張航飛，余紹文，符尤隆，王曉林，吳多譽，符廣卷

（1.四川省地質礦產勘查開發(fā)局二零七地質隊，四川樂山 614000；2.海南省地質調查院，?？?570206；3.海南省地質綜合勘察院，?？?570206；4.中國地質調查局武漢地質調查中心，武漢 430205；5.海南省海洋地質資源與環(huán)境重點實驗室，?？?570206）

近年來，隨著城市人口的不斷增加和城市工業(yè)經濟的快速發(fā)展，對水資源的需求量日益增加，特別是對于在特枯年、連續(xù)干旱年或者污染事件突發(fā)時的供水問題更為嚴峻[1]。地下水作為極為寶貴的資源，是人類生活飲用水和工農業(yè)用水的最后保證[2]，而建立城市應急地下水源地，有利于提高應對水資源危機事件的供水保障能力[3]。自1980年以來，三亞地區(qū)基本每10年出現(xiàn)一次較嚴重的干旱情況。據海南省水資源公報，2015年海南省總供水量45.84億立方米，其中地表水源供水量42.95億立方米，占總供水量的93.7%。在現(xiàn)有供水模式下，季節(jié)性干旱、突發(fā)事件引起的供水緊張是三亞乃至海南長期面臨的問題[4]。三亞市目前尚未建立地下水應急供水系統(tǒng)，供水安全保障程度低，積極查找地下水應急供水水源地，建立和不斷完善應急供水系統(tǒng)已迫在眉睫[5]。

紅塘灣機場是三亞市正在修建的海上機場，位于紅塘灣近海域，距離岸邊約4公里，距離市中心約35公里，是“一帶一路”倡議實施的國家重點工程[6]，規(guī)劃建成的三亞海上新機場將成為東盟乃至亞太地區(qū)的區(qū)域性國際樞紐航空港。

目前，三亞市地下水以分散開采為主，但各地區(qū)富水性差別較大，除了濱海堆積平原、沖洪積平原地區(qū)相對豐富外，其它地區(qū)含水巖組富水性總體較為貧乏；特別是塊狀基巖分布區(qū)，地下水分布不均勻，無集中供水意義，只能作為農村居民及小型農業(yè)企業(yè)的分散供水。據三亞地區(qū)環(huán)境地質綜合調查資料成果，發(fā)現(xiàn)紅塘灣一帶新近系松散-半固結巖類孔隙承壓水的富水性為中等，可進一步開發(fā)成為應急供水地下水源地。

近年來，應急水源地的研究主要集中在應急水源地的選址、保護、應急供水模式等方面[7]。已開采水源地的評價方法主要有補償疏干法、相關外推法、降落漏斗法和數值法等[8-14]，而對未開發(fā)富水地段則主要進行允許開采量及應急最大可開采量的評價，以應急時限的最大可采量作為應急供水量，評價方法主要有比擬法評價、開采模數比擬法、降水入滲系數比擬法及補給面積比擬法等[15]。三亞地區(qū)尚屬應急地下水源地論證評價和開采利用空白區(qū)，本文從水質、應急開采時限、環(huán)境危害、應急地下水可采資源量等方面對紅塘灣應急地下水源地開展評價，將對保障三亞紅塘灣海上新機場供水安全和應對區(qū)內季節(jié)性干旱起到很好的支撐作用。

1 研究區(qū)水文地質條件概況

研究區(qū)位于三亞紅塘灣沿海一帶，面積約4.5 km2，東與天涯鎮(zhèn)相連，西至文昌村、示惡村，南側為三亞新建海上機場（圖1）。區(qū)內為一新近系承壓水小盆地，主要賦存的地下水類型包括上部的第四系松散巖類孔隙潛水、中部的松散-半固結巖類孔隙承壓水和下部的塊狀基巖裂隙水。本次選取的應急地下水源地論證對象為松散-半固結巖類孔隙承壓水，是水源地主要開采對象。

圖1 紅塘灣應急地下水源地水文地質略圖及A-A′水文地質剖面圖Fig.1 Hydrogeological sketch map of emergency groundwater field and A-A’ hydrogeological section in the Hongtang Bay

第四系松散巖類孔隙潛水分布于整個研究區(qū)地表，含水層厚0.6~4.57 m，隨水位埋深由北往南厚度增大，水位埋深2.65~4.28 m；含水層巖性主要為細砂和中砂，較為松散，民井涌水量20~56 m3/d，水量貧乏。

松散-半固結巖類孔隙承壓水分布于整個紅塘灣承壓水盆地，頂板埋深約19.75~60.15 m，含水層厚度2.07~44.8 m，含水層巖性為含黏土礫砂、含礫黏土質砂、中粗砂、碎石土等。含水層富水性存在一定差異，北部含水層富水性中等，涌水量為79~158 m3/d；南部至海邊，含水層富水性中等-好，涌水量360~453 m3/d。

塊狀基巖裂隙水分布于研究區(qū)松散-半固結巖類孔隙承壓含水層之下，頂板埋深85.6~114.0 m且有向海邊逐漸增大的趨勢，水量貧乏。

第四系松散巖類孔隙潛水主要接受大氣降水入滲補給，次為水庫河流等地表水體入滲、灌溉溝渠滲漏以及盆地邊外部地下水流的側向滲流補給。松散-半固結巖類孔隙承壓水主要接收上部潛水越流補給，潛水與承壓水間的隔水層薄，隔水層巖性為粉質黏土、含礫粉質黏土、黏土質砂等，潛水位相對高于承壓水位，在水頭差作用下，越流補給承壓水。在盆地邊緣地帶，基巖裂隙水以側滲方式補給承壓水。承壓水向南往海里徑流排泄及向下層基巖裂隙水和上層松散巖類孔隙潛水越流排泄；另外，人工開采是區(qū)內承壓水重要的排泄方式之一。

2 論證方法

研究區(qū)應急地下水源地論證方法總體上按以下順序進行：

（1）水質評價：評價水源地及周邊地下水水質是否適合作為集中供水水源。地下水質量評價標準采用《地下水水質標準》（DZ/T0290-2015）[16]。評價方法采用單項指標評價，不同地下水水質類別的指標限制相同時，從優(yōu)不同劣，單項指標評價的結果按最高類別確定[17]。

（2）地下水資源量計算：包括天然補給資源量和可采資源量的計算。采用斷面流量法計算天然補給資源量；根據區(qū)內孔隙承壓水導水性不同分兩個區(qū)，采用布井法計算可采資源量[15]。

（3）論證應急開采控制降深：根據水源地水文地質鉆孔抽水資料，確定應急可采降深；論證可采降深是否能保證出水量及不誘發(fā)環(huán)境地質問題。

（4）確定應急開采時限：紅塘灣應急地下水源地主要服務于季節(jié)性干旱期以及突發(fā)事件期紅塘灣新建機場應急供水，根據季節(jié)性干旱持續(xù)時間設定水源地應急開采時限[18]。

（5）應急水源地保障程度分析：分析不同應急等級時，水源地在應急期內可滿足供水人數。

3 論證結果

3.1 水質評價

根據鉆孔及民井采集水質樣品分析結果，水源地及周邊地區(qū)的松散-半固結巖類孔隙承壓水水質質量為Ⅴ級，超標組分為鐵、錳及微生物指標。其中鉆孔SK1的5類超標項目有總Fe含量為4 mg/L、總大腸菌群230個/L，4類超標項目有總Mn含量為0.21 mg/L、細菌總數520個/L；鉆孔SK2的5類超標項目有總Fe含量為6 mg/L，4類超標項目有總Mn含量為0.14 mg/L。盆地邊界外承壓含水層水樣有總鐵超標（總Fe含量為2.5 mg/L），或指示水源地盆地內總鐵一部分來源于邊界外（隨地下水流入）。同時，第四系松散巖類孔隙潛水水質質量為Ⅲ級，適合用于集中式生活飲用水及工業(yè)用水，因此潛水含水層越流補給承壓含水層不會引起水質污染。目前市場水質除鐵、錳裝備齊全，效果較好[19]，故該水源地的地下水經過除鐵、錳和煮開后，可作為集中式生活飲用水水源。

3.2 水文地質參數

研究區(qū)承壓水井抽水試驗為單孔穩(wěn)定流抽水?？紤]到抽水井井損較大，利用抽水井1~3次降深數據，對井損進行計算（表1）。經鉆孔抽水試驗數據計算[20]，松散-半固結巖類孔隙承壓水含水層滲透系數K介于0.42~5.30 m/d。導水性中等區(qū)分布于水源地南部，導水系數52.93~68.86 m2/d，平均值T=62 m2/d；導水性弱區(qū)分布于水源地北部，導水系數10.50~20.52 m2/d，平均值T=15 m2/d（圖2）。計算可得，研究區(qū)的越流因數B=76.9 m，貯水系數S=0.0081（表1）。

表1 紅塘灣應急地下水源地鉆孔抽水試驗成果表Table 1 Results of borehole pumping test of emergency groundwater field

3.3 天然補給資源量

水源地目的開采層為新近系松散-半固結巖類孔隙承壓水，天然補給資源量采用斷面流量法計算[21]，得出紅塘灣應急水源地天然補給資源量為2739 m3/d（圖2 和表2）。

表2 紅塘灣應急地下水源地天然補給資源量斷面法計算結果表Table 2 Calculation results of groundwater natural resources by the cross section method

3.4 可采資源量

3.4.1 水文地質計算模型概化

根據研究區(qū)內孔隙承壓含水層導水性不同分兩個區(qū)進行計算。

①邊界條件：承壓水分布范圍及南側海岸線構成邊界。

②含水層：假定為均質各向同性，越流因子B=76.9 m，貯水系數S＝0.0081；水源地北部弱導水性區(qū)T1=15 m2/d；水源地南部導水性中等區(qū)T2=62 m2/d（圖2）。

圖2 紅塘灣地下水源地導水系數分區(qū)及布井位置Fig.2 Division zone of transmissibility coefficient and well location of the groundwater field

③水頭控制條件：南部邊界承壓水頭值高于海平面，設定群井抽水不能造成海岸線處地下水位明顯下降，從而引發(fā)環(huán)境地質問題。

④可采控制降深：區(qū)內鉆孔抽水試驗水位降深5.6~10.91 m，區(qū)內水位埋深2.06~12.58 m，含水層頂板埋深19.75~60.15 m（表3）。設定可采控制降深在含水層頂板以上，同時考慮井損影響和群井抽水降落漏斗范圍不影響到海岸線附近，計算可得可采控制降深10 m（表3）。

表3 紅塘灣應急水源地水文地質鉆孔涌水量表Table 3 Calculation results of water inflow based on hydrogeological borehole data

⑤計算對象：研究區(qū)基巖裂隙水和松散巖類孔隙潛水水量較貧乏，現(xiàn)階段不建議開采，故本次僅考慮松散-半固結巖類孔隙承壓水的可采資源量，同時承壓含水層可采資源量計算是基于潛水含水層越流補給的條件下。

3.4.2 研究區(qū)可采資源量采用布井法計算

由于導水性弱區(qū)和中等區(qū)的富水性差別大，分別計算兩個區(qū)塊的開采量再相加（圖2）。導水性弱區(qū)單孔涌水量79~158 m3/d，統(tǒng)一200 mm口徑和10 m降深后涌水量為151 ~ 170 m3/d，說明導水性弱區(qū)設計單井開采量取150 m3/d是有保證的；導水性中等區(qū)單孔涌水量360 ~ 453 m3/d，統(tǒng)一200 mm口徑和10 m降深后涌水量615 ~ 1015 m3/d。由于導水性中等區(qū)南臨海岸線，考慮其抽水量過大可能會引起海水的回灌[24]，故導水性中等區(qū)設計單井開采量取500 m3/d是有保證的（表3）。

根據越流系統(tǒng)井函數計算不同條件下的降深[23]，計算公式為：

將水源地新近系松散-半固結巖類孔隙承壓水T、B代入式中，分別試算出導水性弱區(qū)和中等區(qū)單井開采量150 m3/d、500 m3/d，不同距離處的降深值（表4）。

根據試算結果（表4），在考慮越流影響的情況下，當導水性弱區(qū)單井開采量為150 m3/d時，其在距離600 m、300 m和200 m處引起的降深分別約0.0003 m、0.0199 m 和0.0882 m，基本可以忽略其影響；在開采井中心引起的降深約10.77 m，根據井損計算公式可得井損降深最大值約4 m[25]，實際最大降深14.77 m。當導水性中等區(qū)單井開采量500 m3/d時，其在距離600 m和300 m處引起的降深分別約0.0003 m和0.016 m，基本可以忽略其影響；在開采井中心引起的降深約8.68 m，井損降深最大值約0.9 m，實際最大降深9.58 m?？紤]井群干擾的條件下對開采降深進行預測，降深中心在第1行第3列開采井處，開采井中心最大降深在14.77 m左右，區(qū)內水位埋深9.17~12.58 m，含水層頂板埋深19.75~28.12 m，大部分地區(qū)開采井中心的承壓水位低于承壓含水層的頂板埋深，或導致含水層頂板破壞。調整導水性弱區(qū)單井開采量至80 m3/d（表4），開采井中心最大降深約為6.88 m，開采井中心的承壓水位均低于承壓含水層的頂板埋深，地下水開采后不會形成區(qū)域降落漏斗，僅在開采井附近形成小的降落漏斗；降深中心在第2行第5列開采井處，開采井中心最大降深約9.58 m，區(qū)內水位埋深2.06~11.50 m，含水層頂板埋深24.36~60.15 m（表3），地下水開采后井中心承壓水位高于承壓含水層的頂板埋深，抽水后不會形成區(qū)域降落漏斗；群井抽水引起海岸線承壓含水層降深值S＜0.0161+0.0003×6+0.0199+0.0003×4＝ 0.039 m，降深值可以忽略不計。海岸線一帶承壓含水層頂板埋藏較深，隔水層厚度大，潛水補給量極小，地下水開采不會對海岸線附近潛水含水層造成影響，也不會造成海水倒灌。局部地區(qū)開采后井中心承壓水位（SK2-0.83 m）降至海平面以下，但由于布井點離海岸線距離大于500 m，承壓水含水層頂板黏土層較厚（圖1），潛水越流補給量相對較小，對潛水水位影響不大，同樣不會引起海水入侵；井間距為600 m，在群井抽水時，開采井干擾引起的水位降深值小于0.01 m，可忽略不計，不存在水量折減。

表4 紅塘灣應急地下水源地承壓水不同開采條件下降深試算表Table 4 Drawdown trial calculating of confined water under diあerent mining conditions

紅塘灣應急地下水源地若采用集中布井方式長期開采地下水[26]，在一定范圍內容易形成降深較大的降落漏斗，引發(fā)環(huán)境地質問題；且由于開采井之間距離較近，水量消減作用也較大[27]。因此，水源地宜采用網格布井方式，井徑200 mm。紅塘灣應急地下水源地共可布兩排井，水源地導水性弱區(qū)布一排，井間距600 m，鑒于抽水降落漏斗不影響到盆地北界線，盆地邊界200 m范圍內不布井，共布井個數5口。導水性中等區(qū)可布一排，井間距600 m，鑒于抽水降落漏斗不影響到海岸線，故海岸線300 m范圍內不布井，共布井個數7口。以上共計可布12口井，兩排井間距350 m（圖2）。

上述布井方案的群井抽水不會形成區(qū)域降落漏斗及引發(fā)海水倒灌，計算得到研究區(qū)新近系松散-半固結巖類孔隙承壓水應急開采量Q=80×5+500×7 ＝ 3900 m3/d。

4 討論

4.1 應急保障程度分析

海南島旱季一般為11月至翌年4月，旱期一般不超過半年[28]；突發(fā)事件引發(fā)的斷水一般不超過1個月。據此，根據季節(jié)性干旱持續(xù)時間以及可采資源量計算結果，將本水源地應急開采時限設定為3個月。在應急期內總地下水資源可開采量約3.51×105m3，能保證紅塘灣新建機場約5.2萬人3個月的應急供水需要；在海岸線一帶引起的水位降深小于0.039 m，不會引起環(huán)境地質問題（表5）。

表5 紅塘灣應急地下水源地應急保障人數計算表Table 5 The people number of emergency guarantee for the emergency groundwater field

紅塘灣應急地下水源地天然補給資源量為2739 m3/d，應急開采量為3900 m3/d，超采量1161 m3/d，在3個月應急期內總超采量1.05×105m3。根據研究區(qū)面積和貯水系數結果計算可知，當地下水總體下降2.9 m，釋放的儲存量為1.06×105m3即可滿足開采需要。若不考慮天然補給資源量，也不考慮應急開采期內越流補給與弱透水層的彈性釋水，開采量主要消耗儲存量，則總體下降9.7 m，釋放的儲存量為3.54×105m3即可滿足開采需要。當地下水停采后最多5個月可恢復至開采前的水位，故計算得到的可采資源量是有保證的。

4.2 開發(fā)利用與保護對策

將紅塘灣應急地下水源地作為紅塘灣海上新建機場后備取水點，既方便取水、節(jié)約成本，又能起到應急效果；同時，紅塘灣應急地下水源地含水層結構變化不大、埋深較淺。在勘探階段，水源地僅需選取有代表性的2-3個區(qū)段，開展長期群孔干擾抽水，并同步監(jiān)測邊界處的水位、水質變化情況，以論證資源量和預測地下水環(huán)境變化。預計水源地勘探井、開采井多為100 m淺井，投入的勘探、施工成本低。為取得較好單井出水量，紅塘灣應急地下水源地開采井管直徑不應小于200 mm，開采井用管材應具有一定的防腐性；開采井在正常使用一段時間后，不可避免地會有砂層在井內沉淀或堵塞濾水管的情況[29]，因此選擇的井管要耐用而且便于后期維護。建議開采井套管選用高防腐性、高強度的涂塑管，濾管選用雙層預填礫管，外層為鍍鋅繞絲管，內層為鍍鋅橋式濾管，中間預填充好相應規(guī)格的礫料。

如上所述，為防止海水和其它污染物的入侵，水源地地下水開采應避免在局部范圍形成降落漏斗，故推薦采用均勻排井的方式進行開采，井間距建議600 m，距離海岸線安全距離不小于300 m，最大應急開采時限3-6個月。建議開采井控制降深為10 m，緊急情況下可降至含水層底板以獲得最大出水量，但在水源地勘探階段應充分考慮其影響，并提出應對措施。水源地建成后，在有可能引發(fā)環(huán)境地質問題的地段布置監(jiān)測井，進行水位、水質數據的實時采集，并建立預警聯(lián)動機制；一旦相關指標逼近警戒值并有持續(xù)上升的趨勢，應立即暫停開采，甚至關閉部分取水井，以避免引發(fā)水源地污染[9]。

5 結論

（1）紅塘灣應急地下水源地開采對象主要為松散-半固結巖類孔隙承壓水，地下水在經過處理鐵、錳等超標組分后，可作為集中式生活飲用水水源，天然補給資源量為2739 m3/d。

（2）紅塘灣應急地下水源地設計可采控制降深10 m和應急開采量3900 m3/d，不會引發(fā)環(huán)境地質問題，停采后最多5個月可恢復至開采前的水位。