張 巖，劉 彥，毛 磊，龔緒龍，葉淑君，劉 源，李 進(jìn)

(1.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210049；2.國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210049；3.南京大學(xué)，江蘇 南京 210018)

1 研究背景

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，突發(fā)性污染造成的水源危機(jī)事件頻發(fā)，2005年吉林松花江受到苯類化合物污染事件、2007年太湖藍(lán)藻事件、2014年蘭州自來水苯含量超標(biāo)等，造成供水系統(tǒng)能力大幅下降甚至癱瘓[1]，給國民經(jīng)濟(jì)和居民生活造成較大影響。江蘇沿海地區(qū)供水水源以地表水為主，擁有兩個(gè)以上相對(duì)獨(dú)立的地表水源地或應(yīng)急備用水源地的市(縣)還比較有限，易引發(fā)供水危機(jī)，因此建設(shè)應(yīng)急水源地勢在必行。

江蘇沿海地區(qū)深層地下水量豐質(zhì)優(yōu)，單井涌水量多為2 000～3 000 m3/d，部分地區(qū)大于3 000 m3/d；現(xiàn)有的3 700眼深井也為地下水應(yīng)急水源地建設(shè)提供了有利條件，因此沿海地區(qū)完全具備了建立地下水應(yīng)急水源地的基本條件。然而地下水具有資源與地質(zhì)環(huán)境雙重屬性，過量開采易引發(fā)地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問題。大量研究表明：地下水過量開采是引起區(qū)域性地面沉降的主要原因[2-3]，在我國中東部地區(qū)的上海、天津、江蘇、河北等17個(gè)省市均發(fā)生了地面沉降，至2012年底，沉降量超過200 mm的區(qū)域面積超過90 000 km2[4-9]。江蘇省尤以蘇錫常地區(qū)最為典型，近年來沿海地區(qū)不少區(qū)域也出現(xiàn)了地面沉降，形勢較為嚴(yán)峻。因此在地面沉降約束條件下合理開發(fā)利用地下水，是江蘇沿海地區(qū)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的前提和保障。

本文以南通濱海新區(qū)為例，按照“安全、資源、環(huán)境”三位一體的總體思想，遵循優(yōu)水優(yōu)用、開發(fā)與保護(hù)并重等原則，開展地下水應(yīng)急水源地的規(guī)劃與地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測，完善供水水源格局，以提升港區(qū)應(yīng)急供水保障能力，為江蘇沿海其他地區(qū)開展地下水應(yīng)急水源地建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)與示范。

2 研究區(qū)概況

江蘇省南通濱海新區(qū)(以下簡稱“濱海新區(qū)”)隸屬南通市，區(qū)位優(yōu)勢獨(dú)特。轄區(qū)總面積約585 km2，陸域范圍約292 km2，包括如東、通州、海門3地的部分地區(qū)，具體范圍見圖1，區(qū)域遠(yuǎn)景規(guī)劃控制總面積約為820 km2。2013年常住人口13.2×104人，2020年規(guī)劃人口30×104，2030年規(guī)劃人口70×104。

2.1 地下水資源概況

濱海新區(qū)位于長江下游地下水系統(tǒng)，地下水類型以松散巖類孔隙水為主，自上而下可劃分為潛水、第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承壓含水層組。地下水的埋藏與展布受到古地理環(huán)境、古河流的水動(dòng)力條件、所帶物質(zhì)豐富程度以及第四紀(jì)海進(jìn)海退的影響，地下水富水性和水質(zhì)差異較大。潛水和第Ⅰ、Ⅱ承壓水多為咸水，開發(fā)利用較少，第Ⅲ、Ⅳ承壓水主要為淡水，為該地區(qū)的主采層。

(1)第Ⅲ承壓含水層組。該含水層組頂板埋深一般180～210 m，巖性以中細(xì)砂、粉細(xì)砂為主，砂層厚度呈現(xiàn)南厚北薄趨勢，濱海新區(qū)南部砂層厚度一般40～60 m，北部砂層厚度一般20～40 m。標(biāo)準(zhǔn)單井涌水量一般1 000～3 000 m3/d，三余鎮(zhèn)一帶單井涌水量大于3 000 m3/d(圖1)。水質(zhì)為TDS小于1 g/L的淡水，水化學(xué)類型主要為HCO3·Cl—Na型。

(2)第Ⅳ承壓含水層組。該含水層組地層屬于新近紀(jì)上新統(tǒng)，頂板埋深一般280～300 m，濱海新區(qū)南部巖性以含礫中砂、細(xì)中砂、中砂為主，北部巖性以含礫中細(xì)砂為主，砂層厚度一般20～60m。該含水層組富水性好，三余鎮(zhèn)一帶標(biāo)準(zhǔn)單井涌水量3 000～5 000 m3/d(圖2)，三余鎮(zhèn)南北兩側(cè)標(biāo)準(zhǔn)單井涌水量2 000～3 000 m3/d。水質(zhì)一般為TDS小于1 g/L的淡水，水化學(xué)類型主要為HCO3—Na、HCO3—Na·Ca型。

(3)地下水水質(zhì)情況。本文采集了濱海新區(qū)Ⅲ承壓水樣6組、Ⅳ承壓水樣3組，按照《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)進(jìn)行生活飲用水水質(zhì)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：第Ⅲ、Ⅳ承壓含水層水質(zhì)普遍較好，僅局部地區(qū)鐵、Cl-、Na+含量超過生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，其他指標(biāo)均符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過簡單的處理，第Ⅲ、Ⅳ承壓水均可作為應(yīng)急供水的水源。

2.2 供水現(xiàn)狀

濱海新區(qū)的生活供水通過區(qū)域供水管網(wǎng)供給，水源為長江水，并通過疏浚九圩港-遙望河和通呂運(yùn)河-團(tuán)結(jié)河兩條引江通道，補(bǔ)充濱海新區(qū)的淡水資源。擬建東凌平原水庫(總庫容2600×104m3)近期蓄集淡水，遠(yuǎn)期作為備用水源，同時(shí)將遙望港東側(cè)海洋旅游度假區(qū)內(nèi)湖體(面積4.6 km2)作為備用水庫，提高供水保障能力。地下水主要用于水產(chǎn)品公司的工業(yè)用水，共有深井13眼。

3 地下水應(yīng)急水源地規(guī)劃方案

目前南通濱海園區(qū)供水水源以地表水為主，地下水開采量較少，約36×104m3/a，主要作為工業(yè)用水。本文主要考慮最為極端的情況，即發(fā)生突發(fā)性事件或極端性氣候事件，常規(guī)供水水源已無法供水，全部需由地下水保障供水。

3.1 地下水應(yīng)急保障目標(biāo)

(1)應(yīng)急供水目標(biāo)。應(yīng)急需水量Q=人口×應(yīng)急供水定額×(1+三產(chǎn)系數(shù))×(1+漏損系數(shù))

其中人口數(shù)根據(jù)港區(qū)遠(yuǎn)期規(guī)劃70×104人口以及港區(qū)作為通過能力超10×108t深水大港的物流人口約1×104人進(jìn)行估算，人均每天供水定額為80 L[10]，“三產(chǎn)系數(shù)”取0.2，漏損系數(shù)取0.15[11]。

經(jīng)計(jì)算，濱海新區(qū)應(yīng)急需水量為7.84×104m3/d。

(2)應(yīng)急供水持續(xù)時(shí)間。從最近20多年來我國縣級(jí)以上城市水污染事件導(dǎo)致供水中斷的情況來看，供水中斷24 h，影響人口超過20×104的事故大約有12起(表1)，停供天數(shù)一般為1～7 d，極個(gè)別事故停水超過10 d。江蘇省政府于2012年作出要求，所建立的“備用水源地”最少需要滿足7 d以上的居民生活用水需求。參照《江蘇省飲用水水源地安全保障規(guī)劃》，根據(jù)發(fā)生水資源突發(fā)事件的等級(jí)、應(yīng)急供水的需求等，本次規(guī)劃應(yīng)急供水時(shí)間為3、7、15 d。

3.2 地下水應(yīng)急供水方案

結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件，綜合對(duì)比含水層富水性條件、水質(zhì)、地下水調(diào)節(jié)能力、恢復(fù)能力以及經(jīng)濟(jì)成本等原則，選定第Ⅲ承壓含水層作為目標(biāo)層，圈定了開采井布置的靶區(qū)并設(shè)計(jì)了兩種布局方案。第Ⅲ承壓含水層單井涌水量若以2 500 m3/d計(jì)算，則至少需要新增深井32眼，供水總量達(dá)8×104m3/d，可滿足濱海新區(qū)應(yīng)急供水需求。

方案1：將新建的Ⅲ承壓開采井均布置在富水性最好的三余鎮(zhèn)，作為集中開采區(qū)。在應(yīng)急狀態(tài)下采用集中式供水方式，便于調(diào)度也可簡化供水管線及相關(guān)水質(zhì)處理設(shè)備的復(fù)雜程度。開采井布設(shè)如圖3(a)所示。

方案2：將Ⅲ承壓開采井均勻地分布在富水條件較好的3個(gè)區(qū)域，三余鎮(zhèn)(12眼)、大豫鎮(zhèn)東側(cè)(10眼)和西側(cè)(10眼)，在應(yīng)急條件下能分片區(qū)對(duì)濱海新區(qū)進(jìn)行應(yīng)急供水，開采井分布如圖3(b)所示。

圖1第III承壓含水層富水性分區(qū)圖(單位：m3/d) 圖2第IV承壓含水層富水性分區(qū)圖(單位：m3/d)

表1 近年來重大突發(fā)事件導(dǎo)致停水時(shí)長統(tǒng)計(jì)

圖3 方案1、方案2開采井布設(shè)圖

4 地下水應(yīng)急水源地評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測

在應(yīng)急狀態(tài)下，需要短時(shí)間內(nèi)集中、高強(qiáng)度的開采地下水，易引發(fā)地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問題。評(píng)估應(yīng)急開采地下水過程中產(chǎn)生的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，既可判斷地下水應(yīng)急水源地建設(shè)的合理性，也可有效將產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害的影響程度降到最小，為地下水應(yīng)急水源地保護(hù)方案提供依據(jù)。因此本次以濱海新區(qū)為范圍，構(gòu)建了三維地下水流-地面沉降耦合模型，模擬預(yù)測與評(píng)估應(yīng)急供水條件下地下水開采可能對(duì)地質(zhì)環(huán)境造成的影響。

4.1 耦合模型的構(gòu)建

(1)模型概化與離散。研究區(qū)垂向模擬深度為500 m，根據(jù)含水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(潛水、第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承壓含水層組和相應(yīng)的弱透水層)自上而下共概化為9層，按矩形剖分共剖為84 284個(gè)有效單元。重點(diǎn)模擬主采層第Ⅲ、Ⅳ承壓含水層，含水層和弱透水層表現(xiàn)明顯的非均質(zhì)各向異性，各含水層之間均通過弱透水層發(fā)生水力聯(lián)系。側(cè)向邊界均為行政區(qū)劃的人為邊界，邊界上有觀測孔的地段，作為已知水頭邊界，其他均為流量邊界；頂部邊界概化為一類邊界，根據(jù)第Ⅰ承壓水位統(tǒng)計(jì)給出，底部為隔水邊界。區(qū)內(nèi)地下水開采為唯一的排泄方式，保留區(qū)域已有開采井，需新打的32眼開采井按圖3的方式布設(shè)。

土層變形概化：根據(jù)區(qū)域地面沉降特征分析，土層變形概化為一維垂向彈塑性沉降模型。此外，在沉降模擬中需考慮變形滯后的問題[12-13]。

(2)數(shù)學(xué)模型。區(qū)域三維地下水流模型和一維沉降模型具體用數(shù)學(xué)模型(1)[13]來描述，兩者為顯式耦合關(guān)系，即采用數(shù)值方法模擬計(jì)算時(shí)，每個(gè)時(shí)段先通過三維地下水流模型計(jì)算出水頭，然后將水頭值的變化代入一維沉降模型計(jì)算土層的變形量。該模型采用有限差分法進(jìn)行求解，用GMS軟件中MODFLOW模塊求解水流模型，用SUB模塊求解沉降模型。

(1)

式中：Ω為滲流區(qū)域；h為水位標(biāo)高，m；K為滲透系數(shù)，m/d；w為含水層的源匯項(xiàng)，d-1；h0為初始水位，m；SS為儲(chǔ)水率，m-1；Г1為滲流區(qū)域的一類邊界；Г2為滲流區(qū)域的二類邊界；Kn為二類邊界界面法線方向的滲透系數(shù)，m/d，n為二類邊界邊界面的法線方向；Δb為變形量，m；b為土層厚度，m；Ssk為骨架儲(chǔ)水率，m-1(當(dāng)水位低于前期最低水位時(shí)，該參數(shù)為Sskv為非彈性骨架儲(chǔ)水率，當(dāng)水位高于前期最低水位時(shí)，該參數(shù)為Sske為彈性骨架儲(chǔ)水率)[13]。

(3)模型的識(shí)別與驗(yàn)證。本文選取模擬時(shí)間為2005-2013年，1個(gè)季度為1個(gè)時(shí)間步長，將整個(gè)時(shí)間段離散為36個(gè)時(shí)間步長。各含水層的初始水位由實(shí)測所得，設(shè)定初始沉降量為0。水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)主要根據(jù)研究區(qū)巖性、古河道分布等進(jìn)行劃分，利用前人資料結(jié)合抽水試驗(yàn)資料等賦予初值，而土力學(xué)參數(shù)則由室內(nèi)試驗(yàn)獲得。圖4、5舉例說明了該模型的擬合精度?？傮w來看該模型的擬合精度較高，可以用于預(yù)報(bào)地下水開采引起的流場和地面沉降的變化。

圖4 驗(yàn)證期Ⅲ承壓地下水流場擬合圖(單位：m)

圖5 地面沉降計(jì)算值與實(shí)測值擬合圖

4.2 地下水應(yīng)急水源地風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測

利用上述識(shí)別驗(yàn)證的數(shù)值模型，以2013年12月底作為計(jì)算初始時(shí)刻，設(shè)置地面沉降量初值為0，將兩種方案的開采井分別布設(shè)到模型中進(jìn)行模擬計(jì)算。模型運(yùn)行時(shí)間為45 d，其中應(yīng)急開采時(shí)長為15 d，15 d后停止開采，模型繼續(xù)運(yùn)行30 d，用來模擬停采后區(qū)域的地下水位與地面沉降恢復(fù)情況。

(1)方案1預(yù)報(bào)結(jié)果。地下水應(yīng)急供水開始后，應(yīng)急開采井所在的區(qū)域地下水位快速下降且隨著應(yīng)急供水時(shí)間的增長，漏斗的范圍及漏斗中心的水位降深逐漸增大，而其他地方地下水流場變化不大。應(yīng)急供水15 d后，從區(qū)域第Ⅲ承壓地下水水位與地面沉降預(yù)測圖(圖6)可以看出，在三余鎮(zhèn)處形成比較明顯的地下水位降落漏斗，同時(shí)也產(chǎn)生了以三余鎮(zhèn)為中心的地面沉降現(xiàn)象，但未出現(xiàn)含水層疏干的情況。在應(yīng)急供水3、7、15 d后，漏斗中心三余鎮(zhèn)的水位分別為-32.62、-32.85、-33.24 m，地下水的水位變化量分別為0.47、0.7、1.09 m；地下水連續(xù)開采產(chǎn)生的累積地面沉降量分別為1.69、3.24、5.69 mm。當(dāng)應(yīng)急供水結(jié)束后，地下水位降落漏斗中心的水位快速回升，地面沉降出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。供水結(jié)束30 d后，地下水位恢復(fù)到-32.97 m，與初始水位僅相差0.82 m，地面沉降量回彈至3.91 mm(表2)，水位及地面沉降的變化量具體詳見圖7。

(2)方案2預(yù)測結(jié)果。在應(yīng)急供水開始后，地下水位持續(xù)下降，開采井所在的區(qū)域地下水位下降明顯。地下水連續(xù)開采15 d以后，從區(qū)域第Ⅲ承壓地下水水位與地面沉降預(yù)測圖(圖8)可以看出形成了三余鎮(zhèn)、大豫鎮(zhèn)東部兩個(gè)地下水位降落漏斗，并產(chǎn)生了地面沉降問題，形成了4個(gè)地面沉降漏斗區(qū)。在應(yīng)急供水3、7、15 d三余鎮(zhèn)地下水位分別為-32.54、-32.68、-33.16 m，地下水位的下降幅度分別為0.39、0.53、1.01 m；地下水開采引起的地面沉降漏斗中心的沉降量分別為1.65、3.03、5.69 mm；大豫鎮(zhèn)東部在應(yīng)急供水3、7、15 d后地下水水位分別為-23.7、-24.31、-25.05 m，相應(yīng)的下降幅度分別為0.82、1.43、2.17 m；而引起的地面沉降漏斗中心的累積沉降量分別為2.37、4.43、7.27 mm，詳見表2。

當(dāng)應(yīng)急供水結(jié)束后，地下水水位快速回升，地面沉降出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。停止供水30 d后，從區(qū)域第Ⅲ承壓地下水水位與地面沉降預(yù)測圖(圖9)可以看出，地下水位明顯回升，三余鎮(zhèn)地下水位漏斗面積減小，大豫鎮(zhèn)東部地下水位漏斗消失，而4個(gè)地面沉降漏斗區(qū)面積有所減小，沉降量有所回彈。供水結(jié)束后第5、10、30 d三余鎮(zhèn)的水位回升至-32.97、-32.88、-32.69 m，沉降量回彈至3.97、3.46、2.28 mm；大豫鎮(zhèn)東部水位回升至-24.48、-24.27、-23.8 m，沉降量回彈至4.92、4.17、2.73 mm(表2)。

本次規(guī)劃的應(yīng)急供水方案應(yīng)急周期為3～15 d，從兩個(gè)應(yīng)急方案的預(yù)測結(jié)果來看，在應(yīng)急供水開始后，僅會(huì)在開采井所在的區(qū)域產(chǎn)生地下水位降落漏斗和地面沉降的現(xiàn)象，如方案1僅在三余鎮(zhèn)產(chǎn)生地下水位漏斗，連續(xù)開采15 d后漏斗中心最深水位為-33.24 m，產(chǎn)生的最大沉降量為5.69 mm；方案2在三余鎮(zhèn)和大豫鎮(zhèn)東產(chǎn)生地下水位降落漏斗，連續(xù)開采15 d后產(chǎn)生的最大沉降量為7.27 mm，均小于10 mm/a的區(qū)域地面沉降防控目標(biāo)，基本不會(huì)造成區(qū)域性的環(huán)境地質(zhì)問題。

表2 兩種方案開采與停采含水層水位、地面沉降變化對(duì)比表

圖6 方案1應(yīng)急供水15d后第Ⅲ承壓含水層水位、地面沉降預(yù)測圖

圖7 方案1三余鎮(zhèn)沉降中心水位、沉降量變化圖

圖8 方案2應(yīng)急供水15d第Ⅲ承壓含水層水位、地面沉降預(yù)測圖

圖9 方案2停止供水30d第Ⅲ承壓含水層水位、地面沉降預(yù)測圖

在應(yīng)急供水結(jié)束后，地下水位快速回升，地面沉降出現(xiàn)回彈的現(xiàn)象，方案1在停止開采30 d后，三余鎮(zhèn)地面沉降回彈至3.91 mm，方案2三余鎮(zhèn)地面沉降回彈至2.28 mm，說明總體產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)很小，兩種地下水應(yīng)急供水方案均具有可行性。

5 結(jié) 論

(1)本次在南通濱海新區(qū)的水文地質(zhì)條件研究和應(yīng)急供水需求分析的基礎(chǔ)上，提出兩種應(yīng)急供水方案，將應(yīng)急開采井集中布設(shè)在三余鎮(zhèn)或?qū)?yīng)急開采井分別布設(shè)在三余鎮(zhèn)、大豫鎮(zhèn)東側(cè)和西側(cè)3處，兩種方案的應(yīng)急取水規(guī)模均可達(dá)8×104m3/d。

(2)利用GMS軟件建立了地下水流-地面沉降耦合模型，對(duì)兩種方案應(yīng)急供水產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行了模擬預(yù)測。模擬結(jié)果表明，兩種方案在運(yùn)行過程中僅在開采井所在區(qū)域產(chǎn)生了水位下降和地面沉降的問題，但含水層具有良好的恢復(fù)性，停止供水30 d后，地下水位基本可以恢復(fù)，地面沉降也有所回彈，同時(shí)應(yīng)急供水引起的最大地面沉降量小于10 mm/a的沉降控制指標(biāo)。兩種地下水應(yīng)急供水方案均切實(shí)可行，可為濱海新區(qū)地下水應(yīng)急水源地建設(shè)以及地下水資源合理開發(fā)利用與保護(hù)提供技術(shù)支撐。

(3)地下水開采一直是江蘇沿海地區(qū)地面沉降的主要影響因素，本次實(shí)現(xiàn)了南通濱海新區(qū)地下水-地面沉降耦合模擬，預(yù)測了地下水應(yīng)急開采條件下的地面沉降發(fā)展趨勢，后續(xù)可繼續(xù)開展以地面沉降為約束條件的地下水應(yīng)急開采布局調(diào)整，這將為沿海地區(qū)制定地面沉降約束條件下的地下水可持續(xù)利用方案提供很好的借鑒。

建議江蘇沿海地區(qū)充分發(fā)揮地下水資源應(yīng)急保障作用，加快推進(jìn)縣級(jí)以上城市地下水源地規(guī)劃與論證，因地制宜地選擇地下水應(yīng)急供水模式。同時(shí)建立地下水應(yīng)急水源地水位、水質(zhì)、地面沉降等地質(zhì)環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，及時(shí)掌握地下水水位、水質(zhì)及地面沉降動(dòng)態(tài)，以提升地下水應(yīng)急保障能力。