鄭州市萬灘應(yīng)急地下水水源地評(píng)價(jià)

郭山峰，王道山，李志國(guó)，韓文輝，何偉民

(1．河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001；2河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450016；3.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450016；4.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450018)

0 引言

20世紀(jì)90年代以來，為滿足鄭州市城市供水需求，河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局組織相關(guān)單位在鄭州北郊黃河南岸沿線進(jìn)行了水源地勘察工作，鄭州“九五”灘水源地取得B級(jí)地下水允許開采量10×104m3/d[1]，鄭州北郊水源取得B級(jí)地下水允許開采量20×104m3/d[2]。目前2處水源地分別為石佛水廠和東周水廠供水。鄭州市作為河南省政治、經(jīng)濟(jì)及文化中心，又是中原城市群核心區(qū)，隨著人口不斷增加及城市建設(shè)擴(kuò)建，用水量訊速增長(zhǎng)，為保障鄭州市水資源供水體系，提高城市在特枯年、連續(xù)干旱年及水污染事件突發(fā)時(shí)的危機(jī)應(yīng)對(duì)能力，保障城市供水安全，社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展[3]，河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局下達(dá)了“河南省淮河流域主要城市應(yīng)急(后備)地下水水源地選址論證”項(xiàng)目(豫地環(huán)〔2012〕9號(hào))，鄭州市萬灘應(yīng)急地下水水源地是其子項(xiàng)目，主要通過資料收集及野外補(bǔ)充調(diào)查綜合論證為城市選取一處應(yīng)急后備水源地[4]。

1 自然地理?xiàng)l件

1.1 氣象、水文

擬選水源地區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)氣候，常年平均氣溫為14.25℃，常年平均降水量為648.6 mm，常年平均蒸發(fā)量為1853.2 mm。

黃河從擬選水源地區(qū)北部邊界由西向東流經(jīng)，進(jìn)入擬選水源地區(qū)后，成為馳名中外的“地上懸河”，河床高出堤外地面2～5 m，常年補(bǔ)給地下水，補(bǔ)給寬度5～10 km。據(jù)花園口水文站多年資料，黃河常年平均流量為1201 m3/s；最大實(shí)測(cè)洪峰流量達(dá)22 300 m3/s(1958年)，最低時(shí)可干枯(1960年)。

1.2 地貌

擬選水源地區(qū)分布在黃河主流道以南、大堤以北地帶的黃河漫灘，海拔90～97 m，高出堤外地面0.5 m，由西向東黃河大堤內(nèi)、外高差逐漸增大。灘面平坦微向河床傾斜，高度的不同分為低漫灘和高漫灘。低漫灘高出黃河水位約1 m，一般洪水不到，分布面積較大，前緣陡坎和河水接觸，形成物質(zhì)為粉細(xì)砂。高漫灘：零星分布在該區(qū)的兩端，面積小，高出黃河水位約3 m，其上有村莊和耕地。

1.3 水文地質(zhì)條件

依照含水層的埋藏深度、成因類型、水力性質(zhì)和開采條件，可將本區(qū)地下水含水層組劃分為淺層含水層組與中深層含水層組(圖1)。

圖1 鄭州市供水工程分布及區(qū)域水文地質(zhì)圖Fig.1 Regional hydrogeological map showing the distribution of Zhengzhou water supply project

1.3.1 淺層含水層組

由黃河沖積形成，含水層由中更新統(tǒng)上段、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)組成，巖性以砂層為主，多為四層，砂層間夾厚度較薄的砂質(zhì)黏土、粉土弱透水層。含水層底板埋深70～120 m，在此之上基本無穩(wěn)定隔水層。含水層主要為中粗砂、細(xì)砂和中砂，含水層厚度一般為50～70 m，萬灘一帶最厚，約80 m，自西南往東北，含水層呈現(xiàn)出厚度由薄變厚，顆粒由細(xì)變粗的明顯趨勢(shì)，水位埋深2～6 m。地下水的富水性可分為強(qiáng)富水區(qū)(單井涌水量>3000 m3/d)，富水區(qū)(單井涌水量1000～3000 m3/d)和中等富水區(qū)(單井涌水量500～100 m3/d)(圖1)。

天然條件下淺層地下水的補(bǔ)給以大氣降水入滲補(bǔ)給和黃河側(cè)滲補(bǔ)給為主。受地形地貌控制，淺層地下水由西北黃河上游向東南方向徑流，水力坡度與地形坡度幾近一致，一般在0.05‰～0.1‰，屬徑流滯緩類型。地下水排泄以蒸發(fā)和開采為主。

地下水的水化學(xué)類型主要為重碳酸鎂鈣鈉型和重碳酸鈣鈉型，礦化度為150～608 mg/L，pH值為7.31～7.98，總硬度為159.07～608.45 mg/L，地下水水質(zhì)總體較好。

1.3.2 中深層含水層組

含水層由中更新統(tǒng)下段和下更新統(tǒng)的各類砂層、砂礫石層組成。巖相由盆地邊緣的沖洪積、沖湖積向東過渡到湖積和冰水堆積。底板埋深一般180～300 m。該層的特點(diǎn)是，含水砂層為多層。靠近河堤邊緣一帶顆粒較粗，為中細(xì)砂、中砂、細(xì)砂，局部夾中粗砂和砂礫石，其中沖積、沖湖積中的主流相，顆粒粗、厚度大，而側(cè)流相顆粒細(xì)、厚度薄，該層累計(jì)厚度為40～80 m。單井涌水量為1000～3000 m3/d，水位埋深20～50 m。

中深層地下水的補(bǔ)給以側(cè)向徑流和淺層地下水的越流補(bǔ)給。地下水的流向由高水位流向市區(qū)降落漏斗的低水位，水力坡度0.9‰～8.0‰。地下水排泄以人工開采為主。

地下水的水化學(xué)類型主要為重碳酸鈣型和重碳酸鈣鎂型，礦化度為500～700 mg/L，總硬度為150～300 mg/L，水質(zhì)較好，該層是鄭州市城區(qū)供水的主要開采層位，因過量開采，目前已形成持續(xù)降落漏斗，并產(chǎn)生一些環(huán)境水文地質(zhì)問題，多數(shù)水井已停采或禁采。

通過對(duì)淺層地下水與中深層地下水含水層分析，兩含水層之間存有較厚的隔水層，且透水性較差，淺層地下水水位埋深2～6 m，中深層水位埋深20～50 m，水頭差較大，天然條件下，淺層地下水與中深層地下水水力聯(lián)系微弱。

2 地下水應(yīng)急水源地的確定

2.1 鄭州市供水現(xiàn)狀

鄭州市是地表水和地下水聯(lián)合供水的城市。地表水主要以黃河及賈魯河水作為供水水源，2014年底引入南水北調(diào)水源，引黃水源地有邙山提灌站、花園口提灌站；地下水水源地有市區(qū)井水廠、北郊水源地和“九五灘”水源地；人工水庫蓄水有尖崗水庫和常莊水庫(圖1)。城區(qū)年供水總量約50 571×104m3，鄭州市自來水投資控股有限公司的供水量為32 845×104m3，占總供水量的64.95%；市節(jié)約用水辦公室管理范圍內(nèi)的自備井供水量為1 796×104m3，占全部供水量的3.55%；河道工程管理處補(bǔ)給鄭州市城區(qū)生態(tài)用水15 930×104m3，占供水量的31.50%。

2.2 應(yīng)急水源地選址確定

擬選水源地區(qū)位于鄭州市東北部黃河南岸萬灘一帶，沿黃河南岸從西向東依次分布著鄭州“九五灘”水源地、北郊水源地和東彰—浪城崗后備水源地。擬選的鄭州市萬灘應(yīng)急地下水水源地處于北郊水源地和東彰—浪城崗后備水源地之間，地理座標(biāo)東經(jīng)113°49′—114°01′，北緯34°48′—34°56′，面積約152.40 km2。擬選水源地區(qū)位于黃河沖積扇中上部，堆積了巨厚的粗粒相堆積物，為地下水的賦存提供了良好的空間。淺層地下水含水層以中砂、細(xì)砂、中粗砂為主，屬富水區(qū)及強(qiáng)富水區(qū)段。包氣帶巖性為粉土或粉砂，結(jié)構(gòu)松散，有利于大氣降水補(bǔ)給。黃河在該河段以地上懸河為主，河水通過河床源源不斷地補(bǔ)給岸邊地下水，黃河下游河南段河流側(cè)滲量多年平均為25 000×104m3[5]，具有豐富的補(bǔ)給資源保障。

3 淺層地下水開采資源量評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)原則與方法

3.1.1 評(píng)價(jià)原則

水源地緊鄰黃河南岸，位于黃河影響帶范圍內(nèi)，接受黃河的側(cè)向徑流補(bǔ)給，補(bǔ)徑排關(guān)系清楚，為傍河型水源地類型。

依據(jù)水源地的水文地質(zhì)條件，該水源地地下水允許開采量是指通過經(jīng)濟(jì)合理的取水方案，在整個(gè)開采期內(nèi)出水量不會(huì)減少，水質(zhì)不發(fā)生惡化趨勢(shì)，不發(fā)生危害性的環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象的前提下，最大限度地奪取黃河水補(bǔ)給量。

3.1.2 評(píng)價(jià)方法

本次開采資源量評(píng)價(jià)采用解析法。解析法是以水位降深為基礎(chǔ)來計(jì)算的，所計(jì)算降深完全由新增開采量產(chǎn)生。其特點(diǎn)是計(jì)算較簡(jiǎn)單，不考慮垂向量等其他因素影響。計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果同其他方法基本一致，結(jié)果是可靠的。

3.2 邊界條件及計(jì)算模型

3.2.1 邊界條件

擬選水源地北邊界黃河流量大，水面寬，與地下水水力聯(lián)系密切，可作為定水頭補(bǔ)給邊界處理。將黃河補(bǔ)給邊界向河床內(nèi)推移1000 m，那里的地下水水位同河水位一致，不受開采影響。

含水層向東、西、南三個(gè)方向無限延伸，淺層含水層分布廣泛，其巖性以中粗砂和中砂為主，將其概化為無限均質(zhì)含水層。

淺層地下水與中深層地下水含水層之間存有較厚的隔水層，且透水性較差，不考慮兩者的越流補(bǔ)給。

(1)屬性anaType表示指代類型,即哪種要素的指代,或是事件的指代.若是對(duì)象要素的指代,屬性值為Object;若是時(shí)間要素的指代,屬性值為Time;若是環(huán)境要素的指代,屬性值為L(zhǎng)ocation;若是事件的指代,屬性值為Event.

3.2.2 計(jì)算模型

根據(jù)邊界條件，選用潛水完整井井群干擾非穩(wěn)定流公式(1)[6]：

(1)

式中：S為某點(diǎn)處的降深值，m；H為某點(diǎn)處的含水層厚度，m；h為抽水延續(xù)t時(shí)間時(shí)觀測(cè)孔中水柱高，m；Qi為第i個(gè)井的出水量，m3/d；Ki為第i點(diǎn)處的滲透系數(shù)，m/d；W(ui)為井函數(shù)，見公式(2)：

(2)

式中：ui為井函數(shù)自變量，見公式(3)：

(3)

式中：ri為計(jì)算點(diǎn)到第i個(gè)井的距離，m；Ti為第i個(gè)井處的導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；μi為第i個(gè)井處的給水度；t為抽水延續(xù)時(shí)間，d。

在開采井結(jié)構(gòu)相同，涌水量也相等，當(dāng)抽水時(shí)間延續(xù)很長(zhǎng)，ui≤0.01時(shí)上式可簡(jiǎn)化為

(4)

(5)

S=H-h

(6)

式中：r1為計(jì)算點(diǎn)到實(shí)井的距離，m；r2為計(jì)算點(diǎn)到虛井的距離，m。

利用計(jì)算機(jī)DOS編程程序，采用正演試驗(yàn)法進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，即首先給出一組參數(shù)初值(由單孔抽水試驗(yàn)等方法確定)，代入潛水完整井井群干擾非穩(wěn)定流公式(4)，分別計(jì)算各觀測(cè)井各時(shí)段的水位降深，與實(shí)測(cè)降深進(jìn)行比較，調(diào)整參數(shù)使其水位降深與實(shí)測(cè)降深誤差達(dá)到最小為止，這樣就得到一組具有代表性的參數(shù)。

通過多次調(diào)參計(jì)算，確定本次計(jì)算參數(shù)值，滲透系數(shù)K=27.2 m/d，導(dǎo)水系數(shù)T=1200 m2/d，重力給水度μ=0.055。

3.3 資源量評(píng)價(jià)

先給定開采方案，輸入計(jì)算參數(shù)，再次利用已編制好的DOS編程程序，反演試算在一定時(shí)段內(nèi)，水源地所有水井定流量全部開采情況下，對(duì)各觀測(cè)井各時(shí)段的水位累計(jì)降深進(jìn)行預(yù)報(bào)，從而論證開采方案的可行性，經(jīng)過多次反演試算，最終確定如下方案。

3.3.1 開采方案

為了最大奪取黃河水對(duì)淺層地下水的補(bǔ)給量，同時(shí)又不會(huì)因地下水位下降對(duì)黃河大堤產(chǎn)生影響，參考附近傍河水源地布井建井方案及本次抽水試驗(yàn)影響半徑(R為485～850 m)，沿河岸雙排布井，排距1000 m。北側(cè)井排距黃河500 m，井間距500 m，布井36眼，單井涌水量0.40×104m3/d；南側(cè)井間距1000 m，布井18眼，單井涌水量0.30×104m3/d；共布井54眼(圖2)，開采總量為19.8×104m3/d，應(yīng)急開采期為200 d。單井深120 m，管徑0.30 m，井徑0.60 m。

圖2 水源地開采方案布井示意圖Fig.2 Schematic map of well layout of water source exploitation plan

3.3.2 降深預(yù)報(bào)

依照上述開采方案，利用計(jì)算機(jī)DOS編程程序，計(jì)算開采延續(xù)200 d時(shí)各時(shí)段觀測(cè)井的降深值(表1，圖3)。在黃河側(cè)向滲水補(bǔ)給作用下，zz17中心井10 d后水位下降速度迅速減小，200 d水位下降速率為0.0124 m/d，已經(jīng)漸趨穩(wěn)定狀態(tài)，水位下降速度緩慢，最大水位降深為10.81 m，該值不及h(靜水位到含水層底板平均80 m)的1/5。

表1 地下水位降深預(yù)報(bào)成果Table 1 List of prediction result of groundwater level drop

圖3 水源地水位預(yù)報(bào)降深歷時(shí)曲線Fig.3 Diachronic curve of water level forecast depth drop in the water source area

擬建水源地開采所引起的水位降落漏斗范圍很小，降落漏斗中心位于萬灘村一帶，最大水位降深10.81 m。水位降深大于6 m的范圍僅有17.88 km2，漏斗呈細(xì)長(zhǎng)條形，平行河岸線展布，西至小朱莊，東至辛寨北(圖4)。天然條件下水源地范圍內(nèi)淺層地下水水位埋深為2～6 m，開采后水位埋深一般為8～14 m。水位埋深僅對(duì)漏斗中心區(qū)的部分民用井(井深一般為10～20 m)產(chǎn)生一定影響，其他影響甚微。

圖4 水源地水位預(yù)報(bào)降深等值線圖Fig.4 Contour map of water level forecast depth drop in the water source area

3.3.3 比擬法估算可采資源量

鄭州市“九五灘”與“北郊”兩個(gè)傍河水源地，與新應(yīng)急水源地毗鄰，均處于鄭州段黃河南岸，水文地質(zhì)條件基本相同。

“九五灘”水源地位于黃河鐵橋的下游，沿河分布長(zhǎng)度近10.0 km，根據(jù)距河岸300 m的井排布置方案，通過解析法和數(shù)值法及井群開采抽水試驗(yàn)確定的水源地可采資源量為10×104m3/d，即每千米長(zhǎng)度河岸的地下水開采資源量約1.0×104m3/d。

“北郊”水源地位于花園口的下游，沿河分布長(zhǎng)度約30 km，在沿河岸離河400～1200 m范圍內(nèi)布置了20多眼開采井，供水詳勘階段用三維數(shù)值模型和水均衡法以及開采抽水試驗(yàn)法評(píng)價(jià)的水源地可開采資源量為20×104m3/d，即每千米河岸長(zhǎng)度的開采資源量約0.70×104m3/d。

通過以上兩個(gè)水源地單位河岸長(zhǎng)度的地下水可開采資源量估算分析，萬灘水源地沿河岸長(zhǎng)度約21.07 km，其地下水開采資源量在14.75×104～21.07×104m3/d間。

3.3.4 地下水資源保障程度分析

擬選水源地區(qū)處于黃河強(qiáng)影響帶(距黃河5 km內(nèi))，河水與水源地水力聯(lián)系密切，傍河水源地80%以上開采量來自黃河水的側(cè)滲補(bǔ)給[7]。據(jù)此計(jì)算，該水源地開采條件下，黃河水流入側(cè)滲補(bǔ)給量最少為15.84×104m3/d，僅占黃河最小平均流量(452 m3/s)的1/237，天然條件下，黃河水補(bǔ)給水源地開采是有保障的。

在特枯年或連續(xù)干旱條件下，如果河水?dāng)嗔鳎虝r(shí)間內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生太大影響，因黃河下游分布著巨厚的孔隙含水層，地下水儲(chǔ)存量豐富，約為551.33×108m3，黃河水和地下水可以通過引黃補(bǔ)源、以豐補(bǔ)欠、相互轉(zhuǎn)化調(diào)蓄水資源[8]，補(bǔ)給水源地開采量，提供水資源保證。

自小浪底水庫運(yùn)行以來，黃河下游未出現(xiàn)過河水?dāng)嗔鳜F(xiàn)象，花園口水文站多年平均流量為786 m3/s，為黃河下游傍河水源地提供了有力保障。

4 結(jié)論

擬選水源地處于黃河下游沖積扇的中、上部，區(qū)內(nèi)分布著巨厚的第四系孔隙含水層，地下水儲(chǔ)存量豐富，黃河水與地下水在枯水及豐水期可以相互轉(zhuǎn)化調(diào)蓄，為水源地開采地下水資源提供了極為有利的保障條件，水源地地質(zhì)環(huán)境條件較為優(yōu)越。

通過解析法對(duì)鄭州市萬灘應(yīng)急地下水水源地預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)，按上述布井方案，沿河岸雙排布井54眼，開采資源量以19.8×104m3/d進(jìn)行200 d的不間斷開采后，該水源地中心井位最大水位降深為10.81 m，水位降深造成的地面沉降量極小，不會(huì)產(chǎn)生次生地質(zhì)環(huán)境問題。

用比擬法對(duì)該水源地進(jìn)行了可開采量估算，其地下水開采資源量最大為21.07×104m3/d，滿足本次擬開采資源量19.8×104m3/d，該水源地可以作為未來突發(fā)時(shí)刻鄭州市中短期供水的補(bǔ)充水源。