上海市大浦東地區(qū)地下水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及潛力評價

朱曉強

(國土資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點實驗室，上海地面沉降控制工程技術(shù)研究中心，上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072)

上海市大浦東地區(qū)地處東部濱海平原區(qū)(涉及浦東新區(qū)、奉賢區(qū)、金山區(qū)、楊浦區(qū)等8個行政區(qū))，范圍為30°40＇N～31°20＇N，121°15＇E～122°00＇E。區(qū)內(nèi)第四紀地質(zhì)條件復雜，分布有多個含水層且賦存有豐富的地下水資源。然而，歷史上不合理開采地下水資源引發(fā)了較為嚴重的地面沉降現(xiàn)象，使得該地區(qū)資源環(huán)境所面臨的形勢日趨嚴峻[1- 2]。當前，新一輪上海城市總體規(guī)劃提出了創(chuàng)建“全球城市”的宏偉目標，對地質(zhì)工作提出了更高的要求。新形勢下，為了更好地服務于城市轉(zhuǎn)型與發(fā)展，特別是服務于上海未來發(fā)展的主戰(zhàn)場大浦東地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境保護和生態(tài)文明建設(shè)，有必要進一步了解并掌握大浦東地區(qū)地下水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀和潛力狀況。

1 區(qū)域水文地質(zhì)條件概況

據(jù)以往水文地質(zhì)勘查資料[3- 4]及本次勘查資料，大浦東地區(qū)松散土層厚度約為160～360m，廣泛發(fā)育潛水含水層、第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ承壓含水層，不同含水層空間分布、埋藏條件、富水性、水質(zhì)等特征各異。

(1)潛水含水層為全新世中晚期(Qh2- 3)濱海相沉積，埋藏淺，以單一粘性土的“單一介質(zhì)區(qū)”及“上粘下砂”的“二元結(jié)構(gòu)區(qū)”等兩種巖性結(jié)構(gòu)類型于全區(qū)廣泛發(fā)育，且前者滲透性、富水性較后者相對較差。受巖性影響，潛水含水層富水性、滲透性總體較差，水質(zhì)也易受外界環(huán)境影響，因此不具備集中開采條件。

2 地下水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

大浦東地區(qū)地下水資源集中開發(fā)利用始于20世紀60年代初，受城市發(fā)展階段背景的影響，特別是城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)自來水生產(chǎn)能力以及產(chǎn)業(yè)布局等方面的影響，地下水開采井主要分布于人口相對密集、經(jīng)濟相對發(fā)達和工業(yè)發(fā)展較成熟的地區(qū)，主要用于滿足日常生活飲用，紡織、冶煉和發(fā)電等行業(yè)車間溫度調(diào)控等[6]。總體來說，大浦東地區(qū)地下水主采層為第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ承壓含水層，各含水層不同時期地下水開采特點各異，如圖1所示。

2.1 第Ⅱ承壓含水層

該含水層自1961年開展地下水集中開發(fā)利用。1966年之前年度開采量大于4000×104m3；1966—1997年間，年度地下水開采量回落并基本穩(wěn)定在1000×104m3左右，隨后逐年減少，至2009年基本停采，累計開采量達19667×104m3。

2.2 第Ⅲ承壓含水層

該含水層自1961年開展地下水集中開發(fā)利用。1966年之前年度開采量大于2000×104m3，1967—1997年間，年度地下水開采量基本穩(wěn)定在(1500～2000)×104m3(除1974—1977年度開采量小于800×104m3外)，隨后逐年降低，至2010年基本停采，累計開采量44518×104m3。

2.3 第Ⅳ承壓含水層

該含水層自1963年開展地下水集中開發(fā)利用，至今仍有少量開采，累計開采量134812×104m3。其中，1974年之前年度開采量小于4000×104m3，隨后逐年增大，至1996年達到峰值，約9000×104m3；21世紀以來，隨著采灌格局的不斷優(yōu)化，年度開采量大幅縮減，2018年僅約為25×104m3左右。

2.4 第Ⅴ承壓含水層

該含水層自1969年開展地下水集中開發(fā)利用，至今仍有少量開采，累計開采量14456×104m3。其中，1961—1973年間，年度開采量逐年增加，至1973年達到800×104m3左右；隨后1974年年度開采量銳減至200×104m3，經(jīng)過6年小幅波動上揚，1981年激增至1200×104m3左右，并持續(xù)保持開采量高位運行；直至21世紀以來，年度開采量不斷壓減，近幾年基本穩(wěn)定在400×104m3左右，2018年度開采量約為27×104m3。

3 地下水資源開采潛力評價

3.1 評價方法[7]

地下水開采潛力系數(shù)可由以下公式計算：

(1)

式中，α—地下水開采潛力系數(shù)；Q開資—開采層的可開采資源量；Q開采—開采層的已開采量。

地下水開采潛力系數(shù)分級為：α<1，無地下水

圖1 1961—2018年上海市大浦東地區(qū)第Ⅱ—Ⅴ承壓含水層年度開采量歷時變化圖

潛力區(qū)；1≤α<1.2，地下水潛力一般區(qū)；1.2≤α<1.4，地下水潛力較大區(qū)；α≥1.4，地下水潛力大區(qū)。

3.2 可開采資源量計算

本次地下水可開采資源量的估算是以地下水賦存條件、地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀、地下水位狀況以及地面沉降階段控沉目標為前提，依據(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)合的途徑建立三維非穩(wěn)定流地下水運動——一維地面沉降非線性耦合數(shù)學模型，進行優(yōu)化反演分析確定[8- 9]。

取2017年末地下水位和地面沉降量為初始條件，以現(xiàn)有采灌格局為基礎(chǔ)，至2020年年均沉降量不大于5mm作為控制約束條件，并利用1961—2017年實際地下水位及地面沉降觀測資料進行了校正和檢驗，通過對模型的本構(gòu)關(guān)系、計算方法、模型參數(shù)及邊界條件進行分析，確保該數(shù)學模型合理可信后，用于地下水可開采量計算。經(jīng)模型計算，可得大浦東地區(qū)第Ⅱ—Ⅴ承壓含水層2018年可開采資源量，見表1。

將該可開采量代入預測模型，由此所得的各含水層地下水位與地面沉降速率預測圖與“十三五”地面沉降控制目標對比發(fā)現(xiàn)，該可開采量方案是合理可行的。

表1 大浦東地區(qū)2018年度第Ⅱ—Ⅴ承壓含水層可開采資源量一覽表

3.3 潛力評價

通過統(tǒng)計分析大浦東地區(qū)地下水開采數(shù)據(jù)可以看出，在全市采灌格局的不斷優(yōu)化調(diào)整的背景下，目前大浦東地區(qū)各承壓含水層地下水開采程度總體偏低，開采潛力大，見表2。

4 地下水資源有效利用方向

為切實貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，持之以恒地推進生態(tài)文明建設(shè)，當前及未來一段時期內(nèi)，大浦東地區(qū)乃至全市地下水資源開發(fā)利用的主要方向也將隨之發(fā)生變化，集中體現(xiàn)在以下幾個方面[10]。

表2 大浦東地區(qū)2018年度第Ⅱ—Ⅴ承壓含水層地下水開采潛力評價一覽表

4.1 特殊行業(yè)用水

大浦東地區(qū)賦存著優(yōu)質(zhì)的地下水資源，為一些特殊行業(yè)的發(fā)展提供了良好的天然條件。如食品生產(chǎn)、礦泉水開發(fā)(如浦東新區(qū)的三得利啤酒廠、雀巢飲用水公司等)、鍋爐用水(如楊樹浦發(fā)電廠等)、特殊養(yǎng)殖(人工繁殖中華鱘等)。此外，在節(jié)能環(huán)保方面也有應用，如浦東新區(qū)上海鮮花港建立儲能熱泵，利用地下水恒溫的特性為鮮花的培育生長提供適宜的溫度。

4.2 應急備用供水

近年來，各地頻發(fā)的地表水體污染事件造成極大社會影響，凸顯了城市安全供水的重要性。上海市作為以過境地表水為主要水源的國際性大都市，處理好應急供水問題尤為迫切[11]。

大浦東地區(qū)在考慮應急供水水源地圈定時，除結(jié)合區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件外，還重點考慮區(qū)內(nèi)常駐人口在應急狀態(tài)下的用水需求，以及已建成或即將規(guī)劃建設(shè)的大型商圈、科技園、旅游度假主題樂園等(如張江高科園區(qū)、陸家嘴金融區(qū)、上海迪士尼樂園等)投入運營后，將有大量流動人口涌入，應急供水水源也應滿足規(guī)劃流動人口的用水需求。參照國內(nèi)外以往應急供水經(jīng)驗，并結(jié)合上海地區(qū)具體情況(應急狀態(tài)下重點考慮基本飲用水需求)，按單井日開采地下水2000m3，人均應急供水量30～50L/d日計算，單井供水人口預計約4～6萬人。

按上述原則，大浦東地區(qū)建議規(guī)劃應急供水水源地為16個，見表3。目前區(qū)內(nèi)已建應急備用井總數(shù)約為19口，遠遠不能滿足該地區(qū)應急供水的需要。因此，區(qū)內(nèi)仍需規(guī)劃建設(shè)應急備用井142口(涉及目的含水層主要為第Ⅱ、Ⅳ承壓含水層)，建成后可基本滿足大浦東主要地區(qū)人口生產(chǎn)、生活的應急供水需要。

表3 大浦東地區(qū)應急供水水源地規(guī)劃建設(shè)建議一覽表

注：應急供水量由各規(guī)劃建議應急水源地范圍、受水人口及人均日應急需水量綜合估算所得。

4.3 海域地下水開發(fā)

陸地資源的開發(fā)利用日趨極限，尋求和解決人類社會生產(chǎn)生存發(fā)展的問題可寄希望于海洋。大浦東地區(qū)緊鄰的東部海域為古長江三角洲的發(fā)育地區(qū)，該區(qū)賦存著豐富且優(yōu)質(zhì)的地下水資源，一定程度上為大浦東地區(qū)未來經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展提供了必要的保障。

5 結(jié)語

本文堅持以滿足國家與地方經(jīng)濟建設(shè)需求及破解重大問題為導向，通過分析研究大浦東地區(qū)地下水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及其潛力狀況，率先在全國范圍內(nèi)探索了新時期平原區(qū)1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查工作相關(guān)成果轉(zhuǎn)化應用新途徑，為地質(zhì)調(diào)查成果主動服務于城市規(guī)劃建設(shè)提供了新思路。