35 m，南部濱海低平原區(qū)海拔多在4 m以下。

唐山平原地區(qū)屬暖溫帶濱海大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量約620 mm，降雨多集中在6～8月份，年均蒸發(fā)量約為1 670 mm。

本區(qū)主要河流有灤河、陡河、沙河、小青龍河、溯河等，均發(fā)源于北部燕山。

2.1.2 含水層組

圖2 研究區(qū)含水層結(jié)構(gòu)I-I′剖面Fig.2 Aquifer structure of I-I′ profile in the study area

如圖2所示，按照地層巖性及水文地質(zhì)特征，研究區(qū)第四系含水層劃分為4個含水層組: 第一含水層組（①）底界埋深40～60 m，含水層巖性以粉砂、細(xì)砂為主，中砂為輔，厚度5～20 m; 第二含水層組（②）底界埋深120～170 m，含水層巖性以細(xì)砂、粉砂為主，且單層厚度比較薄，含水層之間多為黏土層; 第三含水層組（③）底界埋深250～350 m，含水層巖性以細(xì)砂、粉砂為主; 第四含水層組（④）底界埋深350～550 m，含水層巖性以中細(xì)砂、細(xì)砂為主。按地下水埋藏條件，第一、第二含水層組為淺層地下水，第三、第四含水層組為深層地下水。

2.2 應(yīng)急水源地勘查成果

2.2.1 富水性分區(qū)

如圖3所示，淺層含水層組，自灤河起從東北向西南，巖性由粗變細(xì)，含水層由厚變薄，層數(shù)由少變多，單層由厚變薄。地下水富水性和滲透性由好變差，單位涌水量由灤河附近的 40 m3/（h·m）到司各莊鎮(zhèn)附近變?yōu)?20 m3/（h·m）。

圖3 淺層地下水富水性分區(qū)Fig.3 Water-abundance zoning map of shallow groundwater

如圖4所示，深層含水層組，從北向南，巖性由粗變細(xì)，含水層由厚變薄。地下水富水性和滲透性由好變差，單位涌水量在山前為40 m3/（h·m），到司各莊鎮(zhèn)變?yōu)?0 m3/（h·m）。

圖4 深層地下水富水性分區(qū)Fig.4 Water- abundance zoning map of deep groundwater

2.2.2 地下水補(bǔ)給徑流排泄條件

淺層地下水主要補(bǔ)給源為大氣降水入滲，其次為河流入滲、渠道滲漏、灌溉入滲和地下水的側(cè)向徑流。地下水由北向南徑流，徑流條件良好。主要排泄方式為人工開采、潛水蒸發(fā)、地下水側(cè)向流出和越流。

深層地下水主要補(bǔ)給源為地下水側(cè)向徑流和越流。地下水總體流向由北向南，局部地區(qū)向地下水位降落漏斗匯流。主要排泄方式為人工開采和側(cè)向流出。

2.2.3 地下水水化學(xué)特征

研究區(qū)地下水受循環(huán)條件的影響，由北向南地下水總?cè)芙夤腆w逐漸增大，水化學(xué)類型由HCO3-Ca型過渡為Cl-Na型，以礦化度2 g/L為界線，劃分為全淡水區(qū)和有咸水區(qū)，應(yīng)急水源地位于全淡水區(qū)，水化學(xué)類型為HCO3-Ca水和HCO3-Ca·Mg水，水質(zhì)滿足飲用水水質(zhì)要求。

總之，該區(qū)含水層巖性以細(xì)砂、粉砂為主，水文地質(zhì)條件、地下水補(bǔ)給條件和水質(zhì)較好，是建設(shè)地下水水源地的理想?yún)^(qū)域。

2.3 水源地模擬模型

2.3.1 水文地質(zhì)概念模型

依據(jù)水源地勘查成果，模擬區(qū)域選取了富水性較好的灤河沖洪積扇這一相對獨立的水文地質(zhì)單元。北起基巖與第四系的分界，南至灤河沖洪積扇前緣，西起沙河，東至灤河，總面積為2 265 km2。

（1）含水層概化。含水層概化為非均質(zhì)各向同性體，垂向上概化為3層： 第一層為淺層含水層，在淡水區(qū)是潛水，在咸水區(qū)是承壓水; 第二層為淺層含水層與深層含水層之間的弱透水層; 第三層為深層含水層，地下水是承壓水。地下水流在第一、第三層為水平二維運(yùn)動，在第二層為垂向一維運(yùn)動。

（2）邊界條件概化。模擬區(qū)四周邊界內(nèi)、外均有不同程度的水量交換，均概化為流量邊界。各斷面流入、流出量依據(jù)Darcy定律求得。

（3）源匯項處理。研究區(qū)源匯項主要為大氣降水、渠系灌溉入滲，井灌入滲、地下水開采和蒸發(fā)，各源匯項依據(jù)相應(yīng)的公式，代入數(shù)據(jù)、參數(shù)計算得出。

經(jīng)過對水文地質(zhì)條件概化，研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型為: 非均質(zhì)各向同性上部潛水向承壓水過渡的孔隙含水層、下部承壓水孔隙含水層和其間弱透水層組成的具有流量邊界的準(zhǔn)三維地下水滲流模型。

2.3.2 數(shù)學(xué)模型及其離散

根據(jù)研究區(qū)概念模型，其數(shù)學(xué)模型為

（1）

（2）

（3）

式中:H1、H2分別為淺層水、深層水水頭，m;Hz為弱透水層水頭，m;K1、K2分別為淺層含水層、深層含水層水平滲透系數(shù)，m/d;Kz為弱透水層垂向滲透系數(shù)，m/d;μ為潛水含水層給水度;μ*為承壓含水層貯水系數(shù);μs為弱透水層貯水率，1/m;M2為深層含水層厚度，m;z1、z2分別為弱透水層頂、底板標(biāo)高，m;v1、v2分別為弱透水層流入上、下含水層的滲透流速，m/d;ε為降雨入滲系數(shù);P為降雨量，m;E（x，y）在淺層降水入滲區(qū)為1，非降雨入滲區(qū)為0;Wi為第i含水層其它源匯項，m3/d;Qij為生產(chǎn)井抽水量，m3/d;Hoi為第i含水層初始水頭，m; Γ2為流量邊界; Ω為滲流計算區(qū)域;qi為第i含水層邊界單寬流量，m2/d。

采用矩形網(wǎng)格對研究區(qū)水文地質(zhì)概化模型進(jìn)行離散化處理，將概化模型剖分為88行、132列，網(wǎng)格為0.5 km×0.5 km，垂向上分為3層，各層采用統(tǒng)一的剖分格式，每層網(wǎng)格單元11 616個，3層總計網(wǎng)格單元34 848個，其中有效單元27 180個，計算節(jié)點位于單元中心。

2.3.3 模型識別與驗證

依據(jù)勘查資料，綜合研究區(qū)水文地質(zhì)條件，將水文地質(zhì)特征相近的區(qū)域劃分為同一區(qū)，給出各區(qū)的初始參數(shù)，利用實測的地下水水位數(shù)據(jù)、調(diào)查獲得的開采量資料，以及模型所需的其它數(shù)據(jù)，對模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，經(jīng)多次反演試算，使計算數(shù)據(jù)逐漸逼近實測值。模型調(diào)試采用了一期地下水流場和8個長期動態(tài)監(jiān)測孔數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬識別，模型擬合與驗證結(jié)果見圖5—圖8。當(dāng)模型計算值與實測值的差達(dá)到允許范圍時，即認(rèn)為數(shù)值模型能夠客觀地反映研究區(qū)水文地質(zhì)實際情況，這時的參數(shù)就是經(jīng)過識別和驗證后的模型參數(shù)。

圖5 淺層水代表長觀孔唐3-2孔水位動態(tài)擬合曲線Fig.5 Dynamic fitting curve of water level in long-view pore presented by shallow water in Well Tang 3-2

圖6 深層水代表長觀孔樂27-3孔水位動態(tài)擬合曲線Fig.6 Dynamic fitting curve of water level in long-view pore presented by deep water in Well Le 27-3

圖7 淺層地下水等水位線擬合Fig.7 Equipotential line fitting diagram of shallow groundwater

圖8 深層地下水等水頭線擬合Fig.8 Equipotential line fitting diagram of deep groundwater

2.3.4 模型識別結(jié)果

（1）模型參數(shù)識別結(jié)果。經(jīng)過以上對模型的調(diào)試和識別，求得計算區(qū)內(nèi)各種參數(shù)（圖9—圖11）。

圖9 降雨入滲系數(shù)（ε）分區(qū)及入滲系數(shù)Fig.9 Rainfall infiltration coefficient partition and infiltration coefficient

圖10 淺層含水層參數(shù)分區(qū)及參數(shù)值Fig.10 Shallow aquifer parameter partition and parameter value

圖11 深層含水層參數(shù)分區(qū)及參數(shù)值Fig.11 Deep aquifer parameter partition and parameter value

（2）地下水資源均衡模擬結(jié)果。淺層及深層地下水均衡計算結(jié)果見表1和表2。

表1 淺層地下水均衡計算結(jié)果

綜上，應(yīng)用地下水開采量調(diào)查資料、多年地下水水位監(jiān)測數(shù)據(jù)和統(tǒng)測地下水流場進(jìn)行擬合，以及運(yùn)用地下水水量均衡驗證等多個條件約束下，數(shù)值模型是可靠的。

表2 深層地下水均衡計算結(jié)果

2.4 應(yīng)急水源地應(yīng)急開采量評價

2.4.1 應(yīng)急后備水源地的選擇

應(yīng)急水源地的選擇應(yīng)考慮水源地的富水性、地下水水質(zhì)和對已有水源地的影響等。綜合上述因素，應(yīng)急水源地位置選擇在灤南縣司各莊北部，見圖12。該地段位于灤河沖洪積扇的中上部，淺層水含水層砂層厚度約80 m，深層水含水層砂層厚度在50 m左右，含水層厚度比較大，巖性以中粗、中細(xì)砂為主，含水層的滲透系數(shù)在5～10 m/d，導(dǎo)水性和富水性均比較好，地下水補(bǔ)給條件良好，水質(zhì)符合國家生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。該區(qū)為非地下水漏斗區(qū)，水位埋藏較淺，距離現(xiàn)有水源地較遠(yuǎn)。

圖12 已有水源地和擬建應(yīng)急水源地分布Fig.12 Distribution of existing water sources and proposed emergency water sources

2.4.2 應(yīng)急水位的設(shè)計

應(yīng)急水源地開采層為第①+②含水層組和第③含水層組，應(yīng)急水源地南5 km左右為咸水體，由模擬結(jié)果可知，以應(yīng)急開采量開采3個月，水源地水位降深15 m，形成的地下水漏斗邊緣接近咸水體，為不產(chǎn)生咸水體入侵的環(huán)境地質(zhì)問題，淺層和深層地下水設(shè)計水位在現(xiàn)有基礎(chǔ)上下降15 m。

2.4.3 應(yīng)急開采量評價

降水量取多年平均值584 mm，區(qū)內(nèi)其他水源地開采量維持現(xiàn)狀，在灤南司各莊應(yīng)急水源地增加開采量，模擬枯水和豐水季節(jié)開采1個月和開采3個月水源地中心水位降深，不斷改變開采量進(jìn)行模擬，直到地下水位降深在15 m左右結(jié)束試算，這時的開采量就是應(yīng)急開采量，計算結(jié)果見表3。通過模擬可得出司各莊水源地應(yīng)急開采量約為9×104m3/d 。

表3 水源地應(yīng)急開采后水源地中心水位特征值

在分析現(xiàn)有水源地布局、充分考慮水文地質(zhì)條件后，將地下水應(yīng)急水源地選擇在灤南縣司各莊北部，依據(jù)該區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題，合理設(shè)置了應(yīng)急水源地開采的水位下降值，評價得出水源地應(yīng)急開采量為9×104m3/d。

2.5 應(yīng)急水源地水資源恢復(fù)能力分析

應(yīng)急水源地位于灤河沖洪積扇中上部，含水層巖性粗、厚度大，水文地質(zhì)條件較好，具有較大的賦存空間。包氣帶巖性以中粗砂、細(xì)砂為主，夾薄層粉土，有利于大氣降水的入滲補(bǔ)給。灤河河道為中砂、粗砂、礫石與薄層粉質(zhì)黏土，黏性土不連續(xù)分布，易于河水入滲補(bǔ)給地下水,動態(tài)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。

應(yīng)急解除后，關(guān)閉應(yīng)急水源地，地下水在天然狀態(tài)下開始恢復(fù)。應(yīng)用模型預(yù)測上述4種應(yīng)急方案水源地關(guān)閉1 a后，地下水位特征見表4,可以看出，經(jīng)過1 a的恢復(fù)地下水位接近應(yīng)急前的水位，地下水水資源基本恢復(fù)。

表4 應(yīng)急水源地水資源恢復(fù)能力分析

3 結(jié)論

（1）提出了地下水應(yīng)急開采量的概念，即通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的取水方案，在應(yīng)急開采期內(nèi)出水量相對穩(wěn)定、動水位不超過設(shè)計要求，水質(zhì)變化在允許范圍內(nèi)、不發(fā)生危害性的環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，應(yīng)急解除后在自然和人為干預(yù)條件下地下水資源能夠恢復(fù)時，單位時間內(nèi)從水文地質(zhì)單元或取水地段中能夠取得的水量。

（2）總結(jié)了地下水應(yīng)急水源地的選址原則和研究內(nèi)容。研究內(nèi)容包括3個方面: 通過調(diào)查、勘探，查明水文地質(zhì)條件，確定應(yīng)急水源地位置和取水方案; 建立地下水流模型; 評價地下水補(bǔ)給資源量、應(yīng)急開采量、地下水資源恢復(fù)能力。特別是應(yīng)急開采量評價和地下水資源恢復(fù)能力評價的提出，對地質(zhì)環(huán)境保護(hù)和地下水可持續(xù)利用與開發(fā)具有重要意義。

（3）通過案例說明了地下水應(yīng)急水源地的評價技術(shù)程序，同時對唐山地下水應(yīng)急水源地進(jìn)行了合理選址，證明了若司各莊應(yīng)急水源地按應(yīng)急開采量9×104m3/d左右供水3個月，停止應(yīng)急供水1 a后基本可恢復(fù)應(yīng)急供水前的地下水位，該水源地地下水資源恢復(fù)能力較好，為唐山市飲水安全提供了保障。

（4）地下水應(yīng)急水源地開采具有時間短、強(qiáng)度大、水位下降快的特點，對環(huán)境作用快速、刺激強(qiáng)烈，該條件下地質(zhì)環(huán)境的響應(yīng)有待進(jìn)一步加強(qiáng)研究。