上海市地下水環(huán)境容量評價及其在地下水資源管理中的應(yīng)用

張月萍，劉金寶

(1.上海市水文總站，上海 200232;2.上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072)

上海市地下水環(huán)境容量評價及其在地下水資源管理中的應(yīng)用

張月萍1，劉金寶2

(1.上海市水文總站，上海 200232;2.上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072)

通過在分析上海市地下水環(huán)境特征及地下水資源開發(fā)利用產(chǎn)生的環(huán)境問題，依據(jù)地下水位及地面沉降多年監(jiān)測數(shù)據(jù)，確定了地下水位及地面沉降控制指標(biāo)，并對地下水環(huán)境容量模型計算結(jié)果進(jìn)行評價，在將其地下水資源管理應(yīng)用中，取得較好成效。

地下水環(huán)境容量;地下水采灌方案;地下水資源管理

上海是一座水質(zhì)型缺水城市，水資源短缺及水環(huán)境污染將是21世紀(jì)面臨的重要問題，地下水作為潔凈、方便的水源，多年來已為上海市城市居民生活以及工農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了豐富的淡水資源，但長期過量開采地下水引起了一系列生態(tài)環(huán)境問題，如地下水資源枯竭、地下水位持續(xù)下降、地下水水質(zhì)惡化、海水入侵、地面沉降等，引起了社會各界的廣泛關(guān)注和重視。

上海與許多現(xiàn)代大都市一樣，面臨著這樣的困境，一方面是不斷增長的物質(zhì)財富支撐著現(xiàn)代化的生活方式，另一方面則是環(huán)境惡化且有無可挽回的危險［1］。隨著水資源需求的不斷增加，地下水資源的保護(hù)以及地下水環(huán)境問題的控制、治理等相應(yīng)變得越來越重要，地下水資源的科學(xué)管理成為一個極為復(fù)雜的問題。上海地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用歷來是上海市政府極為關(guān)注的問題，是《上海市水資源綜合規(guī)劃》中重點(diǎn)部署、研究、解決的任務(wù)之一。

鑒于此，有必要對上海市地下水資源量進(jìn)行科學(xué)的評價，才能夠?qū)τ邢薜牡叵滤Y源進(jìn)行合理的分配及最大限度的利用，達(dá)到科學(xué)管理的目的，促進(jìn)城市的可持續(xù)發(fā)展［2］。

1 地下水環(huán)境容量評價

1.1 地下水環(huán)境特征

上海市地處長江三角洲東緣，太湖流域下游。境內(nèi)除西南部有少量丘陵山脈外，全為坦蕩低平的平原，是長江三角洲沖積平原的一部分。區(qū)內(nèi)地下水主要賦存于松散巖類孔隙介質(zhì)中，按其成因類型、時代、礦化度和水化學(xué)類型，以及彼此間的水力聯(lián)系密切程度，可將松散巖類孔隙水劃分為各具特點(diǎn)的三個含水巖組和七個含水層。分別為全新統(tǒng)潛水含水巖組，包括潛水含水層和微承壓含水層;中、上更新統(tǒng)承壓含水巖組，包括第一、二、三承壓含水層;以及下更新統(tǒng)承壓含水巖組，包括第四、五承壓含水層。

其中具有集中開采價值的、可作為供水水源的第二、三、四、五承壓含水層中分布有大量的淡水資源，蘊(yùn)含豐富的地下水資源，幾十年來一直作為城市供水補(bǔ)充資源長期被開發(fā)利用。據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測資料顯示，1961年～2009年間，共開發(fā)利用地下水資源50.66億 m3，其中第二、三、四、五含水層地下水開采量分別為8.61 億 m3、10.99 億 m3、24.27 億 m3、6.79億 m3。地下水人工回灌總量為7.45億 m3。60年代初及90年代是地下水開采強(qiáng)度最大的時期，年度平均凈開采量大于1億 m3，而60年代末至80年代是地下水開采強(qiáng)度最小的時期，年度凈開采量介于 0.5～0.7億 m3。

圖1 上海市地下水開采與人工回灌、地下水位和地面沉降歷時變化圖

由于地下水長期的開采，伴隨著多種地質(zhì)災(zāi)害也相繼產(chǎn)生，其中最主要的是地下水位持續(xù)下降和地面沉降。其中第四承壓含水層地下水位漏斗中心大場地區(qū)地下水位由－7 m降低至－45 m，第五承壓含水層地下水位漏斗中心華漕地區(qū)地下水位由－15 m降低至－75 m。地下水位下降引起的最直接地質(zhì)災(zāi)害是地面沉降，20世紀(jì)60年代是地面沉降災(zāi)害發(fā)展最為嚴(yán)重的時期，1921—1965年市區(qū)平均地面沉降達(dá)1.69 m。上海地面沉降經(jīng)歷了發(fā)生—不斷加速—回彈—微量下沉—再次增速—微量下沉的演變過程，中心城區(qū)地面沉降的發(fā)展速率表現(xiàn)出非線性變化的規(guī)律(圖1)。近年來地面沉降在空間上也不斷地擴(kuò)展，已從中心城區(qū)為主演變成區(qū)域性的地面沉降，隨著城市化進(jìn)程加速，近遠(yuǎn)郊地區(qū)特別是新興城鎮(zhèn)，其地面沉降有明顯增長。

1.2 地下水環(huán)境容量評價指標(biāo)

1.2.1 地下水位約束條件

含水層壓縮變形具有普遍的非線性特征，不同地下水位條件下的變形速率可能相差數(shù)倍—數(shù)十倍。由于承壓含水層演化過程中前期最大固結(jié)壓力的存在，當(dāng)?shù)叵滤幌陆?、含水層承受的附加?yīng)力增加至前期固結(jié)壓力時，含水層結(jié)構(gòu)無法承載當(dāng)前有效應(yīng)力作用，需要通過含水層砂體結(jié)構(gòu)調(diào)整和重構(gòu)以適應(yīng)當(dāng)前有效應(yīng)力狀態(tài)，在此過程中承壓含水層固結(jié)變形速率會顯著增大，表現(xiàn)為持續(xù)的固結(jié)壓縮。通過對上海市各含水層地下水位變化及變形特征的分析，存在著季節(jié)性高水位期土層回彈逐漸減小并向土層持續(xù)性壓縮發(fā)展的突變點(diǎn)，此時所對應(yīng)的年度最低水位就是土層變形的臨界水位，以此作為地下水環(huán)境容量評價的地下水位控制目標(biāo)。

根據(jù)地下水位與臨界水位的關(guān)系，含水層表現(xiàn)出彈性、彈塑性、塑性三種不同的變形特征，含水層的變形速率存在較大差異，并不與地下水位的下降幅度成完全的對應(yīng)關(guān)系，其中臨界水位所對應(yīng)的土層變形狀態(tài)處于彈塑性變形階段，因此臨界水位可利用含水層變形特征的變化來求得［3－4］。

1)第二承壓含水層

第二承壓含水層應(yīng)力應(yīng)變特征分析顯示出較好的彈性特征(圖2)，1990年以后殘余變形量略有增大，應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)為斜率略有變化的兩簇，總體來說處于彈性變形范圍內(nèi)，因此為維持這一彈性變形特征，根據(jù)以往經(jīng)驗推斷其臨界水位為－3 m，以此作為地下水環(huán)境容量計算的第二承壓含水層地下水位約束條件。

圖2 上海市第二承壓含水層應(yīng)力應(yīng)變特征

2)第三承壓含水層

第三承壓含水層應(yīng)力應(yīng)變特征分析顯示大部分監(jiān)測點(diǎn)表現(xiàn)出與第二承壓含水層相似的彈性變形特征(圖3)，但當(dāng)?shù)叵滤唤抵粒?.5 m時含水層變形軌跡發(fā)生變化，殘余變形略有增加，因此從偏安全角度出發(fā)，第三承壓含水層?。? m，當(dāng)?shù)叵滤桓哂谠撍粫r，含水層能夠保持彈性變形特征，以此作為地下水環(huán)境容量計算的第三承壓含水層地下水位約束條件。

圖3 上海市第三承壓含水層應(yīng)力應(yīng)變特征

3)第四承壓含水層

第四承壓含水層應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)典型的彈性－彈塑性－塑性變形的軌跡，由圖4可以看出，含水層由彈性階段向彈塑性變形階段過渡時，年度低水位一般位于－20～－25 m之間，當(dāng)年度低水位降至臨界水位時，高水位期回彈量逐漸減小，低水位期沉降逐漸增大，直至土層表現(xiàn)為全年度的持續(xù)壓縮，因此可認(rèn)為該監(jiān)測點(diǎn)臨界水位位于－20～－25 m，綜合統(tǒng)計上海所有監(jiān)測點(diǎn)第四承壓含水層的應(yīng)力－應(yīng)變特征統(tǒng)計臨界水位，取保守值－20 m，當(dāng)?shù)叵滤桓哂谠撍粫r，含水層能夠保持彈性變形特征，以此作為地下水環(huán)境容量計算的第四承壓含水層地下水位約束條件。

圖4 上海市第四承壓含水層應(yīng)力應(yīng)變特征

4)第五承壓含水層

由于對第五承壓含水層應(yīng)力－應(yīng)變歷史監(jiān)測資料不完整，現(xiàn)階段應(yīng)力應(yīng)變分析中，基本位于“塑性”變形向“彈塑性”變形轉(zhuǎn)化的過程中(圖5)，由此推測臨界水位應(yīng)比現(xiàn)階段水位要高，但其沉積年代早于第四承壓含水層，理論推測臨界水位應(yīng)比第四承壓含水層要低，結(jié)合以往經(jīng)驗，?。?5 m作為地下水環(huán)境容量計算的第五承壓含水層地下水位約束條件。

圖5 上海市第五承壓含水層應(yīng)力應(yīng)變特征

1.2.2 地面沉降控制目標(biāo)

隨著地面沉降災(zāi)害的不斷發(fā)展，其對城市防汛的影響程度不斷加重，中心城部分地區(qū)已低于黃浦江外灘地區(qū)平均高潮位(吳淞高程3.2 m)。同時，近年來軌道交通、磁浮列車等現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施投入運(yùn)營，不均勻地面沉降對其安全運(yùn)營影響十分顯著。因此，地面沉降在上海城市發(fā)展的不同時期，對城市安全影響表面出不同的方面，而且城市安全對地面沉降發(fā)展速率和累積程度的承受限度也是不斷降低的。

綜合分析上海地面沉降發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，城市防汛及軌道交通、磁浮列車、高架橋梁等生命線工程安全管理對地面沉降要求，結(jié)合當(dāng)時經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展?fàn)顩r，綜合確定地下水環(huán)境容量計算地面沉降控制目標(biāo)為5 mm/a。

1.2.3 地下水質(zhì)約束條件

在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平下，礦化度小于3 g/L的地下水具有開采價值。因此，將礦化度小于3 g/L作為地下水開開采區(qū)域的約束條件，礦化度大于3 g/L的區(qū)域地下水資源除特定用途外不予開采。

1.3 地下水環(huán)境容量計算模型

地下水環(huán)境容量實際上是一個復(fù)雜的約束優(yōu)化問題，分為數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化模型兩部分。首先根據(jù)上海市水文地質(zhì)條件，將整體地下含水層作為一個地下含水系統(tǒng)來綜合考慮，建立三維地下水滲流模型，同時考慮含水層的塑性變形和蠕變，建立非線性區(qū)域地面沉降模型，并將地下水滲流和地面沉降計算中有關(guān)參數(shù)進(jìn)行非線性耦合，與時間密切相關(guān)，最終建立了地下水環(huán)境容量計算的數(shù)學(xué)模型［5］。然后在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過分析實際資料和試算確定約束條件，根據(jù)開采量、地下水位和地面沉降之間的相關(guān)關(guān)系，采用罰函數(shù)法與變尺度法相結(jié)合的途徑建立優(yōu)化模型，進(jìn)行優(yōu)化反演分析。

輸入初始井流量，調(diào)用數(shù)值模型進(jìn)行正分析，計算得出各剖分節(jié)點(diǎn)上的地下水位和地面沉降值，代入目標(biāo)函數(shù)并計算函數(shù)值:

式中:Si為各剖分節(jié)點(diǎn)上的地下水位或地面沉降值，S允許為各剖分節(jié)點(diǎn)上的地下水位或地面沉降控制條件，n為總剖分節(jié)點(diǎn)數(shù)。

將計算得到的目標(biāo)函數(shù)值代入收斂判別式，若滿足判別式，則輸入的井流量總和即為滿足地面沉降控制條件的地下水環(huán)境容量;若不滿足，則根據(jù)計算值與控制條件的差異情況，調(diào)整開采量，代入模型迭代計算，直至滿足條件為止。

1.4 地下水環(huán)境容量評價

以上海市2005年地下水開采格局作為地下水環(huán)境容量計算的初始條件，其最終評價結(jié)果為2 500萬 m3/a，并將該最佳開采方案代入模型進(jìn)行預(yù)測至2010年，預(yù)測結(jié)果如圖6(以第四承壓含水層為例)所示，整體地下水流場較平緩，以金山西部楓涇地區(qū)最低，主要是受相鄰邊界浙江地區(qū)的地下水開采影響所致，與江蘇交界的嘉定北部也存在小面積的地下水位漏斗，區(qū)內(nèi)開采對水位的變化影響只起到次要作用，因此控制上海相鄰邊界的開采量尤為重要。

圖6 上海市第四承壓含水層地下水位預(yù)測分布圖

地面沉降預(yù)測如圖7所示，地面沉降得到較大緩解，除存在少量局部零星點(diǎn)達(dá)到5 mm/a的沉降漏斗(主要分布于上海與江、浙兩省的交界處)外，大部分地區(qū)的年均沉降量均小于5 mm/a，基本位于2～3 mm/a以內(nèi)，達(dá)到設(shè)定控制要求。

圖7 上海市2006－2010年累計地面沉降預(yù)測分布圖

2 地下水環(huán)境容量在地下水資源管理中的應(yīng)用

2.1 地下水開采與回灌方案編制

為保護(hù)地下水資源，防治地面沉降，上海地區(qū)不斷加強(qiáng)地下水資源管理力度，每年在深入分析上年度開采與回灌方案執(zhí)行情況的基礎(chǔ)上，基于當(dāng)前地下水開采與回灌格局、地下水位及地面沉降情況，依據(jù)地下水環(huán)境容量評價成果，綜合編制下年度地下水開采與回灌方案，并提出實施措施和建議。

地下水開采與回灌方案的制定主要從兩方面著手:地下水開采與回灌總量控制和地下水開采布局規(guī)劃。根據(jù)地質(zhì)環(huán)境容量評價成果逐步調(diào)整地下水凈采量至地下水環(huán)境容量評估值(包括逐步壓縮地下水開采量并穩(wěn)步增加地下水回灌量);在綜合確定全市地下水開采與回灌總量的基礎(chǔ)上，根據(jù)上年度地下水位和地面沉降空間格局調(diào)整地下水開采與回灌布局規(guī)劃，制定各區(qū)縣、各含水層地下水開采與回灌目標(biāo)，進(jìn)而具體到每口井的開采回灌量的分配。利用地下水環(huán)境容量計算模型，按照地下水開采與回灌的規(guī)劃條件對研究區(qū)進(jìn)行預(yù)報，預(yù)報期初始水位(包括含水層水位和弱透水層水位)為上一年度年末的水位，預(yù)測下一年度地下水位和地面沉降的發(fā)展趨勢，預(yù)測結(jié)果與地下水位和地面沉降控制目標(biāo)進(jìn)行比對，若未達(dá)到控制目標(biāo)則繼續(xù)調(diào)整地下水開采與回灌總量和布局規(guī)劃，直至達(dá)到控制目標(biāo)。

2.2 地下水資源管理

為保證地下水開采回灌方案的執(zhí)行，建立了行之有效的地下水資源管理工作機(jī)制，主要有以下幾個方面。

數(shù)據(jù)共享機(jī)制取得的地下水管理及地面沉降監(jiān)測資料，包括深井基本資料、地下水月采灌量資料、深井使用狀況資料、地面沉降監(jiān)測成果資料等，實現(xiàn)工作部門之間的數(shù)據(jù)共享，并建立了數(shù)據(jù)發(fā)布制度，定期向社會公布地下水資源管理和地面沉降防治工作成果。

過程監(jiān)督機(jī)制:為保障地下水開采回灌方案的貫徹執(zhí)行，建立了地下水開采回灌方案的過程控制機(jī)制，每月核查各深井水表，保證各深井按照年度開采回灌計劃執(zhí)行并根據(jù)每月地下水位動態(tài)監(jiān)測成果驗證地下水開采回灌方案的執(zhí)行情況，達(dá)到地下水開采回灌方案執(zhí)行的全過程控制。

會議機(jī)制:開展不同層面的會議，促進(jìn)各工作部門的意見交流與會商，共同保障采灌方案的合理制定和有效實施。

保障機(jī)制:為積極推進(jìn)地下水資源管理工作的開展，從法規(guī)建設(shè)、技術(shù)保障、規(guī)劃制定等方面建立了完善的保障機(jī)制，如“地下水開發(fā)利用規(guī)劃”、“地下水功能區(qū)劃”、“回灌井建設(shè)規(guī)劃”等，明確了地下水資源管理的目標(biāo)和任務(wù)，為進(jìn)一步推動地下水資源保護(hù)奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

通過地下水環(huán)境容量的分析計算，上海市現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)、環(huán)境條件下每年可供開采的地下水資源量為2 500萬 m3，以此為基礎(chǔ)尋求資源可持續(xù)開發(fā)利用與環(huán)境影響的平衡點(diǎn)，編制上海市地下水年度開采與回灌方案，并制訂一系列政策與措施加強(qiáng)地下水管理。

［1］陳華文.關(guān)于上海地質(zhì)工作發(fā)展的思考［J］.上海地質(zhì).2008(3):1～2.

［2］邢立亭，武強(qiáng)，徐軍祥等.地下水環(huán)境容量初探——以濟(jì)南泉域為例［J］.地質(zhì)通報.2009，28(1):124～129.

［3］魏子新.上海市第四承壓含水層應(yīng)力應(yīng)變 －分析［J］.上海地質(zhì).2002(1):1～4.

［4］魏子新，楊桂芳，俞俊英.上海市承壓含水層系統(tǒng)應(yīng)力 －應(yīng)變特征及地面沉降防治對策［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報.2005，16(1):5～8.

［5］薛禹群.中國地下水?dāng)?shù)值模擬的現(xiàn)狀與展望［J］.高校地質(zhì)學(xué)報.2010，16(1):1 ～6.

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1004－1184(2012)03－0061－03

2011－12－21

張月萍(1981－)，女，江蘇太倉人，碩士，主要從事水文水資源計算和水資源開發(fā)及保護(hù)研究。