上海市地下水环境容量评价及其在地下水资源管理中的应用

2012-09-05张月萍刘金宝

地下水 2012年3期

关键词：环境容量含水层上海市

张月萍，刘金宝

(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)

上海市地下水环境容量评价及其在地下水资源管理中的应用

张月萍1，刘金宝2

(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)

通过在分析上海市地下水环境特征及地下水资源开发利用产生的环境问题，依据地下水位及地面沉降多年监测数据，确定了地下水位及地面沉降控制指标，并对地下水环境容量模型计算结果进行评价，在将其地下水资源管理应用中，取得较好成效。

地下水环境容量;地下水采灌方案;地下水资源管理

上海是一座水质型缺水城市，水资源短缺及水环境污染将是21世纪面临的重要问题，地下水作为洁净、方便的水源，多年来已为上海市城市居民生活以及工农业发展提供了丰富的淡水资源，但长期过量开采地下水引起了一系列生态环境问题，如地下水资源枯竭、地下水位持续下降、地下水水质恶化、海水入侵、地面沉降等，引起了社会各界的广泛关注和重视。

上海与许多现代大都市一样，面临着这样的困境，一方面是不断增长的物质财富支撑着现代化的生活方式，另一方面则是环境恶化且有无可挽回的危险［1］。随着水资源需求的不断增加，地下水资源的保护以及地下水环境问题的控制、治理等相应变得越来越重要，地下水资源的科学管理成为一个极为复杂的问题。上海地下水资源可持续开发利用历来是上海市政府极为关注的问题，是《上海市水资源综合规划》中重点部署、研究、解决的任务之一。

鉴于此，有必要对上海市地下水资源量进行科学的评价，才能够对有限的地下水资源进行合理的分配及最大限度的利用，达到科学管理的目的，促进城市的可持续发展［2］。

1 地下水环境容量评价

1.1 地下水环境特征

上海市地处长江三角洲东缘，太湖流域下游。境内除西南部有少量丘陵山脉外，全为坦荡低平的平原，是长江三角洲冲积平原的一部分。区内地下水主要赋存于松散岩类孔隙介质中，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。

其中具有集中开采价值的、可作为供水水源的第二、三、四、五承压含水层中分布有大量的淡水资源，蕴含丰富的地下水资源，几十年来一直作为城市供水补充资源长期被开发利用。据系统监测资料显示，1961年～2009年间，共开发利用地下水资源50.66亿 m3，其中第二、三、四、五含水层地下水开采量分别为8.61 亿 m3、10.99 亿 m3、24.27 亿 m3、6.79亿 m3。地下水人工回灌总量为7.45亿 m3。60年代初及90年代是地下水开采强度最大的时期，年度平均净开采量大于1亿 m3，而60年代末至80年代是地下水开采强度最小的时期，年度净开采量介于 0.5～0.7亿 m3。

图1 上海市地下水开采与人工回灌、地下水位和地面沉降历时变化图

由于地下水长期的开采，伴随着多种地质灾害也相继产生，其中最主要的是地下水位持续下降和地面沉降。其中第四承压含水层地下水位漏斗中心大场地区地下水位由－7 m降低至－45 m，第五承压含水层地下水位漏斗中心华漕地区地下水位由－15 m降低至－75 m。地下水位下降引起的最直接地质灾害是地面沉降，20世纪60年代是地面沉降灾害发展最为严重的时期，1921—1965年市区平均地面沉降达1.69 m。上海地面沉降经历了发生—不断加速—回弹—微量下沉—再次增速—微量下沉的演变过程，中心城区地面沉降的发展速率表现出非线性变化的规律(图1)。近年来地面沉降在空间上也不断地扩展，已从中心城区为主演变成区域性的地面沉降，随着城市化进程加速，近远郊地区特别是新兴城镇，其地面沉降有明显增长。

1.2 地下水环境容量评价指标

1.2.1 地下水位约束条件

含水层压缩变形具有普遍的非线性特征，不同地下水位条件下的变形速率可能相差数倍—数十倍。由于承压含水层演化过程中前期最大固结压力的存在，当地下水位下降、含水层承受的附加应力增加至前期固结压力时，含水层结构无法承载当前有效应力作用，需要通过含水层砂体结构调整和重构以适应当前有效应力状态，在此过程中承压含水层固结变形速率会显著增大，表现为持续的固结压缩。通过对上海市各含水层地下水位变化及变形特征的分析，存在着季节性高水位期土层回弹逐渐减小并向土层持续性压缩发展的突变点，此时所对应的年度最低水位就是土层变形的临界水位，以此作为地下水环境容量评价的地下水位控制目标。

根据地下水位与临界水位的关系，含水层表现出弹性、弹塑性、塑性三种不同的变形特征，含水层的变形速率存在较大差异，并不与地下水位的下降幅度成完全的对应关系，其中临界水位所对应的土层变形状态处于弹塑性变形阶段，因此临界水位可利用含水层变形特征的变化来求得［3－4］。

1)第二承压含水层

第二承压含水层应力应变特征分析显示出较好的弹性特征(图2)，1990年以后残余变形量略有增大，应力应变曲线表现为斜率略有变化的两簇，总体来说处于弹性变形范围内，因此为维持这一弹性变形特征，根据以往经验推断其临界水位为－3 m，以此作为地下水环境容量计算的第二承压含水层地下水位约束条件。

图2 上海市第二承压含水层应力应变特征

2)第三承压含水层

第三承压含水层应力应变特征分析显示大部分监测点表现出与第二承压含水层相似的弹性变形特征(图3)，但当地下水位降至－6.5 m时含水层变形轨迹发生变化，残余变形略有增加，因此从偏安全角度出发，第三承压含水层取－5 m，当地下水位高于该水位时，含水层能够保持弹性变形特征，以此作为地下水环境容量计算的第三承压含水层地下水位约束条件。

图3 上海市第三承压含水层应力应变特征

3)第四承压含水层

第四承压含水层应力应变曲线呈现典型的弹性－弹塑性－塑性变形的轨迹，由图4可以看出，含水层由弹性阶段向弹塑性变形阶段过渡时，年度低水位一般位于－20～－25 m之间，当年度低水位降至临界水位时，高水位期回弹量逐渐减小，低水位期沉降逐渐增大，直至土层表现为全年度的持续压缩，因此可认为该监测点临界水位位于－20～－25 m，综合统计上海所有监测点第四承压含水层的应力－应变特征统计临界水位，取保守值－20 m，当地下水位高于该水位时，含水层能够保持弹性变形特征，以此作为地下水环境容量计算的第四承压含水层地下水位约束条件。

图4 上海市第四承压含水层应力应变特征

4)第五承压含水层

由于对第五承压含水层应力－应变历史监测资料不完整，现阶段应力应变分析中，基本位于“塑性”变形向“弹塑性”变形转化的过程中(图5)，由此推测临界水位应比现阶段水位要高，但其沉积年代早于第四承压含水层，理论推测临界水位应比第四承压含水层要低，结合以往经验，取－25 m作为地下水环境容量计算的第五承压含水层地下水位约束条件。

图5 上海市第五承压含水层应力应变特征

1.2.2 地面沉降控制目标

随着地面沉降灾害的不断发展，其对城市防汛的影响程度不断加重，中心城部分地区已低于黄浦江外滩地区平均高潮位(吴淞高程3.2 m)。同时，近年来轨道交通、磁浮列车等现代化基础设施投入运营，不均匀地面沉降对其安全运营影响十分显著。因此，地面沉降在上海城市发展的不同时期，对城市安全影响表面出不同的方面，而且城市安全对地面沉降发展速率和累积程度的承受限度也是不断降低的。

综合分析上海地面沉降发展历史与现状，城市防汛及轨道交通、磁浮列车、高架桥梁等生命线工程安全管理对地面沉降要求，结合当时经济社会发展状况，综合确定地下水环境容量计算地面沉降控制目标为5 mm/a。

1.2.3 地下水质约束条件

在现有经济技术水平下，矿化度小于3 g/L的地下水具有开采价值。因此，将矿化度小于3 g/L作为地下水开开采区域的约束条件，矿化度大于3 g/L的区域地下水资源除特定用途外不予开采。

1.3 地下水环境容量计算模型

地下水环境容量实际上是一个复杂的约束优化问题，分为数学模型和优化模型两部分。首先根据上海市水文地质条件，将整体地下含水层作为一个地下含水系统来综合考虑，建立三维地下水渗流模型，同时考虑含水层的塑性变形和蠕变，建立非线性区域地面沉降模型，并将地下水渗流和地面沉降计算中有关参数进行非线性耦合，与时间密切相关，最终建立了地下水环境容量计算的数学模型［5］。然后在数学模型基础上，通过分析实际资料和试算确定约束条件，根据开采量、地下水位和地面沉降之间的相关关系，采用罚函数法与变尺度法相结合的途径建立优化模型，进行优化反演分析。

输入初始井流量，调用数值模型进行正分析，计算得出各剖分节点上的地下水位和地面沉降值，代入目标函数并计算函数值:

式中:Si为各剖分节点上的地下水位或地面沉降值，S允许为各剖分节点上的地下水位或地面沉降控制条件，n为总剖分节点数。

将计算得到的目标函数值代入收敛判别式，若满足判别式，则输入的井流量总和即为满足地面沉降控制条件的地下水环境容量;若不满足，则根据计算值与控制条件的差异情况，调整开采量，代入模型迭代计算，直至满足条件为止。

1.4 地下水环境容量评价

以上海市2005年地下水开采格局作为地下水环境容量计算的初始条件，其最终评价结果为2 500万 m3/a，并将该最佳开采方案代入模型进行预测至2010年，预测结果如图6(以第四承压含水层为例)所示，整体地下水流场较平缓，以金山西部枫泾地区最低，主要是受相邻边界浙江地区的地下水开采影响所致，与江苏交界的嘉定北部也存在小面积的地下水位漏斗，区内开采对水位的变化影响只起到次要作用，因此控制上海相邻边界的开采量尤为重要。

图6 上海市第四承压含水层地下水位预测分布图

地面沉降预测如图7所示，地面沉降得到较大缓解，除存在少量局部零星点达到5 mm/a的沉降漏斗(主要分布于上海与江、浙两省的交界处)外，大部分地区的年均沉降量均小于5 mm/a，基本位于2～3 mm/a以内，达到设定控制要求。

图7 上海市2006－2010年累计地面沉降预测分布图

2 地下水环境容量在地下水资源管理中的应用

2.1 地下水开采与回灌方案编制

为保护地下水资源，防治地面沉降，上海地区不断加强地下水资源管理力度，每年在深入分析上年度开采与回灌方案执行情况的基础上，基于当前地下水开采与回灌格局、地下水位及地面沉降情况，依据地下水环境容量评价成果，综合编制下年度地下水开采与回灌方案，并提出实施措施和建议。

地下水开采与回灌方案的制定主要从两方面着手:地下水开采与回灌总量控制和地下水开采布局规划。根据地质环境容量评价成果逐步调整地下水净采量至地下水环境容量评估值(包括逐步压缩地下水开采量并稳步增加地下水回灌量);在综合确定全市地下水开采与回灌总量的基础上，根据上年度地下水位和地面沉降空间格局调整地下水开采与回灌布局规划，制定各区县、各含水层地下水开采与回灌目标，进而具体到每口井的开采回灌量的分配。利用地下水环境容量计算模型，按照地下水开采与回灌的规划条件对研究区进行预报，预报期初始水位(包括含水层水位和弱透水层水位)为上一年度年末的水位，预测下一年度地下水位和地面沉降的发展趋势，预测结果与地下水位和地面沉降控制目标进行比对，若未达到控制目标则继续调整地下水开采与回灌总量和布局规划，直至达到控制目标。