寧波市地下水應急供水模式探討

楊國強 李云 姜月華 劉紅櫻 金陽

摘要：應急水源地作為突發性事件導致供水困難情況下解決城市水源危機而采用的一種非常規的臨時供水水源，是城市用水安全與社會穩定發展的重要保障。以寧波市具代表性的大嵩江流域為例，從合理利用與有效增加地下淡水資源角度出發，提出了“溝谷型”、“封存型”淡水水源地與地下淡水庫建設相結合的區域地下水應急供水模式，并對大嵩江流域塘溪溝谷潛水、咸祥平原Ⅱ承壓封存淡水體應急水源地與Ⅰ承壓含水層地下淡水庫建設條件進行了分析。結果表明：塘溪溝谷潛水與咸祥平原Ⅱ承壓封存淡水體應急開采潛力較大，具有應急水源地建設可行性;咸祥平原Ⅰ承壓含水層地下淡水庫建庫條件好，可通過區域水資源人工調蓄有效增加地下淡水資源量。多類型地下水水源地相結合的應急供水模式可充分挖掘和合理利用區域地下淡水資源潛力，為寧波市應急供水保障體系建設提供參考。

關 鍵 詞：地下水;應急水源地;地下淡水庫;寧波市;大嵩江流域

中圖法分類號：P641.8

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0046-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.008

0 引 言

隨著中國城市化進程的加快，城市水源遭遇特枯水期、突發性污染等極端情況引發的水源危機逐步顯現[1-2]。應急水源地作為突發性事件導致供水困難情況下解決居民基本生活用水而采用的一種非常規的臨時供水水源[3]，在應對城市重大水污染、大規模嚴重缺水等情況時發揮著不可替代的作用，是城市用水安全與社會穩定發展的重要保障。地下水由于具有分布范圍廣、水源不易遭破壞、儲存量穩定以及水質不易受污染等優勢，在遭遇極端情況時仍能確保一定時期內連續穩定供水，是最為理想和可靠的應急供水水源[4]。

寧波市供水水源單一，地表水占比達98%以上，用水安全問題突出[5];寧波市基巖山區裂隙普遍不發育，平原區地下水廣受海水入侵影響[6]，地下淡水資源量相對缺乏;同時，受區域地層、水文地質等條件影響，不合理開采地下水易引發環境地質問題[7]。因此，充分挖掘和科學開發地下淡水資源潛力，優化應急水源地建設，對于寧波城市穩定與發展具有重要意義。本文在寧波都市圈（南部）1∶50 000環境地質調查基礎上，以寧波市具代表性的大嵩江流域為例，通過系統分析流域水文地質特征，探索性地從合理利用與有效增加地下淡水資源角度出發，提出“溝谷型”、“封存型”淡水水源地與地下淡水庫建設相結合的區域地下水應急供水模式，并進行應急水源地與地下淡水庫建設條件分析，可為寧波城市應急供水保障體系建設提供參考。

1 研究區概況

寧波市地處東海之濱，是中國東南沿海的重要港口城市，是長江三角洲南翼經濟中心和國家歷史文化名城。區域地貌類型主要為低山丘陵和濱海平原。全市水系發育，分布受地質構造控制，與山脈走向大致相同，其中大嵩江流域位于寧波市東南沿海，象山港北側，面積約193 km2，地形總體兩面環山、中間平原、一面臨海，為區域具獨立性、完整性的水文地質單元（見圖1）。流域內大嵩江全長約33 km，流經塘溪溝谷、咸祥平原，后注入象山港海灣，為獨流入海河流。

2 大嵩江流域水文地質條件

大嵩江流域地下水類型主要為基巖裂隙水、松散巖類孔隙潛水和孔隙承壓水。根據區域1∶50 000環境地質調查與供水水文地質勘探[8-9]，流域各類型地下水分布與礦化度（TDS）、富水性等特征如表1和圖2所示。

其中，基巖裂隙水主要賦存于風化裂隙及構造裂隙中，水質良好，但區域基巖裂隙不發育，水量貧乏;主要接受大氣降水補給，大部分就地排泄，常以下降泉的形式補給地表水，泉流量一般小于0.1 L/s。

孔隙潛水主要分布于山間溝谷區和濱海咸祥平原。其中溝谷區孔隙潛水主要賦存于第四系沖積、沖洪積的砂礫（卵）、含黏性土砂礫（卵）石層，結構松散，沿現代河床呈條帶狀展布，埋藏淺，水質良好;主要接受大氣降水垂直入滲補給，與溝谷河流呈互補互排，徑流條件較好，排泄以蒸發為主。區內溝谷分布較多，其中塘溪溝谷含水層面積較大，達7.6 km2，厚度2～10 m，靜水位埋深0.5～3.0 m，單井涌水量普遍>1 000 m3/d，水量豐富;其余溝谷面積普遍小于0.5 km2，為富水地段但儲水總量較小。平原區孔隙潛水主要賦存于濱海相黏性土層，含水量小且水質較差。

孔隙承壓水主要分布于濱海咸祥平原，按地層時代、水力特征及水質差異等可劃分為Ⅰ、Ⅱ兩層，巖性主要為砂礫（卵）石、含黏性土砂礫（卵）石及中細砂;水質與富水性分別受海水入侵與古河道展布影響。在山前平原地區淺層孔隙承壓水與河谷孔隙潛水連結，可接受河谷孔隙潛水補給;平原中部孔隙承壓水徑流基本處于停滯狀態，缺乏現代水補給。其中，Ⅰ承壓含水層均為（微）咸水，水質差，含水層分布面積約49.2 km2，厚度2.6～29.4 m，富水性好，單井涌水量普遍大于500 m3/d，沿古河道單井涌水量可達1 000 m3/d以上;Ⅱ承壓含水層分布面積約36.4 km2，厚度1.2～24.3 m，受含水層黏性土含量及膠結程度影響，富水性差異大，沿古河道呈相對封閉的含水構造，封存型淡水體分布，與外界水力聯系弱，面積約9.4 km2，單井涌水量普遍大于500 m3/d。

3 地下水應急供水模式

3.1 水源地選取

由于應急供水的特殊性，宜選擇地下水應急開采潛力大、水質及開采條件良好的區域作為應急水源地。根據大嵩江流域水文地質條件，區內基巖裂隙水水量貧乏;溝谷分布較多，但僅塘溪溝谷含水層面積較大，水量豐富，且水質良好;平原區孔隙潛水水量小，水質差;孔隙承壓水受海水入侵影響，地下水水質普遍為（微）咸水，僅Ⅱ承壓含水層沿古河道封存型淡水體分布，單井涌水量普遍大于500 m3/d。因此，本次研究根據流域水文地質特征，選取的地下水水源地主要為塘溪溝谷潛水與咸祥平原Ⅱ承壓封存淡水體。其中塘溪溝谷潛水埋藏淺，補給速度快，應急供水期內可進行疏干性開采而不產生環境地質問題，但應綜合考慮含水層恢復能力，避免生態環境問題;Ⅱ承壓封存型淡水體由于南、北兩側為（微）咸水，同時上部濱海相軟土分布，因此應急開采受淡水體范圍縮小及地面沉降等環境地質問題制約。

此外，地下水庫作為利用天然地下儲水空間興建的具有攔蓄、調節和利用地下水流作用的一種特殊的水庫[10-11]，能有效解決城市供水緊張及未來應急安全供水需求，其建設條件主要包括補給能力、補給水源、取水條件、儲水空間等[12-13]。流域內咸祥平原Ⅰ承壓含水層儲水空間大，沿古河道富水性、導水性好，人工開采條件下可迅速接受上游溝谷孔隙潛水補給，具備良好的地下淡水庫建庫條件。

3.2 地下水應急供水模式

根據流域地下水類型多樣但淡水資源量相對缺乏的現狀，從合理利用與有效增加地下淡水資源角度出發，選取塘溪溝谷潛水、咸祥平原Ⅱ承壓封存淡水體及Ⅰ承壓含水層為水源地，提出了以開采約束條件較少的“溝谷型”潛水及受環境地質問題制約的“封存型”承壓淡水為應急水源地，同時與地下淡水庫建設相結合的區域地下水應急供水模式（見表2）。

4 地下淡水水源地水質及應急開采潛力評價

4.1 水質評價

按GB/T 14848-2017《地下水水質標準》，采用內梅羅指數法進行地下水質量綜合評價，具體評價方法如下：① 根據單組分分類標準，確定各單項組分的環境質量類別及分值Fi，其中Fi按Ⅰ～Ⅴ類水分別取值0，1，3，6，10。② 按公式（1）～（2）計算綜合評分值F。③ 根據綜合評分值F的大小，確定地下水質量級別：F<0.80，Ⅰ（優良）;0.80≤F<2.50，Ⅱ（良好）;2.50≤F<4.25，Ⅲ（較好）;4.25≤F<7.20，Ⅳ（較差）;F≥7.20，Ⅴ（極差），其中Ⅰ～Ⅲ類符合國家飲用水標準，Ⅳ～Ⅴ類水水質差，未經處理，不宜飲用。

通過選取反映區域水質狀況的22項指標（見表3），根據上述評價方法，對塘溪溝谷潛水、咸祥平原Ⅱ承壓封存淡水體水質量進行了評價。

從評價結果可以看出：塘溪溝谷潛水水質總體良好，地下水樣質量級別主要為Ⅱ級淡水，各項指標符合GB 5749-2006《生活飲用水衛生標準》，僅溝谷區J03水井，由于位于城鎮區，水質受人類活動影響，NH4+、NO2-及COD指標偏高。因此，為防止人類活動對溝谷區潛水產生污染，應制定相應的環境保護措施，建立水源地保護區等。Ⅱ承壓封存淡水體鐵錳含量較高，主要受原生地質環境影響;除鐵錳外，其余指標濃度均適用于集中生活飲用水水源。因此，集中應急供水時需采用除鐵錳裝置處理。

4.2 應急開采潛力評價

4.2.1 塘溪溝谷潛水

應用含水層疏干原則，在應急供水期內對塘溪溝谷潛水采用加大地下水位降深方式進行應急開采。應急開采資源量按無補給條件下區域地下水位平均下降3.5 m的儲水量進行計算，計算公式為

式中：Q急為地下水應急開采量，萬m3;Q儲為地下水儲存量，萬m3;μ為含水層平均給水度，取區域經驗值μ=0.22;Δh為地下水水位變幅，取Δh=3.5 m;F為含水層分布面積，取F=7.6 km2。可得塘溪溝谷潛水應急開采量達585.2萬m3，應急供水潛力較大。根據CJJ/T 282-2019《城市供水應急和備用水源工程技術標準》，按應急狀態下居民基本生活日用水量人均至少80 L/d估算，如連續開采30 d，可供給最多約243.8萬人的基本生活用水。

此外，為兼顧生態環境保護，防范含水層疏干后潛水位長時間無法恢復產生生態環境問題，采用“以豐補歉”方法對含水層恢復能力進行評價。研究區豐水期主要為5～9月，平均降雨量912 mm。塘溪溝谷潛水含水層疏干后豐水期內主要接受補降水入滲和河流側滲補給，計算公式為

式中：Q豐補為豐水期補給總量，萬m3/a;Q豐降為豐水期降水入滲量，萬m3;Q豐河為豐水期河流側滲補給量，萬m3;α為入滲系數，取區域經驗值0.28;P豐為多年豐水期平均降水量，取912 mm;Fλ為接受入滲的含水層分布面積，取7.6 km2;L為河流長度，取7.2 km;K為滲透系數，取區域經驗值120 m/d;I為地下水水力坡度，取1.2‰;M為含水層厚度，取6.5 m;T為補給時間，取153 d。可得，豐水期降水入滲量為194.1萬m3，河流側滲補給為275.0萬m3，補給總量達469.1萬m3，可得疏干后豐水期內含水層恢復程度較高，達80.2%，可有效避免因潛水位長時間無法恢復而產生的生態環境問題。

4.2.2 咸祥平原Ⅱ承壓封存淡水體

根據寧波地區地層及水文地質條件，結合地面沉降和地下水位觀測資料進行分析，區域Ⅱ承壓封存淡水體水位降深控制在25 m以內時可有效避免產生淡水體萎縮及地面沉降等環境地質問題，水位降深為25～40 m時，地下淡水體應急開采會對地質環境產生一定影響，但影響程度可控[5，14]。因此，本次研究基于應急利用與保護兼顧的原則，確定淡水體最大開采水位降深為40 m，并以該限制條件下地下水可采資源量作為應急開采量。由于區內Ⅱ承壓淡水體為封存型，處于相對封閉的含水構造，與外界水力聯系弱，補給與排泄量均較小。因此，本次計算主要考慮彈性儲存量，公式為

式中：Q開為限制條件下地下水可采資源量，萬m3;μ′S為彈性釋水系數，取8×10-4;S1為開采區內設定的平均水位降深，取40 m;F淡為淡水體分布面積，取9.4 km2。可得淡水體應急開采量為30.1萬m3。按應急狀態下居民基本生活日用水量人均至少80 L/d估算，如連續開采30 d，可供給最多約12.5萬人的基本生活用水。

5 地下淡水庫建設

5.1 建庫思路

根據區域水文地質結構、水質特征及地方經濟發展需求，通過在上游Ⅰ承壓含水層補給區修建地表水回滲工程（滲井、滲渠等）、下游含水層古河道及兩側咸水區進行抽水用于水產養殖等（見圖3），人為加快地下淡水補給，可使Ⅰ承壓含水層咸淡水界線下移，形成地下淡水庫（見圖4）。

5.2 建庫條件分析

（1）補給區與補給能力。補給區主要為Ⅰ承壓含水層與溝谷孔隙潛水連接部位。區內溝谷較多，其中塘溪溝谷面積較大，淺部堆積物顆粒較粗、透水性強，入滲補給條件良好;同時，Ⅰ承壓含水層古河道沿塘溪溝谷-咸祥平原方向展布，為良好的地下導水通道，有利于人工開采條件下補給水源在給定時期內補給地下水庫。

（2）補給水源。主要包括大氣降水、地表水庫水及地表徑流等，水質均較好。其中，區域大氣降水多年平均降雨量達1 453 mm，呈面狀補給;流域內具地表水庫十余座，汛期出于防洪等需要，通常向下游棄水，具有較好的人工調蓄功能;區內地表徑流與地下水呈互補互排，豐水期可有效補給地下水。 塘溪溝谷區作為主要補給區，其大氣降水入滲補給量為

式中：Q降為大氣降水補給量，萬m3/a;α為入滲系數，取區域經驗值0.28;P為多年豐水期平均降水量，取1 453 mm;Fλ為含水層分布面積，取7.6 km2。可得大氣降水入滲補給量為309.2萬m3/a。同時，塘溪溝谷上游梅溪水庫多年平均入庫徑流量3 714萬m3，總庫容2 656萬m3，主要用于城鎮生活供水，年供水量約1 400萬m3/a，經分析梅溪水庫蒸發、滲漏及供水量等，其可提供地下水庫回灌量約800萬m3/a。此外，塘溪溝谷地表徑流與地下水呈互補互排，主要于豐水期補給地下水，根據前文計算，豐水期塘溪溝谷河流側向滲漏補給量約275萬m3，可得塘溪溝谷補給量較大，達1 384.2萬m3/a。

（3）取水條件。區內咸祥平原Ⅰ承壓含水層富水性總體良好，單井涌水量普遍大于500 m3/d，其中沿古河道單井涌水量可達1 000 m3/d以上，取水條件良好。

（4）儲水空間估算。 咸祥平原位于流域下游，總體兩面環山、一面臨海，構成流域承壓含水系統良好的天然邊界;同時Ⅰ承壓含水層頂底部均為連續的黏性土隔水層，因此以咸祥平原范圍Ⅰ承壓含水層儲水空間作為地下淡水庫總庫容，計算公式為

式中：V為總庫容，萬m3;V*為含水層體積，萬m3;μ為含水層平均給水度，取μ=0.18;H為含水層平均厚度，取10 m;F為含水層分布面積，取49.2 km2。可得地下淡水庫庫容達0.89億m3。根據地下水庫分級標準（見表4）[15]，該地下水庫為中型地下水庫級別。

6 結 論

（1）大嵩江流域內具有良好應急開采條件的地下淡水水源地主要有2處。其中塘溪溝谷潛水應急開采約束條件少，應急開采資源量達585.2萬m3，具有較大的應急開采潛力;同時含水層恢復能力較強，可有效避免開采后潛水位長時間無法恢復產生生態環境問題。咸祥平原Ⅱ承壓淡水體應急開采受淡水體范圍縮小及地面沉降等環境地質問題制約，應急開采資源量相對較小，為30.1萬m3。該評價結果為區域應急水源地勘查提供了依據。

（2）咸祥平原Ⅰ承壓含水層儲水空間大，同時補給能力、補給水源、取水等條件較好，具有良好的地下淡水庫建庫條件，其建設可實現區域水資源的人工調蓄，并可有效增加地下淡水資源量，提升區域應急供水能力。

（3）溝谷型、封存型地下淡水應急水源地與地下淡水庫建設相結合的區域地下水應急供水模式，可在合理開發現存地下淡水資源的基礎上，有效增加區域地下淡水資源量，優化地下水應急水源地建設，為寧波市應急安全供水保障體系建設提供參考。

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（編輯：劉 媛）