上海市地下水应急水源地规划战略研究

2011-04-19张月萍刘金宝俞俊英

地下水 2011年4期

张月萍，刘金宝，俞俊英

(1.上海市水文总站，上海 200232;2.上海市地质调查研究院，上海 200072)

现阶段城市安全供水存在一定隐患，尤其在遭受战争、恐怖袭击、地震、海啸、火灾、潮灾、旱灾、水质污染及公共卫生事件、大面积长时间停电等突发性灾难导致城市自来水供水水源遭受严重破坏无法正常供水时，该问题尤为突出。

解决城市应急状态时的供水问题，是一项关系到国计民生的大事，一定程度上左右着城市的阶段性发展，而优质、丰富的地下水资源，具有易保护、易储存、不易受污染等特点，是应急状态下最为理想的供水水源。因此，地下水应急水源地作为紧急启用的暂时性后备供水水源地，涉及到城市的供水安全问题，不容忽视［1－2］。

上海作为国际大都市，地处东海之滨，黄浦江、长江等地表水作为自来水水源，但现阶段存在较为严重的污染现象，目前上海已进入水质型缺水城市行列，更应重视城市地下水应急水源地建设。区内地下水主要赋存于松散岩类孔隙介质中，其次赋存于碎屑岩类孔隙、碳酸盐岩类裂隙溶洞和基岩裂隙中，地下水的赋存与分布受控于区域地貌、地层岩性、厚度及地质构造等因素。松散岩类孔隙水是区内主要的地下水类型，蕴含丰富的地下水资源，按其成因类型、时代、矿化度和水化学类型，以及彼此间的水力联系密切程度，可将松散岩类孔隙水划分为各具特点的三个含水岩组和七个含水层。分别为全新统潜水含水岩组，包括潜水含水层和微承压含水层;中、上更新统承压含水岩组，包括第一、二、三承压含水层;以及下更新统承压含水岩组，包括第四、五承压含水层［3］。其中第二、三、四、五承压含水层中大量淡水资源分布区，具有集中开采价值，可作为供水水源，是地下水应急水源地建设主要考虑地区。

1 地下水应急水源地规划

1.1 地下水应急水源地调查

根据应急供水的需求类型、地理位置、城市规划功能区，上海市应急水源地建设规划可分为三大类:

第一类为岛屿，该地区因特殊地理位置，规划重点是应对以咸潮时间过长、地表水源受污、发生严重干旱等事件为主的应急地下水供水水源地，重点解决分散岛屿居民的生活用水和部分特殊工业用水，水源地供水时间相对较长。该地区第五含水层具备应急水源地建设水量与水质条件。

第二类是城市重点地区，主要指中心城，规划重点是确定大(中)型应急地下水水源地，以应对各种可能发生的供水中断或不足的危机。重点解决紧急状态下城市居民的生活用水和特殊工业用水。对这类水源要求供水量大、集中，供水时间较短。该地区第二、三、四、五含水层具备应急水源地建设水量与水质条件，局部地区第二、三含水层为微咸水。

第三类为城市规划新城区，规划重点是应对各种原因引发的应急供水事件，建立中小型应急供水水源地。重点是解决中小城镇居民生活用水。该地区第二、三、四、五含水层除基岩残丘地区或古潜山浅埋地区基本缺失外其余地区广泛发育，但地下水质量在不同地区差异较大，但地下水质量在不同地区差异较大，有一层或多层地下水满足应急地下水水源质量和供水量要求。

1.2 地下水应急水源地圈定

根据上述不同区域人口分布、地区重要性、地下水开采现状与规划、地下水资源分布等情况综合分析，圈定集中与分散相结合、大型(日取水量大于等于5万 m3)和中型(日取水量界于1～5万 m3)相结合的地下水应急水源地，共14处应急水源地，分布于上述三类主要地区(表1)。

表1 含水层地下水应急水源地一览表

中心城为城市人口密集、工程建设程度强烈、地面沉降重点防治地区，地下水应急水源地建设充分利用中心城现有供水管路及现有取水设施，满足应急状态下城市经济建设顺利开展、大量居民正常供水，圈定为大型地下水应急水源地。

三岛地理位置相对独立，考虑应急状态下取水便捷，并能充分利用各岛现有供水管路及现有取水设施，分别圈定崇明岛重点发展的城桥新城、陈家桥新城，长兴岛、横沙岛为中型地下水应急水源地。

其余分散分布于宝山、嘉定、青浦、松江、奉贤、南汇、金山等郊区重点发展的新城区，将形成产业发展的新型都市，人口密集，一旦出现供水问题，将在短时间内需要大量的水资源，来满足经济发展、受灾人口的生活用水所需，这些重点发展的新城区同样圈定为中型应急水源地。

2 应急供水方案制定

2.1 地下水环境容量

应急供水方案除考虑人口、经济要素外，还应考虑到区域地质环境的承受能力，开采后是否产生严重的地面沉降问题(或应急期间有产生严重次生灾害的可能)，与地下水环境容量密切相关，因此在制定应急供水方案前首先要确定地下水环境容量。

由此建立了三维变系数地下水渗流－一维地面沉降非线性耦合数学模型，考虑土体的粘弹塑性变形特征，采用适应上海大区域三维问题求解的多尺度有限元法对研究区数值模型进行求解［4］。在此基础上应用“临界水位”研究成果［5］，设定地面沉降与地下水位约束条件，第二、三、四、五承压含水层最低地下水位分别不低于－3 m、－5 m、－20 m、－25 m，地面沉降速率不大于5 mm/a，考虑水质问题，采用罚函数法与变尺度法相结合的途径进行优化反演分析，得出现阶段地下水环境容量总量为2 500万 m3/a，并对现阶段的开采布局进行了优化［6］。

2.2 应急供水方案

在地下水环境容量前提下，结合上述不同区域人口分布、地区重要性、地下水开采现状与规划、地下水资源分布等情况综合分析，圈定集中与分散相结合、大型(日取水量大于等于5万 m3)和中型(日取水量界于1～5万 m3)相结合的地下水应急水源地(表2)。

3 环境地质问题预测评估

在应急供水情况下，以确保应急供水量为主要目的，但由于短时间内集中、高强度的地下水开采，可能产生一定程度的地面沉降，为及时了解应急开采地下水过程中地面沉降发展趋势，避免应急供水期间因产生严重的地面沉降而引发其它次生灾害或使影响程度尽可能地降低至最小限度，需对应急供水情况下可能引起的环境地质问题进行预测评估。

利用上述建立的地面沉降数学模型，对应急开采方案下的地面沉降进行预测。以采用上述应急开采方案开采90天为例，地面沉降预测分布情况如图1所示。中心城应急水源地因应急开采量为其它水源地的10倍，产生的地面沉降现象比较明显，且呈微量增加态势。金山新城应急水源地，因含水层水文地质条件相对较差，且其东部基岩隆起含水层侧向补给条件明显削弱，补给条件较差，易产生地下水位下降及地面沉降。惠南新城、临港新城、松江新城、青浦新城、浦东国际机场、奉贤海滨农场区，在实施应急开采方案后，有微量的地面沉降产生，并随着时间的推移，下降趋势不甚明显。其余应急水源地地面沉降现象总体不甚明显。