襄城县供水工程地下水取水水源论证与影响评价

2011-02-16王现国龚晓凌吴东民张平辉王关杰

中国水利 2011年17期

王现国，龚晓凌，吴东民，张平辉，王关杰

（1.河南省地矿局第二水文地质工程地质队，450053，郑州；2.河南省郑州地质工程勘察院，450053，郑州）

河南省襄城县第二水厂（2008年动工兴建）取水水源为地下水，水源地位于襄城县城北汝河北岸，设计净取水量为 2万 m3/d （730万 m3/a），是以地下水为取水水源的城市供水工程建设项目水资源论证项目，供水水源属傍河型地下水水源地。此前通过对取水水源的可靠性与可行性分析，以定量计算分析为主，详细论证了项目运行过程中的取水水源及取水影响范围和影响程度，并提出了地下水水源地水资源保护措施。

一、自然地理概况

1.气象水文条件

襄城县多年平均年降水量为761.5 mm，境内较大河流主要是北汝河，属淮河流域颍河水系。1975年7月大陈闸建成后，将上游水位抬高6 m以上，可回水至襄城县城西，长约10 km，改变了北汝河的水文特征。据北汝河襄城水文站1953—1978年25年观测资料统计，多年平均流量31.08 m3/s,日最大流量3 040 m3/s，最小时为断流。

2.水资源开发利用现状

襄城县水厂建于1970年，原以汝河为供水水源，供水规模为1 000 m3/d，经过多年的供水设施建设，现有水源井4眼，供水能力为10 000 m3/d，实际供水不足6 000 m3/d，现有供水能力覆盖面积占城区总面积的30%，用水人口仅占城区居民总人口的16%。城区现有生产、生活自备井用户174家，自备井共计179眼，取水能力总计为1.956万m3/d，全部取用浅层地下水，1997—2007年供水量呈逐年增加趋势，多年平均年总供水能力为 141.2万 m3，其中城市生活多年平均年供水量为113.2万 m3，占总供水量的80.2%；城市工业多年平均年供水量为28万m3，占总供水量的19.8%。水资源论证分析区地下水农村年用水量为1 285万m3。水资源论证分析区灌溉面积3.88万hm2，年灌溉用水量为11 634万m3，其中地下水量约4 000万m3。

二、取水规模、取水水源与取水地点

依据襄城县第二水厂工程可行性研究报告，该水厂最大规模取水量为2万m3/d，年需水量约为730万m3。根据建设单位提供的取用水方案，需取用地下水2万m3/d（730万m3/a）。

根据工程可行性研究报告内容和业主意见，结合当地水资源条件及其开发利用状况、工程用水规模和用水特点，该项目取用襄城县五里堡水源地浅层地下水。取水地点位于襄城县县城东部五里堡以东的北汝河北岸，开采松散岩类浅层地下水。取水口设置沿北汝河影响带北侧200m左右呈近东西向布设，采用井群抽水方式。

按照《建设项目水资源论证导则》有关条款，综合确定本次水资源论证工作等级为二级。论证选取2007年为现状水平年，以2015年为规划水平年。

三、取水水源论证

1.分析范围和论证范围

襄城县第二水厂利用该县五里堡水源地为供水水源。考虑到建设项目取水、退水所影响的范围，确定该项目水资源论证的分析范围为襄城县所辖范围。考虑项目所用的地下水水源地为五里堡水源地，故确定水源的论证范围为五里堡水源地详查区,论证区总面积约71 km2。

2.地下水资源评价

供水水源属傍河型地下水水源地，按照现行国家标准，开展了水源地供水水文地质详查工作，收集了22年来的地下水动态观测资料，进行了野外水文地质测绘、水文地质钻探、单孔和多孔抽水试验、大型群孔抽水试验，利用抽水试验资料计算求取了含水层渗透系数等，利用动态观测资料求取了降水入渗系数、含水层重力给水度等水文地质参数，采用均衡法计算水源地地下水资源量；采用解析法对地下水可开采量及开采后水位进行计算预测；根据水源地水文地质概念模型，建立该水源地地下水流数值模型，采用MODFLOW软件对水源地地下水渗流场的演化进行模拟和预测。

（1）均衡法计算及评价

均衡法评价区地下水均衡计算成果、开采条件下地下水均衡计算成果（略）。从均衡法计算可知，在开采条件下，地下水总补给量为1127.3万m3，消耗量为 1 115.99 万 m3，补排差为+11.3万m3，计算时段地下水处于均衡状态，地下水水位保持基本稳定，不会产生明显的环境问题。

（2）地下水资源数值计算与评价

为进一步分析论证浅层地下水系统特征，定量评价浅层地下水资源，在已有地质、水文地质资料和长期观测资料的基础上，依据水源地所处的水文地质条件，圈定模拟区，建立地下水流数值模拟模型，对水源地地下水渗流场的演化进行模拟和预测。

①数值计算模拟结果

根据水文地质概念模型，建立非均质二维非稳定流数学模型来模拟浅层地下水系统渗流场，以2007年作为现状年，模拟时间自2007年1月到12月。从模拟结果可以看出，模拟区地下水补给主要为降雨入渗和北汝河侧向补给，占总补给量的92.01%；其他补给方式为井灌回渗和侧向径流补给，仅占总补给量的7.99%；地下水排泄主要为人工开采，占总排泄量的52.70%，其次是蒸发排泄，约占总排泄量的32.99%；侧向排泄量最小，仅占总排泄量的14.31%；由于北汝河河床渗透性好，开采地下水的过程中大大激发了河流的补给，使得傍河型地下水观测点地下水水位呈上升趋势，地下水均衡表现为正均衡，模拟区现状年地下水资源量增加了 3.45万 m3。

模拟计算结果表明：襄城县第二水厂在现状2万m3/d的开采条件下，模拟区地下水均衡由于降水入渗和北汝河侧渗补给仍然处于正均衡，水资源量增加3.45万m3/a。因此，第二水厂五里堡水源地完全可以满足2万m3/d的供水要求。

②模型预测结果

利用所建立的模型对模拟区20年内的地下水水位动态及流场图进行了预测。根据预测曲线图可以看出，在开采中心区水位降幅最大，达15～22 m，边界地方降幅较小，一般小于10 m；同时开采初期水位下降较快，随着开采时间的增加，水位下降速度逐渐变慢，曲线逐渐平缓，开采5年以后水位将趋于稳定。

（3）解析法评价地下水允许开采量

①开采方案的确定

根据论证区水文地质条件，拟建水源地井位布设在县城东部五里堡以东的北汝河北岸，共布设2排10眼井，其中一眼为备用。井排距为250 m，井间距为400 m。根据实际抽水资料，井径为φ300 mm时，单位涌水量为 12 m3/（h·m），换算成 15 m 降深时，单井出水量达150 m3/h，能够满足单井出水量100 m3/h的设计要求。水源地设计动水位埋深按30m考虑。

②水位下降值与影响范围的确定

水源地在井群开采条件下，按2万m3/d进行开采，单井涌水量按2 400 m3/d计，依据布井方案，根据公式计算20年内不同时期中心井的最大动水位埋深。计算表明：在现状条件下，开采20年后中心井的最大水位降深为22.35 m，区内浅层地下水含水层顶板埋深25 m左右，20年后中心井动水位在设计动水位埋深30m范围内，故水源地按2万m3/d开采在规划年限（20年）内是有保证的。在开采初期水位下降较快，随着开采时间的延续，水位下降速度逐渐变慢，曲线逐渐平缓，当开采5年以后水位趋于稳定。

根据调查访问，水源地附近农业生产和生活用水均为浅层地下水，抽水工具为潜水泵或压水井，水位埋深大于6m后将会影响抽水效果。因此，以地下水水位埋深下降至6m为界划定影响范围，目前水源地附近地下水水位埋深为3 m左右，以水位下降3 m为界划定影响范围。

把水源地开采区作为一个大井，计算影响边界至抽水井和虚拟井的距离的比值，圈定影响范围。经计算，抽水井和虚拟井的距离为600 m。水源地开采影响范围为南部在北汝河北岸约100 m，北至水源地北部约1 km，东西各500 m的近椭圆范围，面积约 4 km2。

3.取水可靠性与可行性分析

利用均衡法、解析法、数值法等方法计算的开采条件下的补给量、排泄量结果可看出，计算结果差异较小，数值法的计算差别是选用的年份不同造成的。在现状条件下，浅层地下水总补给量为 572万 m3/d，消耗量为555.1万m3/a，补排差为+16.9万m3，计算时段地下水为正均衡，计算所得地下水水位上升0.5m；在开采条件下，地下水总补给量为1127.3万m3/d，消耗量为1 115.99万m3/d，补排差为+11.3万m3/d，计算时段地下水处于正均衡状态。浅层水补给量重点计算了河流补给量、灌溉回渗补给量及大气降水补给量等。在计算过程中根据野外试验观测资料计算了所需的水文地质参数，参数选择合理，计算结果较可靠。从多种因素考虑，确定的新增开采量是有保证的。

论证区内浅层地下水的补给量主要来自河水补给。从多年资料看，北汝河襄城水文站多年平均流量为31.8 m3/s，日最大流量为3 040 m3/s，1979年后建设了大陈闸，改变了北汝河的水文特征，保证了北汝河襄城河段长年有水，全年未出现过断流。由解析法计算可知，拟建工程的取水，造成水源地集中开采区中心井的地下水水位埋深下降22.35 m左右，在设计动水位之上，且多年保持稳定。由数值法计算可知，在水源地开采中心区水位降幅达15～22 m，水厂运行初期水位下降较快，随着开采时间的延续，水位下降速率逐渐减小，当开采5年以后地下水位趋于稳定。因此，论证区地下水水能够满足水源地开采2万m3/d的用水要求。由水质分析可知：地下水水质较好，地下水质量级别为良好级，适宜作为生活饮用水水源。

四、水资源保护措施建议

1.加大节水力度

县城供水应注意解决跑、冒、滴、漏问题。定期对供水管网进行检查、检修，发现隐患及时处理，提高自来水管网利用率。在水源地及周边地区扩大节水灌溉面积。可以调高水价，计量管理，运用经济杠杆来促进节约用水。通过宣传等形式，增强节水意识，进一步提高水资源利用效率。

襄城县经济社会发展较快，用水量增长也较快，且地下水的补充周期较长，因此应加大地下水的补充渠道。拟建水源地位于北汝河旁，除天然降雨补给和北汝河侧漏补给外，应修建拦蓄水、提灌及渠系工程，以补充地下水。也可选择有利地段开展人工回灌实验，这也是增加地下水资源的有效途径之一。

2.自备井实行统一管理

目前襄城县自来水供水能力不足，城区常住人口约11万，而现有供水仅能覆盖城区总面积的30%，用水人口仅占城区居民的16%。地下水无计划、无组织的过度开采，自备水源太多，造成地下水的浪费严重，城区地下水水位急剧下降。根据国家有关规定，凡自来水管网到达区域内，原则上应停止审批单位自建自备井。对自来水管网未到达区域，有关部门应核定自备井允许开采量。供水管网到达后，用水单位原则上停止取用地下水。因此，有关部门应加大执法力度，按照国家有关规定对一些自备井进行统一管理，提高地下水资源的利用效率。

3.建立水源地的卫生防护区

拟建水源地的地下水水质良好，目前尚未受到污染，但埋深较浅，若防护不好，易受到污染。故应根据《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—85)和1989年国家环保局、卫生部、建设部、水利部联合颁布的《饮用水源保护区污染防治管理规定》等，综合考虑水文地质条件、地下水开采等情况，建立水源地的卫生防护区。

Ⅰ级保护区：包括水厂生产区和供水井周围30 m范围。应明确划定并设立明显标志，在水厂生产区外围不小于10 m范围内不得设置生活居住区和修建禽畜饲养场、渗水厕所、渗水坑，不得堆放垃圾、粪便、废渣或铺设污水渠道，应保持良好的卫生状况和绿化。在水源井周围30 m范围内，不得设置渗水厕所、渗水坑、粪坑、垃圾堆和废渣堆等污染源，并建立卫生检查制度。

Ⅱ级保护区：为水源地开采区，该范围内不得使用工业废水、生活污水灌溉和使用持久性或剧毒农药，不得修建废污水渗坑。该保护区内严禁开挖与水源井同深的工业生产用水或开采量较大的其他开采井。废污水不准排入流经水源地的地表水体。

4.建立地下水动态监测和管理系统

水源地建成后，应对水源地及城区地下水的水量、水质、水位进行长期监测和研究，提供水源地水质、水位变化趋势，提出最大限度减轻集中开采后出现的水环境负效应问题和科学管理水源地的对策，以达到水源地长期、科学开采的目标。

在水源地以东10 km的北汝河大陈闸应布设水量控制点，水质监测断面，适时监测水量、水位和水质的变化。严禁北汝河成为纳污水体，尽快完善县城污水处理系统，加强对污水处理的监督与管理。

五、论证中的关键问题

1.分析范围、论证范围的确定

地下水资源的分布与地层岩性、地貌位置、含水层特征及分布密切相关，在确定分析范围、论证范围时应对区域内的水文地质条件进行分析研究，以地下水系统理论为依据，尽可能以完整的水文地质单元、完整的含水层系统进行地下水资源开发利用现状分析和地下水资源的水平衡分析。由于一个完整的水文地质单元及完整的含水层系统一般范围较大，需要开展大量详细的地下水资源调查评价工作才能得到较可靠的成果，而且时间周期较长。如果所在行政区曾开展过专项的地下水资源调查评价工作，建议以行政区范围为分析范围。

论证范围确定时不但要考虑水文地质单元、含水层系统，还要考虑地下水开采现状及地下水补径排条件，尤其是要考虑现有的集中供水地下水水源地，如县城、乡镇的地下水供水水源地及自备井的分布，大型企业的供水水源地等等。在开展水资源论证前，针对该建设项目进行供水水源地水文地质详查工作，已经对详查区内的地层结构、含水层系统的分布及其特征、地下水开采现状、地下水补径排条件进行了详细调查，并对详查区的地下水可开采资源量进行评价。论证范围确定为详查区，便于水资源论证时进行对比。

2.取水水源论证

地下水资源论证前提要有可靠的原始调查数据、准确的水文地质参数、科学合理的地下水资源评价计算方法，而且要有不同的计算方法相互对比印证。论证工作在均衡法计算评价的基础上，利用解析法对论证区可开采资源量进行计算评价和预测，采用美国地质调查局（USGS）开发的地下水三维渗流模拟软件——MODFLOW进行计算和预测。