鄒友琴，周文斌，蘭盈盈，楊 曼

（1.南昌大學環(huán)境與化學工程學院，江西 南昌 330031；2.鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點實驗室(南昌大學)，江西 南昌 330047；3.南昌工程學院，江西 南昌 330099；4.江西省勘察設計研究院，江西 南昌 330095）

南昌市現(xiàn)有下正街水廠、朝陽水廠、青云水廠等及要新建的城北水廠均以贛江水為水源［1］。這種單一水資源格局與日益擴大的城市水量不匹配，已成為城市安全運轉(zhuǎn)的一大潛在威脅［2～5］。2003年汛期后江西省出現(xiàn)了典型的伏旱、秋旱、連冬旱，其旱情為當時江西省建國以來最嚴重，其中贛江流域旱情最為嚴重。自此以后，贛江下游水位屢創(chuàng)歷史新低。2010年冬至2011年春，江西再次遭遇歷史罕見旱情，贛江河床干涸裸露龜裂，鄱陽湖湖心成草原，湖床干裂。繼松花江污染等多次突發(fā)性環(huán)境污染事故之后，杭州苯酚污染事故再度敲響了城市水安全與水危機管理的警鐘。相對于地表水，地下水質(zhì)優(yōu)、時空分布較均勻、動態(tài)相對穩(wěn)定，適合作應急水源。針對最近幾十年來自然及人為的災難突如其來地增長，聯(lián)合國教科文組織國際水文計劃承擔了GWES(GroundWater for Emergency Situations)項目，對地下水作為應急水源作出了方法上的指導［6］。因此研究利用地下水作為應急水源應對突發(fā)性事件具有重大、現(xiàn)實意義。

1 研究范圍與水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地處鄱陽湖濱、贛江、撫河下游尾閭平原區(qū)(圖1)，西、北以贛江為界，東沿瑤湖、撫河以2008年地下水16m天然等水位線為界，南達蓮塘以南3km。研究區(qū)主要開采第四系松散巖類孔隙水。第四系含水層由中更新統(tǒng)上段砂礫石含水層、上更新統(tǒng)砂礫石含水層、全新統(tǒng)砂礫石含水層構(gòu)成。由于區(qū)內(nèi)不同時代的沖(湖)積構(gòu)成內(nèi)疊階地，全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)含水層頂、底板高差不大，橫向上大致連續(xù)，構(gòu)成以紅層粉砂巖為相對隔水底板的統(tǒng)一含水層，水力聯(lián)系密切，見圖2。在人工開采地下水之前，第四系松散巖類孔隙水為承壓水，現(xiàn)只在研究區(qū)邊緣局部微承壓。含水層厚度分布規(guī)律為自西向東和自南向北逐漸增厚。

圖1 南昌市中心城市規(guī)劃布局及研究區(qū)范圍圖Fig.1 Urban planning and layout of Nanchang City and the target area

垂向以大氣降水補給為主，由于孔隙含水層為雙層結(jié)構(gòu)，垂向補給條件相對較差，區(qū)內(nèi)主要有東部(梧崗魏、羅家集、太子殿至尤口等地)和西部(蓮塘等地)兩個大氣降水補給區(qū)。研究區(qū)內(nèi)的青山湖、艾溪湖、瑤湖等較大地表水體，研究區(qū)東邊撫河與撫河支流均與地下水水力聯(lián)系微弱。稻田在持水期間對地下水的補給也很微弱。由于含水層二元結(jié)構(gòu)的上部為粘性土、粉土，局部夾淤泥質(zhì)粘性土透鏡體，一般厚度5～15m，可忽略地下水的蒸發(fā)［3～4］。

圖2 八一橋到南鋼水文地質(zhì)剖面示意圖Fig.2 Hydrogeological sketch map of the area from Bayi Bridge to Nanchang Iron and Steel Plant

紅層廣泛隱伏分布于第四系松散土層之下。紅層含水層標高大體為－30～－60m，含水層近似呈層狀，連通性好，形成連續(xù)、統(tǒng)一的承壓水位。構(gòu)成含水層隔水頂板的粉砂巖類，由于長期遭受風化破壞，裂隙較發(fā)育，具有一定的透水能力，致使“紅層”含水巖組與上覆松散類孔隙水含水層之間存在越流聯(lián)系。

研究區(qū)現(xiàn)已形成以南鋼為中心的地下水水位區(qū)域降落漏斗，因此選擇在南鋼漏斗邊緣位于地下水極豐富區(qū)的城北尤口、城東南謝埠、城西桃花作為三個應急水源地。此三地段不僅含水層厚度大，而且離城市管網(wǎng)近，非常適合在應急狀態(tài)下向城市供水。

在研究區(qū)東部天然地下水位約16m，地下水埋深約2m，含水層厚度大，含水極豐富，可視為無限含水層。模型識別與檢驗應用2008年的地下水位長觀資料，在現(xiàn)有開采條件下，漏斗影響范圍只能到達2008年地下水16m天然等水位線。而模擬應急情景時，布井在現(xiàn)有漏斗邊緣，對于非自然邊界處的影響范圍會擴大。在城西的桃花水源地所靠邊界贛江完全切割含水層，為水文地質(zhì)單元自然邊界，不會再往外擴展。城北的尤口以北也是贛江，而在東邊不是天然邊界，因此它與城東南的謝埠開采時，影響范圍自然向東擴展。根據(jù)計算的影響半徑及開采時流場的實際變化情況，將模擬區(qū)東邊界的范圍向東延伸5km，然后逐漸向南收攏(圖1)。依據(jù)東擴范圍內(nèi)的鉆孔資料，含水介質(zhì)與原東邊界含水介質(zhì)的性質(zhì)相同，只是厚度更大，也驗證了含水層厚度由西向東，由南向北增厚，研究區(qū)東邊界以東也是屬于含水極豐富區(qū)。因此校核后的參數(shù)在東擴范圍內(nèi)適用。

根據(jù)南昌市城市總體規(guī)劃(期限為2001～2020年，其中遠期為2011～2020年)，研究區(qū)包括了昌南城的舊城中心區(qū)、城東片區(qū)、城南片區(qū)及朝陽片區(qū)四個片區(qū)及瑤湖片區(qū)部分，另加蓮塘大部。模型校核時總面積381.35km2。東擴后總面積513.10km2。

2 研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型

(1)含水層概化:根據(jù)前述分析，將研究區(qū)的模擬對象第四系松散巖類孔隙水概化為潛水含水層。

(2)邊界條件概化:據(jù)BK43、BK55孔長期觀測資料，研究區(qū)地下水與贛江有密切的水力聯(lián)系，將西北邊界定為已知水位邊界。沿2008年地下水16m等水位線，研究區(qū)東邊沿瑤湖、撫河定為人為通量邊界。研究區(qū)南亦為人為通量邊界。

(3)地下水流場特征:研究區(qū)第四系松散巖類孔隙含水層，地下水在含水介質(zhì)中緩慢運動(水力坡度一般小于2‰)，其運動規(guī)律符合達西定律。

通過以上對研究區(qū)地下水系統(tǒng)的分析，將含水層概化為非均質(zhì)、各向異性(Kx=Ky=10Kz)、空間三維、非穩(wěn)定地下水滲流系統(tǒng)。

3 數(shù)學模型

式中:h(x，y，z，t)——水頭(m)；

K——滲透系數(shù)(m/d)；

G——補給項；

W——排泄項；

h0(x，y，z)——初始水頭(m)；

h1(x，y，z，t)——第一類邊界 Γ1上的水頭(m)；

q(x，y，z，t)——第二類邊界 Γ2上的單寬流量(m3/d·m)；

μ——給水度。

由上述偏微分方程與初始條件、邊界條件共同組成定解問題。

4 模型識別與檢驗

運用基于有限差法的GMS軟件進行研究區(qū)地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬。選定2008年為模擬期，進行研究區(qū)網(wǎng)格剖分、水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)及參數(shù)賦值、源匯項輸入等步驟后，應用全部長觀孔(共17個)水位資料，通過不斷調(diào)參進行模型的識別與檢驗。

通過對2008年地下水均衡分析，其均衡結(jié)果誤差為12.80%。從識別的結(jié)果看，除了位于研究區(qū)南邊界附近的一個長觀孔的計算值與實測值之間擬合誤差為0.63m外，其它觀測孔的計算值與實測值之間擬合誤差均小于0.5m。模型檢驗結(jié)果中，只有兩個位于漏斗中心的觀測孔計算值與實測值擬合誤差大于0.5m，分別為0.796m和0.609m，其余觀測孔的計算值與實測值之間的擬合誤差均小于0.5m?？傊?，模型識別與檢驗過程中計算水位與觀測水位擬合較為理想。模型識別與檢驗結(jié)果說明水文地質(zhì)概念模型概化的合理性及數(shù)學模型建立的正確性及可靠性，進而說明模型能正確反映研究區(qū)的水文地質(zhì)條件，可用本模型校核后的參數(shù)來進行預測。

5 應急條件下可開采量的預測

為了保證能在最惡劣情況下供水，選擇最不利的條件來進行模擬。根據(jù)氣象資料，1963年是1951～2010年間降水量最少的年份，因此選擇1963年降水量與贛江水位。

根據(jù)已有研究資料，研究區(qū)及其以東地下水天然水位約為16m，校核時研究區(qū)東邊界范圍選地下水位16m等水位線作邊界，即現(xiàn)有地下水位降落漏斗邊緣。選擇桃花、尤口和謝埠作應急水源地，根據(jù)前述分析，將模擬區(qū)東邊界的范圍由原邊界向東延伸5km，然后向南邊界逐漸收攏。由于應急狀態(tài)下，是以疏干含水層來達到短期供水目的，漏斗不會擴展很大，可將東邊界水頭視為地下水天然水頭16m，邊界性質(zhì)不變。

南邊界流場相對獨立，受南鋼漏斗影響不大，因此仍定為流量邊界，流量計算方法及大小與校核時不變。

應急條件下預測時的源匯項，如大氣降水入滲補給、贛江側(cè)向補排、灌溉回歸、紅層越流補給等的計算方法與校核時相同。湖泊滲漏補給由于向東擴大范圍，包括瑤湖大部分，依據(jù)前述分析，瑤湖與地下水之間水力聯(lián)系與其他湖泊類似。

按《南昌市城市總體規(guī)劃文本(2001年～2020年)》，2020年研究區(qū)用水量為126×104m3/d，其中生活用水量、工業(yè)用水量及其他用水量比例為55:35:10，在應急情況下，優(yōu)先考慮生活供水，則供水量應達69.3×104m3/d。規(guī)劃要求，地下水開采量遞減，為了保證條件的極端性，地下水原有開采量采用現(xiàn)狀開采量。然后在三處應急水源地增加開采井，依據(jù)含水層由西向東，由南向北增厚，在尤口布井41口，井距500m，每井開采量為6800m3/d；在謝埠布井38口，井距500m，每井開采量為6800m3/d；在桃花布井27口，井距500m，其中23口井開采量為6000m3/d，4口井開采量為5000m3/d，應急開采總量為69.32×104m3/d，具體布井情況見圖3。加上原有開采量，共約80×104m3/d。

圖3 研究區(qū)東邊界變化及應急布井圖Fig.3 Changing in the east boundary and the emergency well-sites of the target area

在應急條件下，整個流場主體仍表現(xiàn)為以南鋼漏斗中心為主，在三個應急水源地分別形成小漏斗，與南鋼主漏斗之間形成相應的分水嶺，如圖4。應急供水3個月后，未出現(xiàn)含水層疏干情況。桃花應急水源地最大絕對降深為13.27m，最小絕對降深為6.92m，平均絕對降深為9.94m；疏干含水層厚度占原含水層厚度百分比最大為78.67%，最小為35.22%，其中有7口井超過含水層厚度的2/3，分別為78.67%、78.05%、72.27%、72.02%、71.76%、68.66%、68.56%，平均為56.48%，基本能滿足應急供水要求。謝埠應急水源地最大絕對降深為10.21m，最小絕對降深為3.30m，平均絕對降深為7.18m；疏干含水層厚度占原含水層厚度百分比最大為64.29%，最小為15.74%，平均為41.06%，能滿足應急供水要求。尤口應急水源地最大絕對降深為8.86m，最小絕對降深為3.71m，平均絕對降深為6.47m；疏干含水層厚度占原含水層厚度百分比最大為35.59%，最小為14.26%，平均為26.30%，亦能滿足應急供水要求。應急水源地含水層厚度平均變化情況見圖5。

圖4 應急條件下3月末流場Fig.4 Flow field in emergency at the end of the 3-month period

圖5 應急水源地含水層厚度變化情況Fig.5 The aquifer-thickness changes in the percentage of the original aquifer at the sites of emergency water supply

仍繼續(xù)利用1963年的降水量與贛江水位進行水位恢復模擬，含水層厚度平均恢復情況見圖5。停止應急供水，仍維持原來正常開采量，歷經(jīng)9個月，含水層厚度在桃花、謝埠、尤口分別恢復 89.82%、82.57%、85.45%，表明應急水源地具有良好的恢復性。

在整個應急條件下，總開采量約80×104m3/d，對其進行水均衡分析，其結(jié)果見表1?？芍趹睏l件下開采量主要來自地下水含水層的疏干，均占到90%以上。

表1 應急條件下地下水均衡分析Table 1 Analysis of groundwater balance in emergency water supply (%)

6 結(jié)論與建議

(1)在應急供水三個月后，桃花有7口井疏干含水層厚度超過原厚度的2/3，最大為78.67%，最小為35.22%，平均為56.48%，基本能滿足應急供水要求；謝埠與尤口最大疏干含水層厚度均未超出2/3，最大分別為64.29%和35.59%，最小分別為15.74%和14.26%，平均分別為41.06%和26.30%，均能滿足應急供水要求。若無突發(fā)性事件，可作為后備水源地。

(2)三個應急水源地具有良好的恢復性。停止應急供水，仍維持現(xiàn)有開采量，歷經(jīng)9個月，在年末含水層厚度在桃花、謝埠、尤口分別可恢復 89.82%、82.57%、85.45%。

(3)應急水源地主要依靠疏干含水層達到供水目的，因此要加強防護因地下水位下降產(chǎn)生各種生態(tài)環(huán)境問題。

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