山丘区城镇地下水资源利用现状与发展对策

山丘区城镇地下水资源利用现状与发展对策

地下水的特殊优势是，小城市的各种水源中，地下水通常是山区和小城市的主要水源。以往由于缺乏科学合理的规划和管理,地下水开采布局不合理,造成局部地下水位持续下降,并引发生态环境条件的恶化,激化了城镇水资源的供需矛盾。1地下水及其周边地位变化磐石市处于松嫩平原向长白山过渡的低山丘陵区,为第二松花江的三级流域——挡石河流域的中上游。受自然地理因素及人为因素(水库拦蓄)影响,流经市区的挡石河地表水资源相对匮乏(多年平均径流量7560×104m3),受城镇工业生产及居民生活的影响,市区河水遭受轻度污染,根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)市区河水达到地表水Ⅴ类标准,只适于农业用水及一般景观要求用水。目前城镇供水全部依赖地下水:三个市政水源供水井20眼(图1),供水量1.34×104m3/d;市区自备井84眼,日供水量9000m3;农业年均开采地下水262.22×104m3。地下水年开采总量1142.6×104m3。随着磐石市社会经济的发展,城镇发展所需水资源量已超出市政水源的供水能力,造成供水紧张的局面;市区各单位自备井点集中,导致地下水超采,已形成以市区为中心的水位降落漏斗(漏斗中心水位埋深18m);地下水位的下降导致局部供水井失去供水能力,并已经引发市区水质的恶化。同时,市区以南地区地下水埋深浅,地下水易遭受污染。针对上述问题,对有限的地下水资源进行科学合理的规划和管理,以满足磐石市城市发展需求,也是实现社会经济与生态环境协调发展的重要保障。2地下水资源特征2.1裂隙岩溶含水层渗透系数地下水主要赋存于河谷区的一、二级阶地第四系冲洪积砂砾石层中,其下为石炭系裂隙岩溶含水介质或印支期花岗岩全风化裂隙含水介质。上下两者之间没有隔水层,构成了统一的含水系统。根据一、二水源水文地质钻孔结构,第四系地层下伏磨盘山组灰岩构造溶蚀裂隙强烈发育(厚度12～22m),间或有小的溶洞并充填有松散的粗砂、砾石,钻进过程中漏水严重。根据抽水试验结果,204井裂隙岩溶含水层渗透系数达28.79m/d,其渗透性与松散砂砾石含水层相当。总之,磨盘山组地层裂隙岩溶发育相对比较均匀,渗透性良好,赋存丰富的裂隙岩溶水。第一水源孔隙含水层厚8～20m,与隐伏裂隙岩溶含水介质组合成综合含水层时单井涌水量可达500～1000m3/d;第二水源孔隙含水层厚3～5m,裂隙岩溶含水层为主要供水层位,单井涌水量亦达到500～1000m3/d。根据第三水源水文地质钻孔揭露的第四系含水层和其下花岗岩风化裂隙带结构,全风化带呈现较为均匀的砂砾石状,粒径级别3～10mm。花岗岩全风化带张开裂隙密集分布,构成渗透性相对均匀、具有统一水力联系的层状裂隙含水系统。市区西南部西纸坊到东兴立一带,孔隙含水层厚8～12m,下部花岗岩全风化带厚10～15m,两种含水介质组合成的综合含水层的单井涌水量可达500～800m3/d。红土东屯以西拐子炕河河谷、常家以北挡石河河谷区,孔隙含水层厚3～8m,孔隙含水层与花岗岩全风化带裂隙含水层组合成的综合含水层富水性相对较弱,单井涌水量100～500m3/d。2.2地下水补给量拓展降水入渗是研究区开放性地下水系统地下水的主要补给源,根据区域水量均衡,降水入渗量约占地下水补给量的91%。河谷区松散岩类孔隙潜水还接受灌溉水回渗补给及河水渗漏补给。低山丘陵区地下水向河谷径流,河谷地下水向开采区的水位降落漏斗区径流(图1)。地下水的主要排泄方式是人工开采,东兴立一带地下水主要消耗于潜水蒸发。2.3水化学类型研究区地下水化学类型主要为HCO3-Ca型,矿化度小于0.5g/L,总硬度120～300mg/L;局部因人类活动影响,水化学类型为HCO3-Cl-Ca型、HCO3-SO4-Ca型;开采漏斗区地下水化学类型为Cl-HCO3-Ca型,各常规离子浓度普遍较高,矿化度0.6～0.9g/L,总硬度400～550mg/L,非漏斗区各类离子浓度相对较低。2.4实际降水补给量研究区多年平均降水量697.2mm,采用皮尔逊Ⅲ型曲线法计算各典型年份(20%、50%、75%降水保证率年份)降水量分别为828.6mm、687.7mm、586.3mm,各典型年份地下水补给量如表1所示,平水年地下水补给量为1319.5370×104m3/a。3地下水值模型的构建3.1计算边界和边界根据含水介质的分布、水动力场特征等确定河谷区(60km2)为数值模拟区,将具有统一水力联系的松散岩类孔隙含水介质及河谷区渗透性相对均匀的裂隙岩溶、花岗岩全风化裂隙含水介质构成的统一含水层作为计算目的层,概化为非均质、各向同性潜水含水层,地下水流为二维非稳定流。计算区顶部边界为潜水面。侧向边界除东兴立以南河谷区边界为排泄边界外,其余边界均为补给边界。有长观孔的南杨木岗北Ⅰ-Ⅰ′边界、团结西北部Ⅱ-Ⅱ′边界、红土东南部Ⅲ-Ⅲ′边界概化为水位边界(第一类边界),其余边界概化为流量边界(第二类边界),见图2。3.2地下水渗流区边界面确定根据水文地质概念模型,研究区地下水运动的数学模型用微分方程的定解问题(1)描述:⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪∂∂x[K(h−B)]+∂∂y[K(h−B)]+ε1(x,y,t)−ε2(x,y,t)=μ∂h∂t,h(x,y,0)=h0(x,y),h(x,y,t)|Γ1=h1(x,y),Kn(h−B)∂h∂n|Γ2=q(x,y,t),(x,y)∈D,t≥0,(x,y)∈D,(x,y)∈Γ1,t≥0,(x,y)∈Γ2,t≥0。(1){∂∂x[Κ(h-B)]+∂∂y[Κ(h-B)]+ε1(x,y,t)-ε2(x,y,t)=μ∂h∂t,(x,y)∈D,t≥0,h(x,y,0)=h0(x,y),(x,y)∈D,h(x,y,t)|Γ1=h1(x,y),(x,y)∈Γ1,t≥0,Κn(h-B)∂h∂n|Γ2=q(x,y,t),(x,y)∈Γ2,t≥0。(1)式(1)中:D为渗流区;Γ1为第一类边界;Γ2为第二类边界;h为含水层水位(m);B为含水层底板标高(m),根据钻孔结构赋值;ε1(x,y,t)为补给强度(m/d),包括降水入渗量、灌溉回渗量、侧向径流补给量及河流渗漏补给量;ε2(x,y,t)为排泄强度(m/d),包括人工开采、侧向排泄、蒸发排泄和地下水向河流排泄量;K为渗透系数(m/d);μ为含水层给水度;h0(x,y)为初始水位(m);h1(x,y)为第一类边界点水位(m);q(x,y,t)为第二类边界单宽流量(m2/d),根据地下水动态序列,给定随时间变化的单宽流量。上述数学模型应用加拿大WHI开发的有限差分法数值模拟软件VisualMODFLOW求解。3.3应力期及模型材料根据孔隙含水层分布特征、裂隙岩溶含水介质及花岗岩全风化带裂隙含水介质的分布特征,将研究区划分9个水文地质参数区(图2)。水文地质参数初值根据抽水实验计算成果及水化学动力学计算的地下水系统渗透系数确定。计算区采用VMOD进行自动矩形网格剖分矩形单元2988个。模拟期为2002-07-15～2003-03-31。应力期划分根据降水特征、地下水开采等条件。选取枯水期(2002-12-01～2003-03-31)用于数学模型识别,其它应力期用于数学模型的验证,计算中每个应力期根据地下水动态观测周期的长短划分若干计算时段。采用“反复试探”法拟合,对拟合的结果进行两方面的评估:水量均衡;结点观测孔的计算水位与实测水位拟合误差均小于0.5m,说明含水层结构、边界条件概化、水文地质参数的选取及源汇项确定符合实际,可利用该数值模型进行地下水资源评价。4地下水开发潜力评价4.1地下水开采量预测模型根据地下水开发利用现状,在水文地质条件有利地段(地下水有充分的补给保证,可开采资源相对丰富;水质良好,达到生活饮用水标准;含水层厚度大,有足够调蓄空间)拟建新水源,以达到调整市政供水开采布局的目的,以地下水位降深、地下水埋深为约束条件,通过地下水数值模型的计算确定优化开采方案。挡石河各支流于喜安屯东北部交汇后,河道水量稳定,平均水深3.05m,平均流量2.4m3/s,河水达到地表水Ⅲ类标准,沿河地带地下水达到生活饮用水标准。可在地下水开采量较小的东兴立沿河布设井排取水,激发河水补给,同时袭夺潜水蒸发量,以增加地下水的开采资源。常家一带为花岗岩侵入磨盘山组灰岩地层的接触带,裂隙岩溶发育,并延伸到北胜利以北河谷,灰岩出露于河床,裂隙岩溶水可直接接受河水补给。该段挡石河水质达到地表水Ⅱ级标准,常家地下水水质良好,因此,可沿接触带布设开采井,扩大地下水开采量。从区域水量均衡观点出发,以最大限度满足城市供水为主要目的,并根据各水源取水建筑物等技术条件,拟定4个市政供水开采方案(第一方案为现状开采,见表2)。根据2002年12月各水源地下水位埋深,设计合理水位降深(与建井初相比水位降深达含水层厚度的1/2):与现状条件相比,一水源水位降深3m;二水源水位回升2m;三水源最大水位降深4m;市区水位回升1～2m;常家水源水位降深5m;东兴立水源水位降深7m。根据1959～2003年降水量实测序列,采用历史降水周期重现法预测2004～2027年的降水量(表3),并利用相关分析法确定相应预报年度侧向边界径流补给量(排泄量)。运行数值模型,模拟预测4个方案开采运行25年(2003～2027年)。从地下水可持续开发利用角度分析各开采方案下地下水流场的演变趋势及观测孔水位动态变化趋势,以水位降深、埋深为约束条件确定第三方案为最优开采方案,即压缩市区自备井开采量,一、三水源适当增加开采量,二水源维持现状开采,增加常家和东兴立两个新水源。优化开采条件下城镇供水量可增加4700m3/d,城镇年供水总量将达到991.05×104m3/a,可缓解目前城镇供水紧张的局面。根据模型运算结果,第三方案开采运行25年,各水源运行状态稳定,水位降深达到设计要求,市区地下水位持续下降的趋势得以缓解。虽然连续干旱年(2018～2021)水位仍持续下降,但遇连续丰水年后,水位可逐渐恢复到干旱年前的水位(图3)。4.2地下水开源量调查根据优化开采方案,运行数值模型计算50%降水保证率年份各水源地地下水可开采资源量,见表4。研究区地下水可开采资源总量1453.6848×104m3/a,可开采资源模数24.23×104m3/(km2·a)。4.3地下水开采量预测地下水潜力是指在一个特定地区,在一定评价深度上,在一定经济技术条件和环境约束条件下能够扩大开采的那部分地下水资源。研究区地下水均为潜水,埋藏深度相对较浅,循环交替速度相对较快,局部河流切割含水层,地下水具有充分的补给保障,因此可以最大限度地挖掘地下水的潜力,保障城镇供水需求,缓解供水紧张局面。利用2002年地下水实际开采量和50%降水保证率年份地下水可开采资源量计算地下水开采系数和地下水潜力资源模数:KC=Q开采/Q可采,(2)MQ=(Q可采-Q开采)/F。(3)式中:Q开采为地下水现状开采量(104m3/a);Q可采为地下水可开采资源量(104m3/a);F为评价区面积(km2);KC为地下水开采系数;MQ为地下水潜力资源模数(104m3/(a·km2))。按参考文献中的划分标准,进行地下水开采程度分区(表5)和地下水开发潜力分区(图4)。3个已建水源地下水开采程度很高,一水源(Ⅰ区)、三水源(Ⅲ区)地下水开发潜力小;二水源(Ⅱ区)地下水开采量稍超过可开采资源量,无开发潜力;磐石市区(Ⅳ区)属地下水严重超采区,地下水完全没有潜力,应限制市区地下水的开采量。常家及东兴立地下水开采程度中等;常家(Ⅴ区)开采条件下可充分接受河流补给;东兴立(Ⅵ区)开采状态下充分袭夺天然排泄量,同时可激发河流补给。因此,常家和东兴立两区地下水开发潜力大,可作为新建市政供水水源。市区和供水水源外围的各河谷区(Ⅶ区)地下水开采程度较高,主要是农灌期集中开采及农村人畜用水开采,地下水尚有一定的开发潜力,潜力资源模数为3.447×104m3/(a·km2),但开发潜力较小。5地下水资源可持续开发的对策通过前述技术措施,并结合地下水开发利用过程中存在的问题,提出实现磐石市城市地下水资源可持续利用的对策与建议:(1)地下水开采量小,增加开放量小市区自备井开采量压缩到7052m3/d,同时在地下水开发潜力小的第一水源、第三水源分别增加开采量1600m3/d、600m3/d,以挖掘地下水的潜力。(2)建设供热水源常家和东兴立地下水可开采资源丰富,目前地下水开采程度中等,可在两地建设供水能力分别为2500m3/d和2000m3/d的供水水源。(3)地下水补充质低效丰水期和丰水年河道大量泻雨、洪水,可采取清淤道、挖渗水渠、修建堤坝等多种措施拦蓄雨、洪水,增加地下水补给量,利用含水层的调蓄功能,旱年或者旱季多开采地下水,雨季采取有效措施增大河水激发补给,增加地下水可开采资源量。