引用本文
李铎, 毕攀, 张可, 李政, 刘洋. 地下水应急水源地综合研究——以唐山市平原区为例[J].中国地质调查, 2022,9(6): 67-75.
LI Duo, BI Pan, ZHANG Ke, LI Zheng, LIU Yang. Comprehensive study on groundwater emergency sources: A case study of Tangshan plain area[J].Geological Survey of China, 2022,9(6): 67-75.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2022.06.09
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地下水应急水源地综合研究——以唐山市平原区为例
李铎1, 毕攀1, 张可1, 李政1, 刘洋2
1.河北地质大学 河北省水资源可持续利用与开发实验室,河北 石家庄 050031
2.河北省地质环境监测院,河北 石家庄 050021

第一作者简介: 李铎(1963—),男,教授,主要从事水文地质、环境地质研究工作。Email: Liduo556688@126.com。

收稿日期: 2022-06-29
基金资助: 国家青年基金“傍河开采条件下河床沉积物对河岸渗滤带氧化还原环境影响机理研究(编号: 42107100)”项目资助
摘要

为规范地下水应急水源地勘查、评价和研究内容及程序,以唐山市平原区地下水应急水源地为例,运用综合分析和数值模拟法,针对应急水源地的供水特征和生态环境约束,总结了地下水应急水源地的选址原则,探讨了地下水应急水源地研究内容和研究步骤,提出了地下水应急开采量概念。通过研究查明了水文地质条件,确定应急水源地位置; 建立了地下水流模型; 以地质环境为约束,以可持续开发利用为前提条件,评价了应急开采量和地下水资源恢复能力。对唐山市平原区地下水应急水源地的研究表明,该水源地距离现有水源地较远,水文地质条件、补给条件和水质较好,地下水应急水源地的应急开采量约9×104 m3/d,停采后地下水资源恢复能力较好。研究成果对地下水应急水源地的勘查和评价具有指导意义。

关键词: 唐山市平原区; 应急水源地; 地下水应急开采量; 地下水资源; 恢复能力
中图分类号:P641.72 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2022)06-0067-09
Comprehensive study on groundwater emergency sources: A case study of Tangshan plain area
LI Duo1, BI Pan1, ZHANG Ke1, LI Zheng1, LIU Yang2
1.Hebei Province Key Laboratory of Sustained Utilization and Development of Water Resources, Hebei GEO University, Hebei Shijiazhuang 050031, China
2.Geological Environmental Monitoring Institute of Hebei Province, Hebei Shijiazhuang 050021, China
Abstract

To calibrate the exploration, assessment, study content and procedures of groundwater emergency sources, the authors took the plain area of Tangshan as a case study in this paper. Comprehensive analysis and numerical modelling were applied to summarize the locating principle of groundwater emergency sources, according to the characteristics of water supply and environmental constrain. The research contents and steps of the groundwater emergency sources were discussed, and the concept of groundwater allowable withdrawal were put forward. The research results include the identification of hydrogeological conditions and location of groundwater emergency sources, establishment of groundwater model, and assessment of emergency withdrawal and restorability of groundwater resource, with the consideration of environment constrain and sustainable development and utilization. The research about groundwater emergency sources in the plain region of Tangshan City indicates this groundwater source is far from the current water source, with good hydrogeological and recharge condition, and preferable water quality. The emergency withdrawal is about 9×104 m3/d, and the restorability is good after pumping stops. These results exhibit guidance for exploration and assessment of groundwater emergency sources.

Keyword: Tangshan plain area; emergency water source; groundwater emergency withdrawal; groundwater resources; restorability
0 引言

近年来我国水污染事件连续发生[1, 2], 对城镇饮水安全构成了威胁。为应对突发性水源污染事件, 以最大限度满足城镇居民生存、生活用水, 建设应急供水水源地具有重要意义。目前国内外对应急水源地的研究主要包括应急水源地的水文地质条件、选址[3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10], 应急地下水水源地降水入渗补给分析[11, 12], 建立应急水源地地下水数值模型、评价地下水资源量和开采潜力[13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21], 研究建立地下水应急供水水源地评价指标体系[22], 分析应急水源地开发利用及存在的问题[23]。这些研究内容与常规水源地的研究没有太大区别。

本文考虑应急供水的特殊性, 针对地下水水源, 提出了地下水应急开采量的概念, 探讨了应急水源地勘查步骤和评价内容, 评价了水源地应急开采量和地下水资源恢复能力。研究成果对地下水应急水源地的勘查、评价具有指导意义。

1 地下水应急水源地研究
1.1 选址原则

(1)具有地下水水源地的特征。城市应急供水应以挖掘和利用水源地的水资源剩余潜力为基础, 使得城市应急供水对城市持续供水不产生大的影响。

(2)城市应急供水水源地应选择在城市周围尚未开发的富水地段和目前仍具备一定开采潜力的水源地。

(3)地下水水质良好。

(4)具有较强的调节能力。在一定时期、一定的地质环境约束下, 动用地下水储存量, 能够维持人类正常生存。

(5)具有较强的恢复能力。应急供水结束后, 通过天然和人工补给, 在一定时间内能够恢复地下水资源。

1.2 研究内容

(1)水源地富水条件。地下水应急水源地应具有良好的水文地质条件, 其含水层应具备储水空间大、渗透性好、含水层厚、水质优良、补给条件好等特点。

(2)补给资源量。地下水补给资源量是地下水水源地的基本保证水量。

(3)应急开采量。地下水应急开采量是指满足一定限制条件前提下单位时间内从水文地质单元或取水地段中能够取得的水量。所谓的一定限制条件包括: 通过技术经济合理的取水方案, 在应急开采期内出水量相对稳定, 动水位不超过设计要求, 水质变化在允许范围内, 不发生危害性的环境地质现象, 应急解除后在自然和人为干预条件下地下水资源能够恢复。

(4)地下水资源恢复能力。应急水源地地下水资源恢复能力是指在应急解除后, 地下水在一定时期的天然和人为干预条件下, 地下水含水层的含水量能够得到恢复, 并可以维持原有地下水资源状况和生态环境功能的能力。地下水资源恢复能力评价就是评价应急解除后地下水资源的恢复时间和恢复程度。

1.3 研究步骤和研究方法

地下水应急水源地研究的前期调查、勘探与常规地下水水源地的研究方法基本相同, 后期评价时应考虑应急水源地的特征。地下水应急水源地的研究步骤分为5步:

(1)进行水文地质调查, 确定应急水源地靶区。

(2)进行水文地质详查或勘探, 确定水源地布井方案。

(3)建立地下水模型, 评价地下水补给资源量。

(4)评价应急开采量。

(5)评价地下水资源恢复能力。

应急水源地地下水应急开采量评价方法宜选取均衡法和数值法。

2 应用实例
2.1 研究区概况

2.1.1 自然地理概况

如图1所示, 研究区位于冀东平原, 包括部分山前倾斜平原区和滨海冲积平原区。研究区地形平坦, 由北向南缓倾斜, 北部山前倾斜平原区地面标高一般为5~35 m, 南部滨海低平原区海拔多在4 m以下。

图1 研究区地貌Fig.1 Geomorphologic map of the study area

唐山平原地区属暖温带滨海大陆性季风气候, 多年平均降水量约620 mm, 降雨多集中在6~8月份, 年均蒸发量约为1 670 mm。

本区主要河流有滦河、陡河、沙河、小青龙河、溯河等, 均发源于北部燕山。

2.1.2 含水层组

如图2所示, 按照地层岩性及水文地质特征, 研究区第四系含水层划分为4个含水层组: 第一含水层组(①)底界埋深40~60 m, 含水层岩性以粉砂、细砂为主, 中砂为辅, 厚度5~20 m; 第二含水层组(②)底界埋深120~170 m, 含水层岩性以细砂、粉砂为主, 且单层厚度比较薄, 含水层之间多为黏土层; 第三含水层组(③)底界埋深250~350 m, 含水层岩性以细砂、粉砂为主; 第四含水层组(④)底界埋深350~550 m, 含水层岩性以中细砂、细砂为主。按地下水埋藏条件, 第一、第二含水层组为浅层地下水, 第三、第四含水层组为深层地下水。

图2 研究区含水层结构I-I'剖面Fig.2 Aquifer structure of I-I' profile in the study area

2.2 应急水源地勘查成果

2.2.1 富水性分区

如图3所示, 浅层含水层组, 自滦河起从东北向西南, 岩性由粗变细, 含水层由厚变薄, 层数由少变多, 单层由厚变薄。地下水富水性和渗透性由好变差, 单位涌水量由滦河附近的 40 m3/(h· m)到司各庄镇附近变为 20 m3/(h· m)。

图3 浅层地下水富水性分区Fig.3 Water-abundance zoning map of shallow groundwater

如图4所示, 深层含水层组, 从北向南, 岩性由粗变细, 含水层由厚变薄。地下水富水性和渗透性由好变差, 单位涌水量在山前为40 m3/(h· m), 到司各庄镇变为30 m3/(h· m)。

图4 深层地下水富水性分区Fig.4 Water- abundance zoning map of deep groundwater

2.2.2 地下水补给径流排泄条件

浅层地下水主要补给源为大气降水入渗, 其次为河流入渗、渠道渗漏、灌溉入渗和地下水的侧向径流。地下水由北向南径流, 径流条件良好。主要排泄方式为人工开采、潜水蒸发、地下水侧向流出和越流。

深层地下水主要补给源为地下水侧向径流和越流。地下水总体流向由北向南, 局部地区向地下水位降落漏斗汇流。主要排泄方式为人工开采和侧向流出。

2.2.3 地下水水化学特征

研究区地下水受循环条件的影响, 由北向南地下水总溶解固体逐渐增大, 水化学类型由HCO3-Ca型过渡为Cl-Na型, 以矿化度2 g/L为界线, 划分为全淡水区和有咸水区, 应急水源地位于全淡水区, 水化学类型为HCO3-Ca水和HCO3-Ca· Mg水, 水质满足饮用水水质要求。

总之, 该区含水层岩性以细砂、粉砂为主, 水文地质条件、地下水补给条件和水质较好, 是建设地下水水源地的理想区域。

2.3 水源地模拟模型

2.3.1 水文地质概念模型

依据水源地勘查成果, 模拟区域选取了富水性较好的滦河冲洪积扇这一相对独立的水文地质单元。北起基岩与第四系的分界, 南至滦河冲洪积扇前缘, 西起沙河, 东至滦河, 总面积为2 265 km2。

(1)含水层概化。含水层概化为非均质各向同性体, 垂向上概化为3层: 第一层为浅层含水层, 在淡水区是潜水, 在咸水区是承压水; 第二层为浅层含水层与深层含水层之间的弱透水层; 第三层为深层含水层, 地下水是承压水。地下水流在第一、第三层为水平二维运动, 在第二层为垂向一维运动。

(2)边界条件概化。模拟区四周边界内、外均有不同程度的水量交换, 均概化为流量边界。各断面流入、流出量依据Darcy定律求得。

(3)源汇项处理。研究区源汇项主要为大气降水、渠系灌溉入渗, 井灌入渗、地下水开采和蒸发, 各源汇项依据相应的公式, 代入数据、参数计算得出。

经过对水文地质条件概化, 研究区水文地质概念模型为: 非均质各向同性上部潜水向承压水过渡的孔隙含水层、下部承压水孔隙含水层和其间弱透水层组成的具有流量边界的准三维地下水渗流模型。

2.3.2 数学模型及其离散

根据研究区概念模型, 其数学模型为

∂∂xK1(H1-z1)∂H1∂x+∂∂yK1(H1-z1)∂H1∂y+v1+εPE(x, y)+　W1+∑j=1mQijδ(x-xj, y-yj)=μ∂H1∂tx, y∈Ω, t≥0H1(x, y, t)=Ho1(x, y)x, y∈Ω, t=0K1(H1-z1)∂H1∂nΓ2=q1(x, y, t)x, y∈Γ2, t≥0　　, (1)

∂∂zKz∂Hz∂z=μS∂Hz∂t　　　　　　　　　　　　　z∈(z2, z1), t≥0Hz(z, t)=Hoz(z)　　　　　　　　　　　　　z∈(z2, z1), t=0Kz∂Hz∂zz=z1=-v1(x, y, t)　　　　　　　　　　　　　x, y∈Ω, t≥0Kz∂Hz∂zz=z2=v2(x, y, t)　　　　　　　　　　　　　x, y∈Ω, t≥0　　, (2)

∂∂xK2M2∂H2∂x+∂∂yK2M2∂H2∂y+v2+W2+　∑j=1mQijδ(x-xj, y-yj)=μ* ∂H2∂t　　　　　x, y∈Ω, t≥0H2(x, y, t)=Ho2(x, y)　　　　　x, y∈Ω, t=0K2M2∂H2∂nΓ2=q2(x, y, t)　　　　　x, y∈Γ2, t≥0　　, (3)

式中: H1、H2分别为浅层水、深层水水头, m; Hz为弱透水层水头, m; K1、K2分别为浅层含水层、深层含水层水平渗透系数, m/d; Kz为弱透水层垂向渗透系数, m/d; μ 为潜水含水层给水度; μ * 为承压含水层贮水系数; μ s为弱透水层贮水率, 1/m; M2为深层含水层厚度, m; z1、z2分别为弱透水层顶、底板标高, m; v1、v2分别为弱透水层流入上、下含水层的渗透流速, m/d; ε 为降雨入渗系数; P为降雨量, m; E(x, y)在浅层降水入渗区为1, 非降雨入渗区为0; Wi为第i含水层其它源汇项, m3/d; Qij为生产井抽水量, m3/d; Hoi为第i含水层初始水头, m; Γ 2为流量边界; Ω 为渗流计算区域; qi为第i含水层边界单宽流量, m2/d。

采用矩形网格对研究区水文地质概化模型进行离散化处理, 将概化模型剖分为88行、132列, 网格为0.5 km× 0.5 km, 垂向上分为3层, 各层采用统一的剖分格式, 每层网格单元11 616个, 3层总计网格单元34 848个, 其中有效单元27 180个, 计算节点位于单元中心。

2.3.3 模型识别与验证

依据勘查资料, 综合研究区水文地质条件, 将水文地质特征相近的区域划分为同一区, 给出各区的初始参数, 利用实测的地下水水位数据、调查获得的开采量资料, 以及模型所需的其它数据, 对模型参数进行调试, 经多次反演试算, 使计算数据逐渐逼近实测值。模型调试采用了一期地下水流场和8个长期动态监测孔数据进行模拟识别, 模型拟合与验证结果见图5— 图8。当模型计算值与实测值的差达到允许范围时, 即认为数值模型能够客观地反映研究区水文地质实际情况, 这时的参数就是经过识别和验证后的模型参数。

图5 浅层水代表长观孔唐3-2孔水位动态拟合曲线Fig.5 Dynamic fitting curve of water level in long-view pore presented by shallow water in Well Tang 3-2

图6 深层水代表长观孔乐27-3孔水位动态拟合曲线Fig.6 Dynamic fitting curve of water level in long-view pore presented by deep water in Well Le 27-3

图7 浅层地下水等水位线拟合Fig.7 Equipotential line fitting diagram of shallow groundwater

图8 深层地下水等水头线拟合Fig.8 Equipotential line fitting diagram of deep groundwater

2.3.4 模型识别结果

(1)模型参数识别结果。经过以上对模型的调试和识别, 求得计算区内各种参数(图9— 图11)。

图9 降雨入渗系数(ε )分区及入渗系数Fig.9 Rainfall infiltration coefficient partition and infiltration coefficient

图10 浅层含水层参数分区及参数值Fig.10 Shallow aquifer parameter partition and parameter value

图11 深层含水层参数分区及参数值Fig.11 Deep aquifer parameter partition and parameter value

(2)地下水资源均衡模拟结果。浅层及深层地下水均衡计算结果见表1和表2。

表1 浅层地下水均衡计算结果 Tab.1 Balance calculation results of shallow groundwater
表2 深层地下水均衡计算结果 Tab.2 Balance calculation results of deep groundwater

综上, 应用地下水开采量调查资料、多年地下水水位监测数据和统测地下水流场进行拟合, 以及运用地下水水量均衡验证等多个条件约束下, 数值模型是可靠的。

2.4 应急水源地应急开采量评价

2.4.1 应急后备水源地的选择

应急水源地的选择应考虑水源地的富水性、地下水水质和对已有水源地的影响等。综合上述因素, 应急水源地位置选择在滦南县司各庄北部, 见图12。该地段位于滦河冲洪积扇的中上部, 浅层水含水层砂层厚度约80 m, 深层水含水层砂层厚度在50 m左右, 含水层厚度比较大, 岩性以中粗、中细砂为主, 含水层的渗透系数在5~10 m/d, 导水性和富水性均比较好, 地下水补给条件良好, 水质符合国家生活饮用水卫生标准。该区为非地下水漏斗区, 水位埋藏较浅, 距离现有水源地较远。

图12 已有水源地和拟建应急水源地分布Fig.12 Distribution of existing water sources and proposed emergency water sources

2.4.2 应急水位的设计

应急水源地开采层为第①+②含水层组和第③含水层组, 应急水源地南5 km左右为咸水体, 由模拟结果可知, 以应急开采量开采3个月, 水源地水位降深15 m, 形成的地下水漏斗边缘接近咸水体, 为不产生咸水体入侵的环境地质问题, 浅层和深层地下水设计水位在现有基础上下降15 m。

2.4.3 应急开采量评价

降水量取多年平均值584 mm, 区内其他水源地开采量维持现状, 在滦南司各庄应急水源地增加开采量, 模拟枯水和丰水季节开采1个月和开采3个月水源地中心水位降深, 不断改变开采量进行模拟, 直到地下水位降深在15 m左右结束试算, 这时的开采量就是应急开采量, 计算结果见表3。通过模拟可得出司各庄水源地应急开采量约为9× 104 m3/d 。

表3 水源地应急开采后水源地中心水位特征值 Tab.3 Characteristic value of the water level in the center of water source after the emergency exploitation

在分析现有水源地布局、充分考虑水文地质条件后, 将地下水应急水源地选择在滦南县司各庄北部, 依据该区环境地质问题, 合理设置了应急水源地开采的水位下降值, 评价得出水源地应急开采量为9× 104 m3/d。

2.5 应急水源地水资源恢复能力分析

应急水源地位于滦河冲洪积扇中上部, 含水层岩性粗、厚度大, 水文地质条件较好, 具有较大的赋存空间。包气带岩性以中粗砂、细砂为主, 夹薄层粉土, 有利于大气降水的入渗补给。滦河河道为中砂、粗砂、砾石与薄层粉质黏土, 黏性土不连续分布, 易于河水入渗补给地下水, 动态调节能力强。

应急解除后, 关闭应急水源地, 地下水在天然状态下开始恢复。应用模型预测上述4种应急方案水源地关闭1 a后, 地下水位特征见表4, 可以看出, 经过1 a的恢复地下水位接近应急前的水位, 地下水水资源基本恢复。

表4 应急水源地水资源恢复能力分析 Tab.4 Analysis of water resources recovery capacity in emergency water source
3 结论

(1)提出了地下水应急开采量的概念, 即通过技术经济合理的取水方案, 在应急开采期内出水量相对稳定、动水位不超过设计要求, 水质变化在允许范围内、不发生危害性的环境地质现象, 应急解除后在自然和人为干预条件下地下水资源能够恢复时, 单位时间内从水文地质单元或取水地段中能够取得的水量。

(2)总结了地下水应急水源地的选址原则和研究内容。研究内容包括3个方面: 通过调查、勘探, 查明水文地质条件, 确定应急水源地位置和取水方案; 建立地下水流模型; 评价地下水补给资源量、应急开采量、地下水资源恢复能力。特别是应急开采量评价和地下水资源恢复能力评价的提出, 对地质环境保护和地下水可持续利用与开发具有重要意义。

(3)通过案例说明了地下水应急水源地的评价技术程序, 同时对唐山地下水应急水源地进行了合理选址, 证明了若司各庄应急水源地按应急开采量9× 104 m3/d左右供水3个月, 停止应急供水1 a后基本可恢复应急供水前的地下水位, 该水源地地下水资源恢复能力较好, 为唐山市饮水安全提供了保障。

(4)地下水应急水源地开采具有时间短、强度大、水位下降快的特点, 对环境作用快速、刺激强烈, 该条件下地质环境的响应有待进一步加强研究。

(责任编辑: 常艳)

The authors have declared that no competing interests exist.

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