張念龍

(山西省運城市涑水河河務(wù)局，山西 運城 044000)

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運城市城區(qū)水源地可采資源量評價與封井限采試驗研究

張念龍

(山西省運城市涑水河河務(wù)局，山西 運城 044000)

[摘要]運城市城區(qū)水源地中深層承壓水，由于持續(xù)過量開采形成了100 km2的地下水位下降漏斗。通過對城區(qū)水源地含水系統(tǒng)的分析，把水位升降值看作是大氣降水入滲和人工開采對含水系統(tǒng)輸入激勵的響應(yīng)輸出，采用數(shù)理統(tǒng)計分析方法建立線性時不變集中參數(shù)系統(tǒng)輸入響應(yīng)數(shù)學(xué)模型評價可采資源量。對地下水漏斗水位恢復(fù)進行初步預(yù)測，并對已實施的兩次封井限采使漏斗中心水位回復(fù)效果進行分析。針對近年城區(qū)水源地承壓水水位動態(tài)變化，結(jié)合現(xiàn)狀開采狀況，提出今后封井限量開采的建議，指出封井限采措施在以地下水為主要水源的北方中小城市推廣應(yīng)用有著重要的社會效益和生態(tài)環(huán)境效益。

[關(guān)鍵詞]沉積；鹵水

運城市位于山西省西南端，與河南、陜西以黃河為界，是晉南的經(jīng)濟文化中心。運城市城區(qū)水源地屬于涑水盆地的一部分，是以運城市區(qū)為中心，面積約20 km2。由于盆地特殊的地理氣候環(huán)境和水文地質(zhì)條件，淺層地下水是咸水，礦化度高，硬度大，氟、硫酸、氯等離子嚴重超標(biāo)，不能作為城市的生產(chǎn)和生活用水水源，因而中深層承壓水早在上世紀五六十年代已被開發(fā)，年開采量約10萬 m3，七十年代年開采量逐漸增大約130萬 m3，八十年代開始大量開采，1987年開采量已達1 013萬 m3，以后隨著城市工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展及人口的增加，地下水開采量逐年增大，到1997年城區(qū)開采量已達到1 491.4萬 m3，中深層承壓水也形成面積約100 km2的區(qū)域下降漏斗。八、九十年代隨著城區(qū)水源地中深層地下水開采量持續(xù)加大，城區(qū)承壓水水位下降速率為每年2～5 m，一直到2002年城區(qū)承壓水降落漏斗中心位降累計幅已達到122.18 m。為了控制城區(qū)地下水位的持續(xù)下降，于2005年開始實施封井限采，水位逐漸開始回升，且效果明顯。本文就運城市城區(qū)水源地可采資源量進行了計算，并就中深層承壓水限量開采和降落漏斗水位回升預(yù)測進行了探討研究。

1運城城區(qū)水源地含水系統(tǒng)分析

運城市城區(qū)水源地含水系統(tǒng)屬于涑水盆地地下水流動系統(tǒng)一部分，含水層巖性及結(jié)構(gòu)與涑水盆地一致，大致可分為淺、中、深三個含水層組和兩個弱透水層，構(gòu)成一個五層結(jié)構(gòu)越流含水系統(tǒng)。

淺層水含水層巖性以亞粘土、亞砂土為主，偶見粉細砂，含水層厚約10～30 m，水位埋深為2～30 m，直接受降水入滲補給，徑流方向由北向南，主要排向鹽湖，部分靠潛水蒸發(fā)或形成地表積水再蒸發(fā)排泄。在開采中深層水的條件下，通過下伏弱透水層向中深層越流排泄。

中層水含水巖性以細砂、中細砂為主，頂板埋深在70～130 m之間，含水層厚度20～50 m。在天然狀態(tài)下，向鹽湖通過向上越流而排泄，補給來源主要靠盆地兩邊山區(qū)及黃土崗地降水人滲徑流補給。原水頭高于地面(高程約360 m)7～10 m．開采后形成降落漏斗，水位埋深在70 m左右，其補給來源靠淺層水通過弱透水層越流補給以及漏斗周圍徑流補給，排泄方式主要是開采和向深層水越流。

深層水含水層巖性主要由粉細砂、中粗砂以及砂礫石組成，總厚度20～60 m不等。補徑排與中層水相似，只是在開采條件下水頭埋藏較深，在80～100 m之間。

總的來說，作為運城城區(qū)水源地的中深層孔隙水補給來源主要是靠垂直滲入補給以及側(cè)向徑流補給，排泄主要是人工開采。

2運城城區(qū)水源地可采資源量評價

2.1可采資源量計算方法選擇

一個水源地可開采資源量多少取決于開采條件下的補給量，也與開采的技術(shù)經(jīng)濟條件和開采方案有關(guān)。由于一個水源地的水文地質(zhì)條件、水文地質(zhì)研究程度、資料的豐富程度、供水量的大小、評價的精度不同，以及采用的方法不一致，其結(jié)果相差甚大，其中起決定作用的是水文地質(zhì)條件。在一定水文地質(zhì)條件下選擇計算方法不當(dāng)，必然導(dǎo)致結(jié)果有誤。目前，對水源地可采資源量計算方法主要有開采試驗法、解析法、數(shù)值法以及數(shù)理統(tǒng)計分析法等。

開采實驗法及解析法一般適用于水源地具有定水頭邊界，水文地質(zhì)條件清楚，但可根據(jù)抽水量能否滿足供水要求，分別采用開采實驗法或解析法；數(shù)值法適用于一個水源地是一個完整的水文地質(zhì)單元、邊界條件清楚、地下水動態(tài)觀測系列較短；而數(shù)理統(tǒng)計分析法則適用于水源地不是一個完整的水文地質(zhì)單元，且邊界條件不清，但須具有系列較長的降雨、開采等補給、排泄項和水位動態(tài)觀測資料。

運城城區(qū)水源地面積20 km2，范圍較小，屬于涑水盆地地下水流動系統(tǒng)的一部分，不是一個完整的水文地質(zhì)單元，而且城區(qū)水源地的邊界也沒有設(shè)置專門地下水觀測網(wǎng)，邊界條件不清，但水源地內(nèi)有系統(tǒng)的降雨、水位觀測資料和歷年開采量統(tǒng)計資料，因此，可采資源量計算適合采用數(shù)理統(tǒng)計分析法。

2.2可采資源量計算

運城城區(qū)水源地中深層孔隙水補給來源主要是靠垂直滲入補給以及側(cè)向徑流補給，排泄主要是人工開采。因此，可將水位升降值看作是大氣降水入滲和人工開采對含水系統(tǒng)輸入激勵的響應(yīng)輸出。所以對城區(qū)水源地可開采量的評價，采用數(shù)理統(tǒng)計分析法建立線性時不變集中參數(shù)系統(tǒng)輸入響應(yīng)數(shù)學(xué)模型，若以月為計算時段，則數(shù)學(xué)模型可表示為：

(1)

式中：△H(t)為t時段的水位升降值，m；P(t-Z1)為t-Z1時段降水量，mm；Z1為降雨人滲補給延遲時間，Z1=0，1，……；W(Z1)為Z1時段的權(quán)系數(shù)；Q(t-Z2)為t-Z2時段的開采量，m3；Z2為開采影響延遲時間，Z2=0，1，……；W(Z2)為Z2時段的權(quán)系數(shù)；ξ(t)為除當(dāng)?shù)亟涤耆藵B補給和人工開采以外的其它變量及各種誤差對水位影響的總貢獻。

在(1)式中，右邊是延遲時間為Z1的以前歷月降水量P(t—Z1)以不同權(quán)重W(Z1)作用的疊加值，延遲時間不同，其權(quán)重也不同。第二項延遲時間為Z2的以前歷月的開采量Q(t—Z2)以不同權(quán)重W(Z2)作用的疊加值。同樣道理，延遲時間不同，其權(quán)重也不同。一般來說，隨著延遲時間的增加，權(quán)重逐漸變小，當(dāng)延遲時間增大至某一數(shù)值時，此時的降水量、開采量對水位變化的貢獻已小到忽略不計，這時，(1)式可截斷為：

(2)

式中：K1、K2為截斷的月份，其它符號同前。

這是一雙輸入單輸出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，利用地下水位變化值、月降水量以及月開采量資料，采用最小二乘法，求得模型中各項權(quán)系數(shù)，便可進行可開采量的計算。

為了利用數(shù)量統(tǒng)計分析法計算城區(qū)可開采量，對地下水位升降值采取濾波處理，即采用滑動平均求得數(shù)據(jù)的均值；開采量采用了月開采量分配系數(shù)，降水量月有效值采用延遲補給權(quán)系數(shù)法進行處理。代人(2)式，分別求得延遲5個月、7個月、9個月以及1 1個月的數(shù)學(xué)方程、復(fù)相關(guān)系數(shù)(R)及剩余標(biāo)準差(s)，進行顯著性檢驗以及復(fù)相關(guān)系數(shù)比較，選出降雨延遲補給時間為9個月的方程式為預(yù)測方程。即:

△Ht=0.001 61Pt-0.001 06Qt-1-0. 002為75Qt+0.173 51

(3)

運城市城區(qū)水源從五十年代開采到1990年已形成區(qū)域下降漏斗，漏斗中心水位累計降幅已達到48.53 m，隨著持續(xù)的過量開采，2000年漏斗中心水位累計降幅已達到118.85 m，說明開采量嚴重超過了可開采量。若要控制水位不出現(xiàn)持續(xù)下降，只要多年平均水位升降值為0，即∑△H(t)=0。這時的開采量即為所求的可開采量。

從多年平均角度來說，以年為計算單位，(3)式中寫為：

式中從多年平均角度來說：

因此得：

(4)

本次利用1956-2000年進行多年平均可采資源量的計算，把以后的2001-2014年作為預(yù)測和限采效果檢驗?zāi)?。因此，根?jù)1956-2000年45年降水量的平均值Py=538.94 mm，

代入(4)式得： Qy=774. 23×104m3。

即運城市城區(qū)地下水可采資源量為774.23×104m3/a。這個可開采量即為在多年地下水位變化值為0時的開采量，理論上來說，只要年開采量控制在此范圍內(nèi)，運城城區(qū)地下水位不會出現(xiàn)持續(xù)下降。

2.3封井限采使承壓水漏斗中心水位回升預(yù)測

老巴在急救室門口只坐了一會兒，醫(yī)生便走了出來。醫(yī)生平淡地說：“人已經(jīng)完了。心肌梗死。”半小時后，阿里的母親便被送到了太平間。阿里的弟弟阿東趕到醫(yī)院時，老巴蹲在太平間門口，他已經(jīng)悲傷得嗓子發(fā)不出聲音。羅四強和李麗紅都在勸他先回家去。

運城城區(qū)水源地地下水可采資源量為774.23×104m3/a，這一可開采量是按45 a平均降水量計算出來的，若按豐水年(保證率25%)降水量611.65 mm計算，保持此開采量地下水位每年將回升0.12 m；若按枯水年(保證率80%)降水量454.5 mm計算，保持此開采量，每年水位將下降0.15 m。若年開采量減至365×104m3/a，在平水年水位回升1.54 m/a，在豐水年水位回升1.66 m/a，在枯水年水位回升1.40 m/a。若平均每年回升1.5 m/a計算，要使地下水位下降漏斗恢復(fù)到50年代水平(360 m)需要95 a。若不能實施限量開采措施，開采量得不到控制，中深層承壓水漏斗中心水位將持續(xù)下降。

3運城城區(qū)水源地地下水限量開采實施

3.1外調(diào)水源入城是限量開采的前提條件

八十年代末期及九十年代，運城市城區(qū)工業(yè)生產(chǎn)和城市規(guī)模不斷擴大，人口也逐年增加，用水量也不斷的擴大，導(dǎo)致城區(qū)地下水持續(xù)過量開采，地下水位不斷下降，供需矛盾日益尖銳。為了解決運城市城區(qū)供水日益增加的需水量，以及緩解地下水位的不斷下降，運城市政府決定從區(qū)外調(diào)水入城。隨著“引泗濟運”和“引黃濟運”兩大調(diào)水工程于1993年把夏縣泗交水、1999年把永濟黃河灘蒲州水源地水調(diào)入城區(qū)供水管網(wǎng)后，才使得城區(qū)地下水限量開采的實施成為可能。

多年來，城區(qū)供水公司外調(diào)水源對城區(qū)用戶的供水量也逐年增加，2004年供水量697萬 m3，2010年城區(qū)供水量1 039萬 m3，2014年城區(qū)年供水量1 370萬 m3。目前，供水公司的供水能力完全有保障在城區(qū)水源地范圍內(nèi)對中深層承壓水繼續(xù)實施封井限采。

3.2限量開采的實施

為了控制城區(qū)地下水漏斗的不斷擴展和地下水水位的以每年2～5 m的速度的下降及其引起的咸水倒灌等環(huán)境問題，于2005年開始實施封井限采措施。

第一次封井限采：封井工作于2005年4月—2008年12月實施，共封深井78眼，城區(qū)新增用供水公司戶3 508戶，限采中深層地下水176萬 m3。

城區(qū)水源地以上兩次共封井581眼，限采地下水258萬 m3。

3.3限量開采實施前后的漏斗中心水位回升效果分析

運城城區(qū)水源地地下水可采資源量為774.23×104m3/a是按45 a(1956—2000年)平均降水量計算出來的。在限采之前的2001-2004年降雨量、開采量、漏斗中心水位見表1。

表1　限采前后地下水位變化對比表

從表中可以看出，封井限采(2005年)以前因開采量一直在1 000萬 m3以上，且降水量較少，漏斗中心地下水位一直處于下降狀態(tài)；2003年降水量增大，開采量也相對減少，漏斗中心地下水位回升也較大。

第一次封井于2005年4月—2008年12月實施，之前的2004年城區(qū)地下水開采量1 148.6萬 m3，城區(qū)漏斗中心水位為217.82 m，與五六十年代相比累計降幅已達103.1 m。封井后的2006年城區(qū)地下水開采量908.3萬 m3，城區(qū)的地下水漏斗中心水位257.17 m。封井前后地下水位回升20.27 m。

第二次封井于2011年5月—2011年12月在全城開始實施，封井后的2012年城區(qū)地下水開采量728.5萬 m3，城區(qū)的地下水漏斗中心水位254.84 m，雖然與封井之前的2010、2011年地下水位264.24 m和266.63 m相比水位下降，這主要由于2012年降水量僅有384 mm ，遠小于2010年的568.6 mm和2011年的714.9 m所致,而并非第二次封井限采沒有作用。

總的來講，城區(qū)水源地實施封井限量開采，使地下水位漏斗中心水位回升效果明顯。

3.4今后限量開采實施意見

3.4.1現(xiàn)狀開采量

2014年城區(qū)水源地范圍內(nèi)還有深層承壓水開采井80余眼，均為工業(yè)及城市生活用水井，開采量仍達729.54萬 m3，主要集中在南城區(qū)開采量為296.6萬 m3，占總開采量的40.66%；北城區(qū)開采量為150.45萬 m3，占總開采量的20.62%；西城區(qū)開采量約為145.21萬 m3，占總開采量的19.90%；東城區(qū)開采量最小，約為137.28萬 m3，占總開采量的18.82%。年內(nèi)6-9月開采量較大，為313.4萬 m3，占總開采量的43.00%。

3.4.2今后限采量的確定

根據(jù)2000年以后的運城城區(qū)降雨系列資料，2001-2014年的年降雨量平均為481 mm,仍達不到1956—2000年的平均降水量538.1 mm和平水年(50%)的降水量516.1 mm，只比枯水年(80%)的降水量454.5 mm多26.5 mm。因此，今后再繼續(xù)實施限量開采，必須按枯水年(80%)的降水量454.5 mm來考慮限采，即把年開采量將至365×104m3/a，在枯水年水位可回升1.40 m/a。若平均每年回升1.4 m/a計算，要使2014年地下水位區(qū)域下降漏斗(2014年中心水位255.05 m)恢復(fù)到50年代(水位360 m)水平，仍需要75 a。

3.4.3具體限采方案的實施意見

因此，在運城城區(qū)仍需加大封井限采的力度，把年開采量逐步降低，爭取使開采量保持在365×104m3/a。具體限采方案是對南城區(qū)采取封井限采150萬 m3，北城區(qū)封井限采70萬 m3，西城區(qū)限采70萬 m3，東城區(qū)限采70萬 m3。

封井限采雖然對城區(qū)地下水位回升及改善整個涑水盆地的水環(huán)境大有好處，但由于會觸及到自備水源井用戶的既得利益，必然會阻力重重、困難較多，因此，必須由市政府牽頭，供水公司和水資源管理部門制定城區(qū)封井方案逐年實施。同時，要采取經(jīng)濟杠桿作用和嚴厲的地下水資源超采處罰政策來限制城區(qū)中深層地下水的開采。

4封井限量開采地下水研究的意義

隨著封井限采措施的實施，運城市城區(qū)水源地范圍內(nèi)地下水位逐年回升，也將使因地下水位嚴重下降引起的一系列環(huán)境水文地質(zhì)問題，如鹽湖咸水倒灌問題、淺層咸水越流補給中深層地下水問題、地裂縫等問題逐步得到改善。因此，封井限采地下水措施在以地下水為主要水源的北方中小城市推廣應(yīng)用，有著較好的社會效益和生態(tài)環(huán)境效益。

參考文獻

[1]李世忠，等.地下水資源調(diào)控與管理.

[2]鹽湖區(qū)水資委，等.運城城區(qū)水源地2014年地下水動態(tài)分析報告.

[收稿日期]2015-03-14

[作者簡介]張念龍(1964-)，男，山西運城人，高級工程師，主要從事水資源開發(fā)利用工作。

[中圖分類號]TV211.1

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)01-0063-03