陶志斌，于林弘，楊寧，張生海

(山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺(tái) 264004)

0 引言

大沽夾河歷來被煙臺(tái)民眾譽(yù)為“母親河”，蘊(yùn)藏著豐富的水資源，是維系大沽夾河流域范圍內(nèi)城鎮(zhèn)居民正常生產(chǎn)生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“水源命脈”[1]，同時(shí)大估夾河流域又是“煙臺(tái)蘋果”、“煙臺(tái)大櫻桃”等煙臺(tái)特色農(nóng)副產(chǎn)品的重要產(chǎn)地。煙臺(tái)大沽夾河地下水水源地分布有煙臺(tái)市南上坊廠、煙臺(tái)市西牟水廠、福山區(qū)芝陽(yáng)水廠、煙臺(tái)市東陌堂水廠等水源地[2]，是煙臺(tái)市重要的城市供水水源地。

煙臺(tái)大沽夾河地下水水源地自20世紀(jì)60年代底勘查，至今已有60余年，2016年山東省國(guó)土資源廳組織對(duì)煙臺(tái)市境內(nèi)水源地進(jìn)行調(diào)查評(píng)價(jià)，至今已開展2年，因此現(xiàn)階段對(duì)水源地的情況進(jìn)行分析，總結(jié)存在問題，提出下一步對(duì)策和工作建議是十分必要的。

1 水源地概況

1.1 水源地水文地質(zhì)特征

煙臺(tái)大沽夾河地下水水源地以第四系沖積—沖洪積砂及砂卵礫石層孔隙為主要蓄水空間[3]，水源地范圍南邊界為內(nèi)夾河門樓水庫(kù)大壩、外夾河道以南，北邊界為地下截滲壩[4]，即宮家島—永福園—鹽場(chǎng)—朱甲山一線，兩側(cè)以主含水層尖滅線為界，地下水水源地總面積63.3km2[5](圖1)。

大沽夾河地下水水源地下游沖洪積平原區(qū)北起壩體，南到玉樹莊、崇義，長(zhǎng)5～7km，寬2～4.5km，第四系厚度一般20～35m，最厚達(dá)44.5m，地層呈三元結(jié)構(gòu)，頂部2～7m，巖性為粉細(xì)砂、粉土，局部中砂，賦存孔隙潛水；中間相對(duì)隔水層巖性為淤泥質(zhì)砂土和粉土層，厚5～10m；下部承壓含水層巖性以砂、砂礫石及卵礫石為主，層底標(biāo)高-20m～-35m。其單井涌水量均大于1000m3/d[4,6]。

該區(qū)地形呈南高北低、東西高中間低的特點(diǎn)。高處為基巖裸露的低山丘陵區(qū)，賦存基巖裂隙水和碳酸鹽巖溶裂隙水。第四系松散巖類孔隙水除接受大氣降水入滲補(bǔ)給外，還有基巖裂隙水的側(cè)向徑流補(bǔ)給和河水的滲漏補(bǔ)給[6]。地下水主要由南向北徑流，地下水的排泄主要為人工開采，次為蒸發(fā)和地下徑流[7]。

1—松散巖類孔隙水、單井涌水量1000～3000m3/d；2—松散巖類孔隙水、單井涌水量500～1000m3/d；3—松散巖類孔隙水、單井涌水量<500m3/d；4—碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、單井涌水量<500m3/d；5—碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、單井涌水量<1000m3/d；6—基巖裂隙水、單井涌水量<100m3/d；7—以粉細(xì)砂、粉土為主的第四系含水層；8—以淤泥質(zhì)砂土和粉土為主的隔水層；9—砂、砂礫石及卵礫石為主的含水層；10—涌水量(降深) ；11—上升泉；12—下降泉；13—允許開采量-現(xiàn)狀開采量(萬m3/d )及主要取水層時(shí)代；14—防滲壩； 15—地下水水源地范圍圖1 煙臺(tái)市大沽夾河地下水水源地水文地質(zhì)圖

由于所處地形地貌、地層巖性、徑流條件及離海距離的不同，區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)呈明顯的分帶性。自南向北及夾河下游地帶由兩側(cè)至河床，水化學(xué)類型由HCO3—Ca·Mg型水變化為Cl—Na型水，溶解性總固體由<0.5g/L變化為>1.0g/L[8]。

1.2 水源地開采現(xiàn)狀

(1)煙臺(tái)市南上坊水廠：該水源地位于芝罘區(qū)只楚鎮(zhèn)南上坊以西的外夾河?xùn)|岸，面積29.6km2。地下水類型屬潛水、微承壓水，含水層屬第四系砂卵礫石孔隙水含水層[8]。共有開采井12個(gè)，主要供發(fā)電廠生產(chǎn)冷卻用水和環(huán)境衛(wèi)生用水。2017年實(shí)際開采量4.11萬m3/d。

(2)煙臺(tái)市東陌堂一水廠：該水廠的開采井位于福山區(qū)兜余鎮(zhèn)東陌堂外夾河?xùn)|岸，面積15.31km2，主要開采層為下部沖積層的孔隙水。1986年以前開采10m以內(nèi)的淺層地下水，1986年擴(kuò)建后，井深20m左右，下部至基巖，主要開采下部深層承壓水，由煙臺(tái)市自來水公司進(jìn)行開采，共有開采井17個(gè)，用于煙臺(tái)市居民生活用水和部分工業(yè)用水。2017年實(shí)際開采量2.46萬m3/d。

(3)煙臺(tái)市西牟五水廠：西牟五水廠位于芝罘區(qū)只楚鎮(zhèn)西牟村西，外夾河?xùn)|岸河流沖積平原上，面積5.0km2。地下水類型屬第四系沖洪積層潛水—微承壓水。共有開采井11個(gè)，用于芝罘區(qū)的生活用水以及部分工業(yè)用水。近幾年開采量較少，2017年實(shí)際開采量2.33萬m3/d。

(4)福山區(qū)芝陽(yáng)水廠：芝陽(yáng)水廠位于福山區(qū)芝陽(yáng)村南約1km的內(nèi)夾河?xùn)|岸，面積5.35km2。地下水類型屬潛水、微承壓水，含水層類型為第四系砂礫孔隙含水層。共有開采井13個(gè)，主要用于供給福山區(qū)城市居民生活用水。2017年實(shí)際開采量1.64萬m3/d。

(5)煙臺(tái)市合成革水廠：該水源地位于福山區(qū)門樓鎮(zhèn)大屋村北內(nèi)夾河沿岸，面積25.0km2。地下水類型屬潛水、微承壓水，含水層類型為第四系砂礫石孔隙含水層。共有開采井15個(gè)，主要用于合成革總廠生產(chǎn)和生活用水，2017年實(shí)際開采量4.66萬m3/d(圖2)。

2 地下水動(dòng)態(tài)特征

2.1 開采動(dòng)態(tài)特征

煙臺(tái)市大沽夾河水源地的主要地下水供水水源地分布在河流兩岸的地下水排泄區(qū)，開采地下水類型為第四系松散巖類孔隙水，目前主要有5個(gè)水源地集中開采[4](表1)。

2.2 地下水水位動(dòng)態(tài)特征

地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降水，主要排泄方式為人工開采。人工開采具有以下特征：一是城市供水開采的長(zhǎng)期性與連續(xù)性，二是季節(jié)性農(nóng)灌開采與強(qiáng)烈的蒸發(fā)同步性[9]，表現(xiàn)在水位時(shí)空變化上具有如下特征：

1—地下水水位動(dòng)態(tài)曲線圖；2—地下水水位動(dòng)態(tài)趨勢(shì)線；3—降水量柱狀圖；4—平均降水量；5—開采量柱狀圖；6—降水量均值離差曲線圖2 合成革水廠1987—2017年孔隙潛水地下水動(dòng)態(tài)曲線圖

水源地名稱位置控制面積(km2)所屬單元允許開采量(萬m3/a)年份降水量(mm)開采量(萬m3/a)年均水位(m)水位埋深(m)煙臺(tái)市南上坊廠29.6大沽夾河流域構(gòu)造盆地及丘陵谷地水文地質(zhì)地段1143.911989353.2322-9.6716.142011824.2700.8-8.7615.232012764.893.44-8.4514.922013799.4350-8.3514.822014573528-10.617.072015623.6680-12.4618.932016508.11500-11.7518.222017609.21500-13.3619.83煙臺(tái)市東陌堂一水廠15..31大沽夾河流域構(gòu)造盆地及丘陵谷地水文地質(zhì)地段14601989353.28986.3217.522011925.3313.911.2512.592012663.480010.5613.282013813.991010.413.442014569.21.49.3314.512015623.6400.949.7514.092016547.4694.349.7014.142017615.890012.0611.78煙臺(tái)市西牟五水廠5大沽夾河流域構(gòu)造盆地及丘陵谷地水文地質(zhì)地段10951989353.2551-5.8213.292011824.2233.02-2.129.592012764.8350-1.719.182013799.4420-1.749.212014573420-2.139.62015623.6430-3.2710.742016508.1850-3.2810.752017609.2850-7.7115.18福山區(qū)芝陽(yáng)水廠5.35大沽夾河流域構(gòu)造盆地及丘陵谷地水文地質(zhì)地段813.951989336.8900-7.1214.692011925.3430.7-0.087.652012663.44002.285.292013813.95200.397.182014569.2343.8-2.8510.422015498.7500-9.6117.182016547.4650-9.5417.112017609.2650-12.6520.22煙臺(tái)市合成革水廠25大沽夾河流域構(gòu)造盆地及丘陵谷地水文地質(zhì)地段1262.91989336.87945.668.642011925.31051.26.278.032012663.4120.966.427.882013813.9315.366.198.112014569.2180.96.148.162015498.7877.206.657.652016547.415006.377.932017609.217002.6511.65

(1)降水入滲補(bǔ)給量約占地下水資源量的90%以上，因而地下水資源量主要隨著降水量的變化而變化。在一個(gè)水文年中，自然狀態(tài)下，地下水位因季節(jié)性變化明顯，7—10月份為豐水期，地下水位回升，之后隨降水減少及徑流和蒸發(fā)排泄，水位緩慢下降；11月至翌年2月，蒸發(fā)量減少，地下水位持平后緩慢回升；3—6月干旱少雨，蒸發(fā)量增大伴隨春灌用水，地下水位急劇下降呈低谷。

(2)年際間隨降水量相差懸殊，地下水位表現(xiàn)為連枯年份持續(xù)下降，遇豐水年或平水年迅速回升。在自然狀態(tài)下，最低與最高水位在一年內(nèi)出現(xiàn)，而在開采狀態(tài)下，最高水位往往出現(xiàn)于翌年初。

(3)人為連續(xù)的和季節(jié)性的開采加大了地下水變幅，甚至改變其起伏趨勢(shì)。年度內(nèi)1—3月開采量小，水位一般較高且變化平緩；4月前后由于春灌開采量逐漸變大，水位再次下降；至汛期時(shí)，隨降水量增大，水位迅速回升；隨后進(jìn)入秋灌季節(jié)，水位再次下降，變化平緩到年末與翌年相連。

(4)地表徑流與地下水位變化關(guān)系也很密切，地表水位的高低、徑流持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短、距河床遠(yuǎn)近等都有影響[10]。

如合成革水廠是煙臺(tái)市萬華企業(yè)用水，自1987年開始監(jiān)測(cè)，該水源地水位相對(duì)穩(wěn)定，但受氣象因素影響也曾出現(xiàn)兩次大的波動(dòng)，1999—2000年，受歷史罕見旱災(zāi)的影響，水位由1999年7月的7.54m降至2000年8月份的-3.04m，降幅達(dá)10.58m。2001—2008年，地下水水位大幅度上升，之后水位基本穩(wěn)定，2016年在降水較少的情況下，增大了開采量，水位出現(xiàn)大幅下降，之后豐水期又有所回升。2017年降水增加，水位恢復(fù)，在雨季之后，降水減少，水位又開始下降。因此該水源地受降水影響較大。

2.3 地下水水質(zhì)動(dòng)態(tài)特征

3 地下水水源地評(píng)價(jià)

3.1 計(jì)算允許開采量

該次運(yùn)用補(bǔ)償疏干法[12]確定區(qū)內(nèi)地下水資源允許開采量[13-14]復(fù)核，通過計(jì)算成果與以往搜集資料的允許開采量進(jìn)行對(duì)比分析，為使開采量可以得到保證，選取計(jì)算成果中較小的數(shù)值作為該地段的地下水允許開采量，具體計(jì)算如下：

通過旱季開采求的單位存儲(chǔ)量uF，由于旱季沒有任何補(bǔ)給來源，完全靠疏干存儲(chǔ)量來維持抽水。由于含水層范圍有限，抽水時(shí)的降落漏斗極易擴(kuò)展到邊界，所以抽水時(shí)的均衡式[15]為：

式中：uF—單位存儲(chǔ)量；Q旱—旱季開采量(m3/d)；t0—旱季水位開始平穩(wěn)下降的時(shí)間(d)；t1—旱季末時(shí)刻(d)；S0—旱季水位開始平穩(wěn)下降時(shí)對(duì)應(yīng)水位(m)；S1—旱季末時(shí)對(duì)應(yīng)水位(m)。

根據(jù)含水層厚度[16]和取水設(shè)備的能力，給出最大允許下降至Smax，查明整個(gè)旱季的時(shí)間t旱，則可計(jì)算最大開采量(Q開)。

煙臺(tái)市在歷經(jīng)2013—2016年4個(gè)枯水年后，2017年枯水期水位降至低值，2016—2017年內(nèi)夾河、外夾河基本干涸，缺少了河流的滲漏補(bǔ)給，加之無有效降水補(bǔ)給地下水，因此以2017年旱年水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[17]資料，選取該次計(jì)算的t0,t1,S0,S1，Q旱為水源地實(shí)際開采量，計(jì)算大沽夾河地下水水源地的uF值，再根據(jù)含水層厚度為限制條件(表3,圖4,圖5)，得出Smax，旱季時(shí)間選取除了4個(gè)月的雨季外的所有時(shí)間，最終計(jì)算保證整個(gè)旱季可持續(xù)開采的最大開采量(表4)。

表2 煙臺(tái)市供水水源地地下水水質(zhì)多年分析結(jié)果

圖3 南上坊水廠孔隙潛水地下水質(zhì)動(dòng)態(tài)曲線圖

位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)t0(年/月/日)t1(年/月/日)Δt(d)Q旱(萬m3/d)S0(m)S1(m)ΔS(m)uF(m3/m)外夾河上游東陌堂水廠2017/2/112017/3/26432.471.93.111.2187.78外夾河下游南上坊-西牟水廠2017/2/12017/7/211702.32-7.34-11.093.75105.17內(nèi)夾河上游合成革水廠2017/2/162017/6/161202.52.951.851.1272.73內(nèi)夾河下游芝陽(yáng)水廠2017/1/12017/6/11511.78-11.2-164.856.00

1—芝陽(yáng)水廠地下水水位動(dòng)態(tài)曲線；2—合成革水廠地下水水位動(dòng)態(tài)曲線；3—降水量柱狀；4—芝陽(yáng)水廠開采量柱狀；5—合成革水廠開采量柱狀圖4 芝陽(yáng)、合成革水廠2017年水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)曲線

1—東陌堂水廠地下水水位動(dòng)態(tài)曲線；2—西牟水廠地下水水位動(dòng)態(tài)曲線；3—降水量柱狀；4—東陌堂水廠開采量柱狀；5—西牟水廠開采量柱狀圖5 東陌堂、西牟水廠水廠2017年水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)曲線

位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)uF(m3/m)含水層厚度(m)Smax(m)t旱(d)Q開(萬m3/d)外夾河上游東陌堂水廠87.782072432.53外夾河下游南上坊-西牟水廠105.172172433.03內(nèi)夾河上游合成革水廠272.731552435.61內(nèi)夾河下游芝陽(yáng)水廠56.0020102432.30

3.2 計(jì)算雨季補(bǔ)給量

計(jì)算雨季補(bǔ)給量，地下水雨季補(bǔ)給量除保證雨季開采外，多余部分補(bǔ)償旱季借用的儲(chǔ)存量，引起水位回升。根據(jù)開采量，求出回升速率ΔH/Δt，再根據(jù)雨季時(shí)間，計(jì)算出雨季補(bǔ)給量。

外夾河流域2017年7月降水量200mm，8月降水量達(dá)245mm，2個(gè)月降水量占全年降水量的73%，經(jīng)過7—8月的降水集中補(bǔ)給后，地下水水位迅速回升，已完全補(bǔ)充枯水期消耗的儲(chǔ)存量。如東陌堂水廠2017年8月6日，水位回升至6.25m，比水位開始下降前的初始水位4.30m，升高了1.95m；內(nèi)夾河流域2017年7月降水208mm，8月降水量為233mm，2個(gè)月降水量為全年降水量的71.77%。經(jīng)過7—8月的降水，水位回升至水位下降之前，完全補(bǔ)充枯水期消耗量。如芝陽(yáng)水廠2017年9月21日，水位回升至-9.60m，比水位開始下降前的初始水位埋深-11.20m，升高了1.60m。這也說明了松散巖類孔隙含水層的調(diào)蓄功能[18]和強(qiáng)滲透性能，以及迅速的補(bǔ)給、恢復(fù)能力。因此選取雨季補(bǔ)給期為122天，計(jì)算出雨季補(bǔ)給量(表5)。

3.3 評(píng)價(jià)可開采量

根據(jù)表6計(jì)算結(jié)果，確定地下水可開采量。若Q補(bǔ)≥Q開，則選取Q開為允許開采量；若Q補(bǔ)≤Q開，則選取Q補(bǔ)為允許開采量。

表5 補(bǔ)給量計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

表6 評(píng)價(jià)可開采量及結(jié)果(萬m3/d)

由計(jì)算結(jié)果，可以看出東陌堂水廠、芝陽(yáng)水廠、合成革水廠仍具有開采潛力，南上坊-西牟水廠目前處于超采狀態(tài)。其主要原因是煙臺(tái)市政府對(duì)大沽夾河供水水源地的管理、涵養(yǎng)保護(hù)工作非常重視[19]，各級(jí)主管部門加強(qiáng)了有關(guān)水政法律法規(guī)的執(zhí)行力度和對(duì)水資源的監(jiān)管力度，地下水開采量明顯減少，修建各種水利設(shè)施，大力提倡利用地表水、海水及中水，有效地遏制了超量開采地下水[20]，使地下水資源得到一定程度地補(bǔ)給。

4 結(jié)論

(1)煙臺(tái)市大沽夾河地下水水源地均分布于河流兩岸，主要為第四系松散巖類孔隙水，地下水的形成單元與地表水流域分布基本一致。主要在排泄區(qū)或下游地段形成了多個(gè)小到中型集中供水水源地。

(2)降水量的變化特征基本決定了地下水水位變化，水位升降與降水量大小成正相關(guān)。同時(shí)，水位動(dòng)態(tài)亦受人工開采的影響，其升降與開采量的大小成逆相關(guān)。另外，河水水位對(duì)水源地地下水位也有一定影響。

(4)經(jīng)評(píng)價(jià)，確定東陌堂水廠允許開采量為2.53萬m3/d，南上坊-西牟水廠允許開采量為1.77萬m3/d，合成革水廠允許開采量為5.33萬m3/d，芝陽(yáng)水廠允許開采量為2.30萬m3/d。

(5)大沽夾河地下水水源地大部分都采取了限制開采和涵養(yǎng)補(bǔ)源的保護(hù)措施，除南上坊-西牟水廠外，均有開采潛力。