長春市伊通河河谷地下水應(yīng)急水源地開發(fā)利用潛力分析

朱彤，朱旭，朱時佳，李文俊，孫艷玲，于暢

1.吉林省地質(zhì)調(diào)查院，吉林 長春 130102；2.四平市圣博建筑有限公司，吉林 四平 136000；3.中國地質(zhì)調(diào)查局牡丹江自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 牡丹江 157021；4.吉林省地震局吉林地震臺，吉林 長春 130117

0 引言

隨著吉林省長春市的城市化建設(shè)進程的快速發(fā)展和經(jīng)濟水平的高速增長，水資源已經(jīng)逐漸成為了城市可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)和戰(zhàn)略性資源。目前長春市中心城區(qū)的地下水資源較豐富，地下水多年平均資源量為1.32×108m3，可開采資源1.05×108m3，但地下水的豐富程度在吉林省仍處于中等偏下水平。長春市的地下水資源質(zhì)量狀況總體較好，但地下水開發(fā)利用所引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害問題以及生態(tài)環(huán)境的惡化現(xiàn)象仍然存在，地下水位不斷下降，水污染事故時有發(fā)生，所以尋找地下水應(yīng)急水源地就變得尤為重要。

長春市伊通河河谷位于山前沖洪積平原，三面環(huán)山，匯水面積較大。經(jīng)過多回次沉積，砂礫石層厚度可達25～50 m，為地下水的運移和儲存提供了通道和空間。伊通河河谷具備以下優(yōu)勢：地下水資源量大，地下水的補給、徑流、排泄運移條件好，地下水更新速度快，地質(zhì)環(huán)境良好，距離長春市中心城區(qū)近等，可以作為應(yīng)急地下水源地的基本條件。

1 伊通河河谷水文地質(zhì)概況

伊通河河谷水源地位于長春市郊區(qū)南部、伊通縣北部，伊通縣樂山鎮(zhèn)楊家、倪家、前辛村等村屯。地理坐標為東經(jīng)125°14′～125°22′，北緯43°26′～43°34′。面積79.49 km2。水源地位置見圖1。

圖1 長春市伊通河河谷地下水應(yīng)急水源地位置示意圖

伊通河谷應(yīng)急水源地位于伊—舒盆地西支斷裂帶。伊—舒盆地西支斷裂處于丘陵和盆地的接觸帶沿北東50°方向展布，航片顯示有明顯陡坎[1]。斷層帶傾向北西，傾角70°左右，內(nèi)有糜棱巖和斷層泥。該斷層使志留系片理化晶屑凝灰?guī)r逆掩到新近系地層之上[2]，為壓性或壓扭性。

伊—舒盆地新構(gòu)造運動的主要特點以繼承性、間歇性和差異性為主。差異性表現(xiàn)在東南部相對上升，形成低山丘陵地貌，西北部伊舒盆地相對下降形成厚度大于400 m的新近系湖相堆積物，第四系沉積厚度達50 m，而中部河谷平原第四系沉積厚度25 m。繼承性表現(xiàn)在伊舒斷裂的多次反復(fù)活動，沉積了較厚的新近系及第四系地層。間歇性體現(xiàn)在第四系和新近系不整合接觸，出現(xiàn)沉積間斷和河谷兩側(cè)侵蝕和堆積相應(yīng)形成的一、二級階地及臺地。

多級構(gòu)造造就伊通河匯水谷地。受新生代坳陷和兩側(cè)新生代隆起控制，地形東西高，中間低，南高北低。地貌上由低向高形成明顯的三個階段，即河谷平原、黃土臺地、低山丘陵。在這三個地貌單元上，由于含水介質(zhì)及埋藏條件的差異，分別形成了不同類型的地下水，即地勢低平的河谷平原形成的孔隙潛水，地勢較高的臺地形成的微承壓水，地勢更高的丘陵區(qū)形成的風化裂隙水或孔隙裂隙水。三種類型的地下水互相聯(lián)系，構(gòu)成一個統(tǒng)一的徑流系統(tǒng)。即由地勢較高的丘陵區(qū)流向臺地，再由臺地向河谷中運移，成為一個地下匯水谷地。由此，可確定伊通河流域河谷平原孔隙潛水為地下水應(yīng)急水源地。

2 應(yīng)急水源地供水量評價分析

伊通河河谷淺層地下水分布規(guī)律受地貌單元控制。由于含水層的巖性、厚度、埋藏條件及徑流條件的差異，含水層的富水性、導(dǎo)水性的不同。故可依據(jù)含水層厚度、導(dǎo)水性、富水條件劃分為兩個區(qū)，即河谷平原砂礫石、卵礫石層孔隙水潛水富水區(qū)及黃土臺地微承壓水富水、貧水區(qū)。

淺層水的補給、徑流和排泄是地下水形成的控制因素，受地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和人為因素的控制。補給主要包括大氣降水補給、農(nóng)田灌溉回滲補給和地下徑流補給；排泄以蒸發(fā)、人工開采、泄流為主。水位埋深在1.30～9.44 m之間，平均水位埋深4.65 m。

通過王家哨、前辛屯、霍家店三眼試驗井進一步驗證了伊通河河谷水源地含水層結(jié)構(gòu)、出水量、影響半徑等。查明第四系厚度18～23.3 m，靜水位2.72～7.92 m，含水層厚度14.73～17.18 m，降深3～8 m，單井涌水量720～1 741 m3/d。見表1。

表1 伊通河河谷水源地試驗井參數(shù)一覽表

3 應(yīng)急地下水資源量分析與計算

應(yīng)急地下水資源量分析，主要包括地下水的天然補給量、儲存量、應(yīng)急供水需求量、可開采量及開采時間等。依據(jù)長春市以往工作成果以及地質(zhì)背景條件，潛水動用儲存量不宜超過潛水含水層厚度的一半。

3.1 天然補給量

天然補給量計算包括降水入滲補給量、灌溉回滲量和側(cè)向補給量。在前人工作成果基礎(chǔ)上，利用已獲取新的近十年大氣降水資料對資源量進行重新計算，長春市近十年平均降水量656.09 mm，降水入滲系數(shù)河谷0.17，臺地0.15。臺地面積42.71 km2，河谷面積36.78 km2。灌溉水回滲系數(shù)0.33，灌溉定額7 500 m3/hm2·a。

降水入滲補給量為0.083×108m3/a，計算結(jié)果見表2。灌溉回滲量為0.091×108m3/a，計算結(jié)果見表3。側(cè)向補給量為0.417 5×108m3/a，計算結(jié)果見表4。天然補給量為0.5915×108m3/a，計算結(jié)果見表5。

表2 應(yīng)急水源地降水入滲補給量計算成果表

表3 應(yīng)急水源地灌溉回滲量計算成果表

表4 應(yīng)急水源地側(cè)向徑流補給量計算成果表

表5 應(yīng)急水源地天然資源計算成果表

降水入滲補給量計算公式：

Q降=F·X·α·103

式中：Q降為降水入滲補給量，×108m3/a；F為計算單元面積，m2；X為降水量；α為降水入滲補給系數(shù)。

灌溉水回滲量計算公式：

Q回=β·Q引·F

式中：Q回為灌溉水回滲量；β為回滲系數(shù)，多采用當?shù)厮块T實測或計算數(shù)據(jù)；Q引為灌溉定額引水量；F為灌片面積，hm2[3]。

側(cè)向徑流補給量計算公式：

Q側(cè)=Ti·Ii·Bi·t

式中：Q側(cè)為側(cè)向徑流補給量，m3/a；Ti為第i補給斷面的導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；Ii為第i補給斷面的水力坡度；Bi為第i補給斷面的補給斷面寬度，m；t為補給時間，d[3-4]。

3.2 可動用的極限儲存量計算

計算公式：

W=μF×M

式中：W為儲存量，×104m3/a；μ為含水層給水度；F為計算區(qū)面積，km2；M為含水層厚度，m[3]。

計算結(jié)果見表6。

表6 應(yīng)急水源地儲存量計算成果表

在開采條件下，極限可動用儲存量等于開采條件下儲存量減去不可動用儲存量。極限可動用儲存量1.145 5×108m3。

3.3 應(yīng)急開采量

根據(jù)伊通河水源地富水性以及含水層厚度，采用穩(wěn)定流干擾平均布井法計算開采量，水量消減系數(shù)參考前人成果[5]，按照富水性劃分計算區(qū)段，采用降深5 m或含水層厚度的一半，單井平均涌水量及合理井距計算開采量[5]。

計算公式：

Q開=Q單·ai·n·T

式中：Q開為開采量，m3/d；Q單為單井涌水量，m3/d；ai為水量消減系數(shù)；n為布井數(shù)；T為開采時間，d。

計算結(jié)果見表7。

表7 應(yīng)急水源地日供水能力計算成果

3.4 應(yīng)急開采及供水能力分析

伊通河應(yīng)急水源地應(yīng)急供水能力18.26×104m3/d，可滿足生活用水量：拘謹型211.8萬人，節(jié)約型167.6萬人，一般型132.8萬人。30天應(yīng)急開采量占儲存量4.8%，60 d應(yīng)急開采量占儲存量9.6%，90 d應(yīng)急開采量占儲存量14.4%，120 d應(yīng)急開采量占儲存量19.2%，150 d應(yīng)急開采量占儲存量25%。計算結(jié)果見表8，表9。

表8 應(yīng)急水源地地下水可利用的儲存量計算結(jié)果

表9 應(yīng)急水源地供需水能力分析表

4 應(yīng)急水源地水質(zhì)評價

為了了解伊通河河谷水源地水質(zhì)是否變化，能否滿足飲用水標準，本次工作收集2018年水源地樣品9件，同時與1986年、2012年已有水源地勘察資料進行了對比分析，見伊通河河谷水源地不同年代主要水質(zhì)實測值對比表(表10)。

表10 伊通水源地不同年代主要水質(zhì)實測值對比表

水質(zhì)分析項目指標絕大部分滿足地下水質(zhì)量標準(GB/T 14848)Ⅲ類水以上標準，其中滿足Ⅲ類水樣品3個，占33.3%；滿足Ⅳ類水樣品2個，占22.2%；Ⅴ類水樣品4個，占44.4%；Ⅳ、Ⅴ類水主要界定組分為硝酸鹽、氨氮、鐵、錳超標，其中硝酸鹽超標點數(shù)1個，占11%，超標2.2倍；氨氮超標點數(shù)3個，占33%，超標1.1～1.7倍；鐵超標點數(shù)5個，占56%，超標1.1～42.6倍；錳超標點數(shù)6個，占67%，超標2.2～17.5倍。

如果不考慮鐵、錳原生組分指標，那么主要污染物僅為硝酸鹽、氨氮，則滿足Ⅲ類水樣品5個，占55.6%；滿足Ⅳ類水樣品3個，占33.3%；滿足Ⅴ類水樣品1個，占11.1%。

地下水水質(zhì)隨著水文、氣象和不斷變化的人文環(huán)境而變化，尤其是本水源地位于河谷，農(nóng)業(yè)化程度較高，因此，水源地水質(zhì)主要超標項目種類和超標含量上均出現(xiàn)明顯變化，1986年超標項目有Fe、NH4和高錳酸鹽指數(shù)，其中超標含量幅度Fe和高錳酸鹽指數(shù)較高，分別超標1.2～10.66倍，1.0～7.0倍；2012年超標項目除以上項目外，出現(xiàn)NO3和pH含量略超標，分別為1.46倍、1.13倍，呈點狀污染；Fe含量超標率較大，占取樣點總數(shù)的85.71%，超標1.03～40.53倍，呈面狀污染，超標倍數(shù)比1986年增加4倍；2018年超標項目基本與1986、2012年相同，F(xiàn)e與1986年大體相同，超標倍數(shù)略有增加；NH4與1986年相比大幅下降，其他項目含量變化不大。水化學(xué)類型變化較大，由簡單的重碳酸鈣型水和重碳酸鈣鈉型水，變化到較復(fù)雜多元素組合的重碳酸鈣型水，重碳酸氯化物鈣型水、重碳酸鈣鎂型水、重碳酸硫酸鈣鎂型水、硝酸氯化物鈣鎂型水。

水源地水質(zhì)在不同年代變化幅度較大的元素是Fe和NO3。前者由于受原生地質(zhì)環(huán)境影響，污染物含量逐步升高；后者多呈點狀污染，是由于局部受農(nóng)業(yè)或生活嚴重污染，造成污染物含量明顯升高，面積不斷擴大，從而導(dǎo)致水化學(xué)類型由簡單類型水發(fā)展到多元素組合的復(fù)雜類型水。

綜上所述，受原生地質(zhì)環(huán)境影響，水源地鐵、錳含量逐步升高；由于第四系地層亞黏土厚度較薄，防污性能較差，受農(nóng)業(yè)化肥的使用影響，氨氮含量明顯升高；局部受生活環(huán)境影響，硝酸鹽污染物含量明顯升高，面積不斷擴大，從而導(dǎo)致地下水化學(xué)類型復(fù)雜化。

高鐵錳地下水經(jīng)處理后，能夠滿足飲用水要求；氨氮隨著地下水應(yīng)急水源地保護區(qū)的劃定，將限制使用化肥、農(nóng)藥，氨氮組分濃度隨著水文、氣象等自然因素作用將逐步降低；硝酸鹽超標組分需改善周邊環(huán)境，消除污染因素，水質(zhì)即可轉(zhuǎn)變。因此，該處水源地在水質(zhì)達標前不能作為應(yīng)急水源，經(jīng)處理達到飲用水質(zhì)標準后可作為應(yīng)急水源。

5 應(yīng)急開采引發(fā)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問題分析

伊通河河谷應(yīng)急水源地開采目的層為第四系松散巖類孔隙水，含水層為中粗砂，厚度10～25 m，上覆亞黏土厚度5～10 m。應(yīng)急開采僅動用含水層儲存量的一半，不會引發(fā)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問題。即便應(yīng)急持續(xù)開采一段時間，造成水位進一步下降，附近無污染企業(yè)和污染源，不會造成水質(zhì)污染，下降的水位次年易恢復(fù)，不會引發(fā)生態(tài)環(huán)境問題。水源地遠離城區(qū)，無高大建筑物，零星分布村屯及大面積農(nóng)田。應(yīng)急開采井施工工藝簡單，建設(shè)強度小，場地破壞面積小，且施工后場地易恢復(fù)，應(yīng)急水源地建設(shè)不會引發(fā)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問題。

6 結(jié)論

伊通河河谷應(yīng)急水源地具有較大的儲水空間和較為充足的補給水源，地下水儲存量能夠有效滿足短期集中供水的需求。水質(zhì)在城市遭遇供水危機時，采取可行的處理措施和方法可滿足對飲用水水質(zhì)的需求。在應(yīng)急時段能夠做到及時并盡可能長的為目標區(qū)供水[6]。因具有較高的安全性，抗干擾能力強，環(huán)境地質(zhì)問題較少且能夠滿足水量、水質(zhì)及開采條件的要求，故可確定為地下水應(yīng)急源地。建議盡快建立水源保護區(qū)，改善水質(zhì)，保護水源。