南通濱海新區地下水應急水源地風險預測

張 巖，劉 彥，毛 磊，龔緒龍，葉淑君，劉 源，李 進

(1.江蘇省地質調查研究院，江蘇 南京 210049；2.國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇 南京 210049；3.南京大學，江蘇 南京 210018)

1 研究背景

隨著我國城市化進程的加快，突發性污染造成的水源危機事件頻發，2005年吉林松花江受到苯類化合物污染事件、2007年太湖藍藻事件、2014年蘭州自來水苯含量超標等，造成供水系統能力大幅下降甚至癱瘓[1]，給國民經濟和居民生活造成較大影響。江蘇沿海地區供水水源以地表水為主，擁有兩個以上相對獨立的地表水源地或應急備用水源地的市(縣)還比較有限，易引發供水危機，因此建設應急水源地勢在必行。

江蘇沿海地區深層地下水量豐質優，單井涌水量多為2 000～3 000 m3/d，部分地區大于3 000 m3/d；現有的3 700眼深井也為地下水應急水源地建設提供了有利條件，因此沿海地區完全具備了建立地下水應急水源地的基本條件。然而地下水具有資源與地質環境雙重屬性，過量開采易引發地面沉降等環境地質問題。大量研究表明：地下水過量開采是引起區域性地面沉降的主要原因[2-3]，在我國中東部地區的上海、天津、江蘇、河北等17個省市均發生了地面沉降，至2012年底，沉降量超過200 mm的區域面積超過90 000 km2[4-9]。江蘇省尤以蘇錫常地區最為典型，近年來沿海地區不少區域也出現了地面沉降，形勢較為嚴峻。因此在地面沉降約束條件下合理開發利用地下水，是江蘇沿海地區社會與經濟可持續發展的前提和保障。

本文以南通濱海新區為例，按照“安全、資源、環境”三位一體的總體思想，遵循優水優用、開發與保護并重等原則，開展地下水應急水源地的規劃與地質風險預測，完善供水水源格局，以提升港區應急供水保障能力，為江蘇沿海其他地區開展地下水應急水源地建設提供經驗與示范。

2 研究區概況

江蘇省南通濱海新區(以下簡稱“濱海新區”)隸屬南通市，區位優勢獨特。轄區總面積約585 km2，陸域范圍約292 km2，包括如東、通州、海門3地的部分地區，具體范圍見圖1，區域遠景規劃控制總面積約為820 km2。2013年常住人口13.2×104人，2020年規劃人口30×104，2030年規劃人口70×104。

2.1 地下水資源概況

濱海新區位于長江下游地下水系統，地下水類型以松散巖類孔隙水為主，自上而下可劃分為潛水、第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承壓含水層組。地下水的埋藏與展布受到古地理環境、古河流的水動力條件、所帶物質豐富程度以及第四紀海進海退的影響，地下水富水性和水質差異較大。潛水和第Ⅰ、Ⅱ承壓水多為咸水，開發利用較少，第Ⅲ、Ⅳ承壓水主要為淡水，為該地區的主采層。

(1)第Ⅲ承壓含水層組。該含水層組頂板埋深一般180～210 m，巖性以中細砂、粉細砂為主，砂層厚度呈現南厚北薄趨勢，濱海新區南部砂層厚度一般40～60 m，北部砂層厚度一般20～40 m。標準單井涌水量一般1 000～3 000 m3/d，三余鎮一帶單井涌水量大于3 000 m3/d(圖1)。水質為TDS小于1 g/L的淡水，水化學類型主要為HCO3·Cl—Na型。

(2)第Ⅳ承壓含水層組。該含水層組地層屬于新近紀上新統，頂板埋深一般280～300 m，濱海新區南部巖性以含礫中砂、細中砂、中砂為主，北部巖性以含礫中細砂為主，砂層厚度一般20～60m。該含水層組富水性好，三余鎮一帶標準單井涌水量3 000～5 000 m3/d(圖2)，三余鎮南北兩側標準單井涌水量2 000～3 000 m3/d。水質一般為TDS小于1 g/L的淡水，水化學類型主要為HCO3—Na、HCO3—Na·Ca型。

(3)地下水水質情況。本文采集了濱海新區Ⅲ承壓水樣6組、Ⅳ承壓水樣3組，按照《生活飲用水衛生標準》(GB 5749-2006)進行生活飲用水水質評價，評價結果顯示：第Ⅲ、Ⅳ承壓含水層水質普遍較好，僅局部地區鐵、Cl-、Na+含量超過生活飲用水衛生標準，其他指標均符合生活飲用水衛生標準。經過簡單的處理，第Ⅲ、Ⅳ承壓水均可作為應急供水的水源。

2.2 供水現狀

濱海新區的生活供水通過區域供水管網供給，水源為長江水，并通過疏浚九圩港-遙望河和通呂運河-團結河兩條引江通道，補充濱海新區的淡水資源。擬建東凌平原水庫(總庫容2600×104m3)近期蓄集淡水，遠期作為備用水源，同時將遙望港東側海洋旅游度假區內湖體(面積4.6 km2)作為備用水庫，提高供水保障能力。地下水主要用于水產品公司的工業用水，共有深井13眼。

3 地下水應急水源地規劃方案

目前南通濱海園區供水水源以地表水為主，地下水開采量較少，約36×104m3/a，主要作為工業用水。本文主要考慮最為極端的情況，即發生突發性事件或極端性氣候事件，常規供水水源已無法供水，全部需由地下水保障供水。

3.1 地下水應急保障目標

(1)應急供水目標。應急需水量Q=人口×應急供水定額×(1+三產系數)×(1+漏損系數)

其中人口數根據港區遠期規劃70×104人口以及港區作為通過能力超10×108t深水大港的物流人口約1×104人進行估算，人均每天供水定額為80 L[10]，“三產系數”取0.2，漏損系數取0.15[11]。

經計算，濱海新區應急需水量為7.84×104m3/d。

(2)應急供水持續時間。從最近20多年來我國縣級以上城市水污染事件導致供水中斷的情況來看，供水中斷24 h，影響人口超過20×104的事故大約有12起(表1)，停供天數一般為1～7 d，極個別事故停水超過10 d。江蘇省政府于2012年作出要求，所建立的“備用水源地”最少需要滿足7 d以上的居民生活用水需求。參照《江蘇省飲用水水源地安全保障規劃》，根據發生水資源突發事件的等級、應急供水的需求等，本次規劃應急供水時間為3、7、15 d。

3.2 地下水應急供水方案

結合區域水文地質條件，綜合對比含水層富水性條件、水質、地下水調節能力、恢復能力以及經濟成本等原則，選定第Ⅲ承壓含水層作為目標層，圈定了開采井布置的靶區并設計了兩種布局方案。第Ⅲ承壓含水層單井涌水量若以2 500 m3/d計算，則至少需要新增深井32眼，供水總量達8×104m3/d，可滿足濱海新區應急供水需求。

方案1：將新建的Ⅲ承壓開采井均布置在富水性最好的三余鎮，作為集中開采區。在應急狀態下采用集中式供水方式，便于調度也可簡化供水管線及相關水質處理設備的復雜程度。開采井布設如圖3(a)所示。

方案2：將Ⅲ承壓開采井均勻地分布在富水條件較好的3個區域，三余鎮(12眼)、大豫鎮東側(10眼)和西側(10眼)，在應急條件下能分片區對濱海新區進行應急供水，開采井分布如圖3(b)所示。

圖1第III承壓含水層富水性分區圖(單位：m3/d) 圖2第IV承壓含水層富水性分區圖(單位：m3/d)

表1 近年來重大突發事件導致停水時長統計

圖3 方案1、方案2開采井布設圖

4 地下水應急水源地評價與風險預測

在應急狀態下，需要短時間內集中、高強度的開采地下水，易引發地面沉降等環境地質問題。評估應急開采地下水過程中產生的地質風險，既可判斷地下水應急水源地建設的合理性，也可有效將產生的地質災害的影響程度降到最小，為地下水應急水源地保護方案提供依據。因此本次以濱海新區為范圍，構建了三維地下水流-地面沉降耦合模型，模擬預測與評估應急供水條件下地下水開采可能對地質環境造成的影響。

4.1 耦合模型的構建

(1)模型概化與離散。研究區垂向模擬深度為500 m，根據含水系統結構(潛水、第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ承壓含水層組和相應的弱透水層)自上而下共概化為9層，按矩形剖分共剖為84 284個有效單元。重點模擬主采層第Ⅲ、Ⅳ承壓含水層，含水層和弱透水層表現明顯的非均質各向異性，各含水層之間均通過弱透水層發生水力聯系。側向邊界均為行政區劃的人為邊界，邊界上有觀測孔的地段，作為已知水頭邊界，其他均為流量邊界；頂部邊界概化為一類邊界，根據第Ⅰ承壓水位統計給出，底部為隔水邊界。區內地下水開采為唯一的排泄方式，保留區域已有開采井，需新打的32眼開采井按圖3的方式布設。

土層變形概化：根據區域地面沉降特征分析，土層變形概化為一維垂向彈塑性沉降模型。此外，在沉降模擬中需考慮變形滯后的問題[12-13]。

(2)數學模型。區域三維地下水流模型和一維沉降模型具體用數學模型(1)[13]來描述，兩者為顯式耦合關系，即采用數值方法模擬計算時，每個時段先通過三維地下水流模型計算出水頭，然后將水頭值的變化代入一維沉降模型計算土層的變形量。該模型采用有限差分法進行求解，用GMS軟件中MODFLOW模塊求解水流模型，用SUB模塊求解沉降模型。

(1)

式中：Ω為滲流區域；h為水位標高，m；K為滲透系數，m/d；w為含水層的源匯項，d-1；h0為初始水位，m；SS為儲水率，m-1；Г1為滲流區域的一類邊界；Г2為滲流區域的二類邊界；Kn為二類邊界界面法線方向的滲透系數，m/d，n為二類邊界邊界面的法線方向；Δb為變形量，m；b為土層厚度，m；Ssk為骨架儲水率，m-1(當水位低于前期最低水位時，該參數為Sskv為非彈性骨架儲水率，當水位高于前期最低水位時，該參數為Sske為彈性骨架儲水率)[13]。

(3)模型的識別與驗證。本文選取模擬時間為2005-2013年，1個季度為1個時間步長，將整個時間段離散為36個時間步長。各含水層的初始水位由實測所得，設定初始沉降量為0。水文地質參數分區主要根據研究區巖性、古河道分布等進行劃分，利用前人資料結合抽水試驗資料等賦予初值，而土力學參數則由室內試驗獲得。圖4、5舉例說明了該模型的擬合精度。總體來看該模型的擬合精度較高，可以用于預報地下水開采引起的流場和地面沉降的變化。

圖4 驗證期Ⅲ承壓地下水流場擬合圖(單位：m)

圖5 地面沉降計算值與實測值擬合圖

4.2 地下水應急水源地風險預測

利用上述識別驗證的數值模型，以2013年12月底作為計算初始時刻，設置地面沉降量初值為0，將兩種方案的開采井分別布設到模型中進行模擬計算。模型運行時間為45 d，其中應急開采時長為15 d，15 d后停止開采，模型繼續運行30 d，用來模擬停采后區域的地下水位與地面沉降恢復情況。

(1)方案1預報結果。地下水應急供水開始后，應急開采井所在的區域地下水位快速下降且隨著應急供水時間的增長，漏斗的范圍及漏斗中心的水位降深逐漸增大，而其他地方地下水流場變化不大。應急供水15 d后，從區域第Ⅲ承壓地下水水位與地面沉降預測圖(圖6)可以看出，在三余鎮處形成比較明顯的地下水位降落漏斗，同時也產生了以三余鎮為中心的地面沉降現象，但未出現含水層疏干的情況。在應急供水3、7、15 d后，漏斗中心三余鎮的水位分別為-32.62、-32.85、-33.24 m，地下水的水位變化量分別為0.47、0.7、1.09 m；地下水連續開采產生的累積地面沉降量分別為1.69、3.24、5.69 mm。當應急供水結束后，地下水位降落漏斗中心的水位快速回升，地面沉降出現回彈現象。供水結束30 d后，地下水位恢復到-32.97 m，與初始水位僅相差0.82 m，地面沉降量回彈至3.91 mm(表2)，水位及地面沉降的變化量具體詳見圖7。

(2)方案2預測結果。在應急供水開始后，地下水位持續下降，開采井所在的區域地下水位下降明顯。地下水連續開采15 d以后，從區域第Ⅲ承壓地下水水位與地面沉降預測圖(圖8)可以看出形成了三余鎮、大豫鎮東部兩個地下水位降落漏斗，并產生了地面沉降問題，形成了4個地面沉降漏斗區。在應急供水3、7、15 d三余鎮地下水位分別為-32.54、-32.68、-33.16 m，地下水位的下降幅度分別為0.39、0.53、1.01 m；地下水開采引起的地面沉降漏斗中心的沉降量分別為1.65、3.03、5.69 mm；大豫鎮東部在應急供水3、7、15 d后地下水水位分別為-23.7、-24.31、-25.05 m，相應的下降幅度分別為0.82、1.43、2.17 m；而引起的地面沉降漏斗中心的累積沉降量分別為2.37、4.43、7.27 mm，詳見表2。

當應急供水結束后，地下水水位快速回升，地面沉降出現回彈現象。停止供水30 d后，從區域第Ⅲ承壓地下水水位與地面沉降預測圖(圖9)可以看出，地下水位明顯回升，三余鎮地下水位漏斗面積減小，大豫鎮東部地下水位漏斗消失，而4個地面沉降漏斗區面積有所減小，沉降量有所回彈。供水結束后第5、10、30 d三余鎮的水位回升至-32.97、-32.88、-32.69 m，沉降量回彈至3.97、3.46、2.28 mm；大豫鎮東部水位回升至-24.48、-24.27、-23.8 m，沉降量回彈至4.92、4.17、2.73 mm(表2)。

本次規劃的應急供水方案應急周期為3～15 d，從兩個應急方案的預測結果來看，在應急供水開始后，僅會在開采井所在的區域產生地下水位降落漏斗和地面沉降的現象，如方案1僅在三余鎮產生地下水位漏斗，連續開采15 d后漏斗中心最深水位為-33.24 m，產生的最大沉降量為5.69 mm；方案2在三余鎮和大豫鎮東產生地下水位降落漏斗，連續開采15 d后產生的最大沉降量為7.27 mm，均小于10 mm/a的區域地面沉降防控目標，基本不會造成區域性的環境地質問題。

表2 兩種方案開采與停采含水層水位、地面沉降變化對比表

圖6 方案1應急供水15d后第Ⅲ承壓含水層水位、地面沉降預測圖

圖7 方案1三余鎮沉降中心水位、沉降量變化圖

圖8 方案2應急供水15d第Ⅲ承壓含水層水位、地面沉降預測圖

圖9 方案2停止供水30d第Ⅲ承壓含水層水位、地面沉降預測圖

在應急供水結束后，地下水位快速回升，地面沉降出現回彈的現象，方案1在停止開采30 d后，三余鎮地面沉降回彈至3.91 mm，方案2三余鎮地面沉降回彈至2.28 mm，說明總體產生的地質環境風險很小，兩種地下水應急供水方案均具有可行性。

5 結 論

(1)本次在南通濱海新區的水文地質條件研究和應急供水需求分析的基礎上，提出兩種應急供水方案，將應急開采井集中布設在三余鎮或將應急開采井分別布設在三余鎮、大豫鎮東側和西側3處，兩種方案的應急取水規模均可達8×104m3/d。

(2)利用GMS軟件建立了地下水流-地面沉降耦合模型，對兩種方案應急供水產生的環境效應進行了模擬預測。模擬結果表明，兩種方案在運行過程中僅在開采井所在區域產生了水位下降和地面沉降的問題，但含水層具有良好的恢復性，停止供水30 d后，地下水位基本可以恢復，地面沉降也有所回彈，同時應急供水引起的最大地面沉降量小于10 mm/a的沉降控制指標。兩種地下水應急供水方案均切實可行，可為濱海新區地下水應急水源地建設以及地下水資源合理開發利用與保護提供技術支撐。

(3)地下水開采一直是江蘇沿海地區地面沉降的主要影響因素，本次實現了南通濱海新區地下水-地面沉降耦合模擬，預測了地下水應急開采條件下的地面沉降發展趨勢，后續可繼續開展以地面沉降為約束條件的地下水應急開采布局調整，這將為沿海地區制定地面沉降約束條件下的地下水可持續利用方案提供很好的借鑒。

建議江蘇沿海地區充分發揮地下水資源應急保障作用，加快推進縣級以上城市地下水源地規劃與論證，因地制宜地選擇地下水應急供水模式。同時建立地下水應急水源地水位、水質、地面沉降等地質環境自動化監測系統，及時掌握地下水水位、水質及地面沉降動態，以提升地下水應急保障能力。