天津市地下水资源评价与供水应急能力分析

天津市地下水资源评价与供水应急能力分析

天津是中国的主要缺水城市之一。多年来，城市水主要依赖于两种水源：地表水和地下水。1990～2000年,年平均地表水用量为16.33×108m3,年平均地下水用量为7.11×108m3,地下水的供水比例约占30%左右。经计算,天津市地下水可开采资源量为8.27×108m3,从绝对数值上看,地下水资源尚有剩余量,但市区严重超采,已出现了严重的地面沉降问题。8×108m3可开采资源是否为可持续利用的地下水资源?有无可能进一步挖掘地下水资源的潜力?有无建立后备应急供水水源地的具体位置和能力?本文就这些问题进行一些分析和论证。1地下水开采量现状天津市系统的水文地质工作始于20世纪50年代末期,至60年代初期,在北部山区和平原地区进行了1∶20万综合性水文地质普查,在天津市区400km2范围内进行过以城市供水为目的的供水勘察。70年代中期以来,在宝坻东部、宁河北部、蓟县山前对隐伏岩溶进行了供水水文地质勘察。80年代初期进行了天津平原区1∶10万水文地质普查,控制深度在200m以浅。90年代以来,在天津市以行政区划为单位进行了1∶5万～1∶10万地下水资源开发区划工作,在天津市区和周边地区进行了地热资源勘察。在“六五”、“七五”、“八五”期间,进行了华北地区水资源评价和开发利用研究(国家科委第38项)、华北地区及山西能源基地水资源研究(国家科委第57项)、天津市地面沉降机理研究及预测预报模型研究等国家攻关科研项目。进行过的专门性供水勘察有7个,分别是:天津市石油化纤厂供水水文地质详查(宝坻县)、蓟县大康庄供水水文地质详查、蓟县西龙虎峪供水水文地质详查、宁河县北部供水水文地质普查、宝坻县大钟庄洼农田供水水文地质初勘、宝坻县黄庄洼供水水文地质初勘、宁河县农田供水水文地质初勘。前述4个供水勘察项目勘察对象是奥陶系和蓟县系岩溶地下水,后3个勘察对象是第四系松散岩类孔隙水。7个水源地共评价B、C级可采资源量为78×104m3/d,其中第四系孔隙水41×104m3/d,岩溶水37×104m3/d。已勘察的岩溶水源中,除宝坻石油化纤水源地已作集中供水、大康庄水源地已分散开采600×104m3/a供农田灌溉外,其它水源地尚未开发。3个第四系孔隙水水源地已作分散农田供水,未集中开发利用。1999～2002年实施的地质大调查中,对天津市平原区地下水进行了新的一轮评价,获取了一批新的有意义的科学数据,例如在天津市区和大港区新第三系开采强度较大的部分地段,深层地下水的氚值达到9～13TU,似说明深层淡水在开采激化条件下,可能有新的淡水混入。半个多世纪的地下水研究历程,证明了地下水在支持天津市社会经济发展过程中功不可没,积累了丰富的资料,在对地下水的形成演化机理、深层地下水的属性研究等方面,也加深了认识,使我们有可能据此进行深入分析,并做出较为客观的科学判断。天津市地下水的开采历史悠久。1907年在塘沽区打成第一眼机井。1923年天津市区打成第一眼机井,至1948年天津市区共有机井51眼。1958年以后,随着工农业生产的发展和城市建设规模的扩大,对地下水的开采日益增加,到1967年城市机井增加到300余眼,农村水井达到1550眼,主要开采咸水之下的深层淡水,年开采量约0.7×108m3,深层地下水位明显下降,随之出现了地面沉降问题。1971年,天津市区400km2内共有机井534眼,郊县共有机井8673眼。1981年,市区机井849眼,郊县8673眼,开采深度达900m,开采量达10.38×108m3,为天津市历史上开采地下水最多的一年。1999年,天津市共有完好配套机井23570眼。1983年9月引滦入津后,每年向天津输水10×108m3,缓解了天津市区和塘沽区的工业和生活用水。同时,为了控制地面沉降,停封机井700余眼,地下水开采量逐年减少。市区地下水开采量由1986年的0.96×108m3,减少到1993年的0.32×108m3,实现了“水少取,地微沉”的目标。全市地下水开采量也由7.85×108m3,降为7.48×108m3,因此,部分地区地下水位出现了一定的回升。2000年以后,地下水开采量基本保持在近8×108m3的水平(图1)。天津市近五十年地下水的开采历史,证明了随着社会经济的发展,地下水的开采量日益增大;同时也证明了多年的过度索取导致的地面沉降灾害,又反过来对人们不合理的实践活动,给予了一定的惩处。只有在弄清资源的基础上,采取与资源环境相互协调和发展思路,才有利于社会经济环境的可持续发展。2天津河流水系分布的地质背景及地下水流系统在现有地质中的工天津市地处海河流域下游,控制第四系发育的主要有海河水系和蓟运河水系。海河水系由北运河、永定河、大清河、子牙河、南运河等5大支流组成。蓟运河水系由潮白河、州河、还乡河、箭杆河、蓟运河等支流组成。两大水系均在天津东部入海。天津市南郊(天津石油化纤厂以南)尚有黄河彰卫河尾闾。宝坻-宁河断裂对构造体系划分和第四系发育起了重要的控制作用。断裂以北属阴山纬向构造体系,断裂以南属新华夏构造体系。由于继承性构造升降,北部第四系厚90～330m,南部第四系厚267～425m。地貌类型由北向南依次为北部山区、山前冲洪积平原、南部冲积平原、冲海积平原、滨海海积平原。含水层组的综合岩性分区反映了粒度变化规律(图2)。地下水流系统是指具有相对独立边界(水头、水量)、由输入到输出、由相互联系的若干部分组成、具有特定功能和统一时空演变过程的地下水体。在补给区和排泄区,流线是下降水流和上升水流。两者之间的过渡带,流线呈平面流,在天然条件下,自然地理因素(地形、水文、气象)控制着势场,是控制流动系统的主要因素。地下水流系统的划分是为了准确地刻划地下水形成演化过程,建立相应的水文地质模型,进行地下水资源评价。天津现有水系分布是古水系演化的结果。根据第四纪地质发展史及岩相古地理分析,在晚更新世(Q3)以前,天津、河北平原陆域和渤海水域是一个统一的系统。渤海的雏形形成于中更新世(Q2),成形于晚更新世(Q3)至全新世(Q4)。黄河、海河、滦河、辽河四大水系既是塑造平原的主要地质营力,也是地下水流系统形成的基本框架,渤海海域是区域地下水流系统的汇水中心和排泄中心。平原的形成是山前冲洪积平原、冲积平原、冲湖积平原及海积平原多次延伸收缩迭加而成,构成了较复杂的水文地质结构。天津平原区地下水流系统按现有地表水系划分,似不能反映古水系发育分布特点。如要按照古水系发育分布特点划分,则缺乏必要的岩相古地理证据,其界线难以准确划定。依据天津地质调查研究所的研究结果,可勾划出不同水流系统的大致轮廓:天津市Ⅱ、Ⅲ含水组砂层粒度综合岩性分区依次是砂砾石分布区、中砂分布区、细砂分布区、细砂粉砂分布区和粉砂细砂分布区,反映了各河系沉积物的粒度分异规律。潮白河、蓟运河由于距离山区较近,是粗颗粒的主要分布区;永定河、子牙河主要是细砂分布区;海河干流及黄河则主要是细砂粉砂分布区;至滨海则是粉砂细砂分布区。天津市浅层淡水除蓟运河、潮白河分布有全淡区外,主要有潮白河、永定河、子牙河及南运河古河道带分布有浅层淡水,飘浮在咸水体之上,构成了平原区的局部地下水流系统。据此天津平原区可大致划分为5个地下水流系统和5个局部地下水流系统(表1、图3)。天津平原区洼、淀星罗棋布,按成因可分为交接洼地(青淀洼、太和洼)、河间洼地(黄庄洼、里自沽、大黄堡)、滨海泻湖洼地(七里海、北大港),这些洼地既是地表水的积水洼地,也是地下水的汇水排泄洼地,如进行大比例尺研究,则可划出若干局部地下水流系统。在山区和山前平原,一般可根据地表分水岭和地下分水岭确定系统的边界,而在平原地区,系统的边界就比较模糊。目前主要是根据冲洪积扇前缘洼地、扇间洼地及古河道间带的粘性土弱透水带作为地下水流系统的边界。局部地段由于冲洪积扇的叠置和古河道的穿插,使系统划分更为困难,地下水系统的边界以相对弱透水带为边界。3天津平原地理工程地质特征天津市水文地质条件较复杂,从北向南依次分布全淡水区、微咸水—淡水区(垂向上)、淡水—咸水—淡水区(垂向上)、咸水—淡水区(垂向上)(图4)。咸水底界埋深从北向南逐渐增加,咸水层逐渐增厚。地下水类型分为:第四系松散岩类孔隙水、第三系裂隙孔隙水和碳酸盐岩岩溶裂隙水。目前,南部平原区研究的地层深度为550m。第四系孔隙水分布广、厚度大、岩相变化复杂。第四系含水岩组划分与结构分析是平原区水文地质研究的重要课题。一方面可分析不同含水岩组的形成特征,天津市已编制了不同含水岩组的水文地质图;另一方面可为地下水的分层合理开发、调整井群布局提供依据。天津平原区与河北平原历来重视含水岩组的划分。20世纪70年代,段永侯、邵时雄根据河北平原水文地质研究曾提出“以地质分层为基础,以水文地质要素(水头、水质、渗透性、导水性等)为依据,以合理开发为目的”的分层原则与方法,并将河北平原第四系划分为若干含水岩组。其划分结果与天津市划分结果基本一致。根据多年研究,将天津市平原区第四系与新第三系划分为5个含水岩组。第Ⅰ含水组相当于全新统和上更新统(Q4+3),底界埋深一般在70m以上。第Ⅱ含水组相当于中更新统(Q2),底界埋深180～220m。咸水介于第Ⅰ、Ⅱ含水组之间。第Ⅲ含水组大致相当于下更新统上段(Q2112),底界埋深290～310m。第Ⅳ含水组相当于下更新统下段,在隆起区包括部分新第三系含水组(Q1111+N2),底界埋深370～430m。第Ⅴ含水组为新第三系含水组(N2),底界埋深520～560m。各含水组的底界埋深随着基底的隆起与拗陷而有差异。通常第Ⅰ含水组称为浅层地下水,第Ⅱ～Ⅴ含水组称为深层地下水(表2)。随着地下水的大规模开发,特别是农灌井的混合开采,各含水组的特性已愈来愈模糊。在降落漏斗地区,随着越流条件的改变,深层地下水更具有“混合”的性质。所以有人干脆分为浅层淡水和深层淡水两大含水岩组。近几年,将环境同位素技术应用于天津市水文地质研究,把水文地质研究不断引向深入。目前,环境同位素技术方法的研究尚有待深入探索,但已有迹象显示,地下水埋藏越深,14C年龄越老。据杨柳青—天津市—塘沽区地下水14C剖面,第Ⅰ含水组14C年龄在0～0.5万年,第Ⅲ含水组14C年龄在2万年～2.5万年(图5)。另外,深层地下水的年龄分布与地下水位下降漏斗的分布具有一致性,14C年龄即越靠近漏斗中心,地下水14C年龄越老。可能的原因是越靠近漏斗中心区,地下水开采量越大,粘性土压密释水产生的更老的“古水”混入比例越大。4天津地下水资源4.1供水水质及水量天津市城市规划(1996～2010年)预计2010年天津市总需水量为56.76×108m3,其中城市需水量为33.62×108m3,农村需水量23.14×108m3(保证率75%),规划的供水水源主要包括:(1)引滦水:2010年引滦水争取稳定在10×108m3(保证率75%)。(2)地下水:2010年地下水可开采量控制在7×108m3左右。(3)海水利用:2010年力争使海水利用替代淡水量达到1.22×108m3以上。(4)工业节水和污水回收利用:2010年工业用水重复利用率达到80%以上,污水处理利用总量达到8.64×108m3以上。(5)南水北调一期引水12.2×108m3(用水量10.4×108m3)。(6)地表水库:2010年地表水(含于桥水库)2.19×108m3(保证率75%);(7)现有坑、塘、洼、淀,尽可能蓄汛期弃水。4.2地下水资源采动量评价1999～2002年,按全国统一部署,对天津市地下水进行了新的一轮评价。这次评价具有以下特点:①校核了地下水资源评价的主要水文地质参数,如降水渗入系数,潜水蒸发系数,灌溉回归系数、给水度、弹性释水系数、导水系数、越流系数等。②计算的重点是直接参与水文循环并积极交替的浅层地下水。其天然补给资源量的大小受气象、水文、地形地貌、人工开采诸多因素的影响,是时空变化很大的一个随机变量,按水均衡原理,采用了多年平均值进行计算。③对各种资源量的相互转化关系,厘定了天然补给量与重复计算量,例如井灌回归量是地下水的重复利用量,不能作为天然补给资源量,深层水的弹性释水量和压密释水量是靠地下水头降低和地面沉降来换取的,不能作为天然补给资源量。④深层水的天然补给资源量由侧向补给量和越流补给量组成,其开采量主要是由侧向补给量、越流补给量、压密释水量、弹性释水量构成,由于多年开采,侧向补给量和越流补给量有所增大。⑤与1989年评价结果相比,1989年评价深度为200m以上,本次评价的深度达550m。⑥计算分区采用地下水流系统划分分为潮白河蓟运河地下水资源区和永定河海河地下水资源区,并进一步划分为11个亚区和45个计算块段,划分依据较为合理。⑦地下水资源评价按不同水质类型(<1g/L、1～3g/L、3～5g/L、>5g/L)分别进行了评价。计算结果:天津市地下水天然补给资源为18.13×108m3/a,矿化度小于5g/L的天然补给资源为15.75×108m3/a,地下水可开采量为8.27×108m3/a,其中浅层水2.58×108m3/a,深层水3.56×108m3a,隐伏岩溶水1.24×108m3/a,山区1.10×108m3/a(表3)。为了便于进行水资源规划,把地下水资源量按行政区进行了统计(表4)。4.3地下水开采量、采运量、区域宏观分区、供水量平原区浅层水补给总量为15.94×108m3/a,排泄总量为15.27×108m3/a,均衡差为0.67×108m3/a,基本处于均衡状态。深层水补给总量为5.69×108m3/a,其排泄量主要为人工开采,取1990～2000年平均值,为5.28×108m3/a,均衡差为-0.41×108m3/a,已经处于负均衡状况。天津市1990～2000年地下水开采量7.48×108m3/a,开采程度达90.45%,除蓟县、宝坻、宁河、静海略有盈余外,其余各区县均已超采。从区域宏观分析,剩余量仅为0.79×108m3/a。从地下水的角度看,供水形势紧张(表5)。从地下水开采层位来说,全淡水区为混合开采,以第Ⅰ、Ⅱ含水组为主。有咸水分布区,第Ⅱ、Ⅲ含水组开采量分别占35%和33%(图6)。天津市2000年地下水开采量73816.64×104m3,其中农业开采量占58%,生活工业开采量分别占20%和22%。第Ⅱ、Ⅲ深层水含水组开采量的组成以越流量和压密释水量为主,分别占51%和31%,侧向补给量占12%,弹性释水量占4%(图7)。5局部地区余缺情况从区域水均衡考虑,天津市深、浅层地下水基本处于均衡状态,但局部地区存在余缺情况。从充分挖掘地下水资源潜力和对地下水资源保护角度的出发,天津市地下水大致可分为4个区。(1)地下水开采量较大,需补短板、压长主要分布在北部山前平原,为全淡水区,包括蓟县和宝坻县北部地区。浅层水和第二含水组承压水属于开放型含水层,开采指数虽大于1.5,目前水位仍无明显下降,多年保持稳定,水位埋深多小于5m,最深达10m。地下水补给条件好,循环交替积极,有较大开采潜力,可扩大开采量。山前平原浅埋隐伏岩溶水的开采指数大于1.5,由于西龙虎峪、岳龙水源地尚未开发,下仓—宝坻水源地虽经十余年开采,开采量达2564×104m3/a,但水位下降不大,多年保持稳定,表明仍有一定开采潜力,可适当扩大开采量。宝坻城关水源地规模较小,有一定供水能力,可作小型供水水源。(2)开采量大时主要分布在武清、宁河北部和宝坻中南部。这些地区浅层淡水开采量不大,补给条件好,开采指数1.2～1.5,具有一定开采潜力。深层水水位下降较小,水位埋深在10～20m,多年降幅较小,开采指数多在0.8～12,可适当增加开采量。(3)淡水开采量小、可资源量大的农业主要分布在武清、宁河县中部、宝坻县南部、静海县西部和大港区南部。该区浅层淡水分布较广,开采量不大,开采指数大于1.2,可用于农业分散供水。深层水开采指数多在0.6～1.0,水位下降幅度相对不大,处于漏斗区边缘,水位埋深在20～40m,可维持现状开采量,局部地区可适当增采,但增加量应严格控制。(4)地下水资源开采潜力及开发潜力主要分布在永南平原的大部,包括市区、新四区、武清南部、静海中东部及塘、汉、大滨海地区。这些地区浅层水均为咸水,深层水是唯一开采含水层,为严重超采区,水位下降幅度大,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水组均出现了若干漏斗,并有连成一片的趋势,以Ⅲ、Ⅳ含水组水位下降幅度尤大,漏斗范围广。第Ⅱ含水组水位埋深多在40～60m,漏斗中心最大水位埋深75～85m。第Ⅲ、Ⅳ含水组水位埋深多在多60～80m,漏斗中心最大水位埋深在100～113m,出现了大范围的地面沉降、水质恶化等环境地质问题。因此,该区应大幅度削减深层水开采量,特别是用于农灌的开采量。天津市西部和北部平原区广泛分布有浅层淡水和浅层微咸水,地下水位埋深多在1.5～2.5m。通过观测试验,当地下水位埋深处于4m左右时,地下水可获得最大的天然补给资源量和最小的天然排泄量。如果将天津浅层淡水和微咸水分布地区的水位调控在4m左右,可以进一步扩大地下水资源量,即最优水位状态下的地下水资源量。通过计算可知,最优水位状态下,可增加地下水资源量近3.3×108m3。这虽然是个理论计算数字,但对如何调控地下水资源,无疑是一个带方向性的问题。充分利用浅层水的开放性,调增地下水资源,对于分散性的农业供水,具有重要意义。适当扩大浅层水的开发利用,可减轻开发深层水的压力。地下水资源开采潜力是指地下水现状开采条件下可以扩大开采并可持续利用的地下水资源量。从这一概念出发,地下水资源开采潜力包括已开采水源地的地下水剩余量、正在勘察或虽未勘察预测其有开采前景地区的地下水资源量以及通过人工调控可增加的地下水资源量。地下水应急供水水源地是指在连续干旱年份下,为解决城镇生产及生活用水的燃局之急,而采取的一种非常规的、有一定开采周期的临时供水水源地。如可动用地下水的储存量、在一定约束条件下环境损失的换取量、需一年或多年补给的疏干量和经政府协调改变原供水方向的水源地的供水量等。经初步分析,天津市可作为城市应急供水水源地的有蓟县平原区和宝坻中北部全淡水分布区,这是唯一有望建成大型集中供水水源地的第四系松散岩类孔隙水水源地。该区地下水补给条件好,含水层颗粒粗,循环交替积极,有一定的开采潜力,在保持多年动态平衡的条件下,可增加开采量约5000×104m3/a。受地质构造控制,天津市北部形成多个岩溶储水构造。北部裸露型贮水构造有穿芳峪、磨盘峪、赵家峪和庄果峪。储水构造中,岩溶裂隙发育,水交替迅速,富水性较强,与地表水及沟谷第四系孔隙水联系密切。这些贮水构造具有各自的边界而形成独立的水流系统。由于其距天津市区较远,长距离供水存在一定困难。受地质构造控制,在宝坻断裂以北的山前平原,形成6个岩溶水储水构造:西龙虎峪盆地型储水构造、蓟县城关贮水构造、大康庄贮水构造、宝坻—下仓贮水构造、宝坻城关储水构造和宁河岳龙贮水构造。其共同特征是岩溶裂隙发育,连通性和导水性好,补给资源丰富,单井出水量5000～10000m3/d。基岩埋藏不深,开发潜力较大,具有建设集中供水水源地的优越条件(表6)。目前,有4个岩溶水源地已进行过勘查并提交了C级、B+C级储量。宝坻石化岩溶水水源地自1976～1979年勘察、1979年开发以来,已20余年,多年平均开采量6.3×104m3/d,水位自开始高出地表至1984年下降到地面以下,年平均下降0.22～0.30m。当降水量较大时,水位明显回升,说明补给条件较好,岩溶水与第四系孔隙水联系密切,具有一定的开采潜力。目前,西龙虎峪、岳龙水源地虽已勘察但尚未开发,可作为后备应急供水水源。6个隐伏岩隙水贮水构造总可开采量1.13×108m3/a,实际现状开采量0.45×108m3/a,尚有0.68×108m3/a的开采潜力。可选择作为应急供水水源地的除蓟县平原区和宝坻中北部全淡水区外,岩溶水水源地有蓟县城关水源地、宁河北水源地、西龙虎峪水源地和宝坻石化水源地,各水源地应急可开采量见表7。这个数字对天津市规划需水量来说,占很小的比例,但对城市生活用水来说,却占有重要地位。需要特别指出的是,对岩溶水的开发须持极为慎重的态度,由于开发岩溶水而造成的岩溶地面塌陷、地裂缝,国内外均不乏实例。6地下水资源量充足(1)天津市地下水研究经历了半个多世纪,积累了极为丰富的资料与数据,尤其是多年的长期观测资料,为第四系地下水流系统划分、含水层系统划分,打下了较为扎实的基础。近几年又采取了环境同位素技术和地下水数值模拟技术,深化了对天津市地下水形成演化机理的认识。根据这些资料数据,使我们有可能对天津市地下水的合理开发利用进行较为客观的分析。(2)经过新一轮地下水资源评价,天津市地下水天然补给资源为18.13×108m3/a,矿化度小于5g/L的天然补给资源为15.75×108m3/a,地下水可开采资源为8.27×108m3/a,其中浅层水2.58×108m3/a,深层水3.56×108m3/a,隐伏岩溶水1.24×108m3/a,山区1.10×108m3/a。计算评价结果为地下水资源的合理配置提供了可靠的依据。(3)天津市1990～2000年地表水年平均用水量16.33×108m3,地下水用水量年平均7.11×108m3,地下水供水比例约占30%,在支持天津市经济社会发展方面,其作用和地位是无可取代的。(4)天津市浅层水补给总量为15.94×108m3/a,排泄总量为15.27×108m3/a,均衡差为0.67×108