南昌市突发性应急供水水源地模拟研究

邹友琴，周文斌，兰盈盈，杨 曼

（1.南昌大学环境与化学工程学院，江西 南昌 330031；2.鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室(南昌大学)，江西 南昌 330047；3.南昌工程学院，江西 南昌 330099；4.江西省勘察设计研究院，江西 南昌 330095）

南昌市现有下正街水厂、朝阳水厂、青云水厂等及要新建的城北水厂均以赣江水为水源［1］。这种单一水资源格局与日益扩大的城市水量不匹配，已成为城市安全运转的一大潜在威胁［2～5］。2003年汛期后江西省出现了典型的伏旱、秋旱、连冬旱，其旱情为当时江西省建国以来最严重，其中赣江流域旱情最为严重。自此以后，赣江下游水位屡创历史新低。2010年冬至2011年春，江西再次遭遇历史罕见旱情，赣江河床干涸裸露龟裂，鄱阳湖湖心成草原，湖床干裂。继松花江污染等多次突发性环境污染事故之后，杭州苯酚污染事故再度敲响了城市水安全与水危机管理的警钟。相对于地表水，地下水质优、时空分布较均匀、动态相对稳定，适合作应急水源。针对最近几十年来自然及人为的灾难突如其来地增长，联合国教科文组织国际水文计划承担了GWES(GroundWater for Emergency Situations)项目，对地下水作为应急水源作出了方法上的指导［6］。因此研究利用地下水作为应急水源应对突发性事件具有重大、现实意义。

1 研究范围与水文地质条件

研究区地处鄱阳湖滨、赣江、抚河下游尾闾平原区(图1)，西、北以赣江为界，东沿瑶湖、抚河以2008年地下水16m天然等水位线为界，南达莲塘以南3km。研究区主要开采第四系松散岩类孔隙水。第四系含水层由中更新统上段砂砾石含水层、上更新统砂砾石含水层、全新统砂砾石含水层构成。由于区内不同时代的冲(湖)积构成内叠阶地，全新统、上更新统、中更新统含水层顶、底板高差不大，横向上大致连续，构成以红层粉砂岩为相对隔水底板的统一含水层，水力联系密切，见图2。在人工开采地下水之前，第四系松散岩类孔隙水为承压水，现只在研究区边缘局部微承压。含水层厚度分布规律为自西向东和自南向北逐渐增厚。

图1 南昌市中心城市规划布局及研究区范围图Fig.1 Urban planning and layout of Nanchang City and the target area

垂向以大气降水补给为主，由于孔隙含水层为双层结构，垂向补给条件相对较差，区内主要有东部(梧岗魏、罗家集、太子殿至尤口等地)和西部(莲塘等地)两个大气降水补给区。研究区内的青山湖、艾溪湖、瑶湖等较大地表水体，研究区东边抚河与抚河支流均与地下水水力联系微弱。稻田在持水期间对地下水的补给也很微弱。由于含水层二元结构的上部为粘性土、粉土，局部夹淤泥质粘性土透镜体，一般厚度5～15m，可忽略地下水的蒸发［3～4］。

图2 八一桥到南钢水文地质剖面示意图Fig.2 Hydrogeological sketch map of the area from Bayi Bridge to Nanchang Iron and Steel Plant

红层广泛隐伏分布于第四系松散土层之下。红层含水层标高大体为－30～－60m，含水层近似呈层状，连通性好，形成连续、统一的承压水位。构成含水层隔水顶板的粉砂岩类，由于长期遭受风化破坏，裂隙较发育，具有一定的透水能力，致使“红层”含水岩组与上覆松散类孔隙水含水层之间存在越流联系。

研究区现已形成以南钢为中心的地下水水位区域降落漏斗，因此选择在南钢漏斗边缘位于地下水极丰富区的城北尤口、城东南谢埠、城西桃花作为三个应急水源地。此三地段不仅含水层厚度大，而且离城市管网近，非常适合在应急状态下向城市供水。

在研究区东部天然地下水位约16m，地下水埋深约2m，含水层厚度大，含水极丰富，可视为无限含水层。模型识别与检验应用2008年的地下水位长观资料，在现有开采条件下，漏斗影响范围只能到达2008年地下水16m天然等水位线。而模拟应急情景时，布井在现有漏斗边缘，对于非自然边界处的影响范围会扩大。在城西的桃花水源地所靠边界赣江完全切割含水层，为水文地质单元自然边界，不会再往外扩展。城北的尤口以北也是赣江，而在东边不是天然边界，因此它与城东南的谢埠开采时，影响范围自然向东扩展。根据计算的影响半径及开采时流场的实际变化情况，将模拟区东边界的范围向东延伸5km，然后逐渐向南收拢(图1)。依据东扩范围内的钻孔资料，含水介质与原东边界含水介质的性质相同，只是厚度更大，也验证了含水层厚度由西向东，由南向北增厚，研究区东边界以东也是属于含水极丰富区。因此校核后的参数在东扩范围内适用。

根据南昌市城市总体规划(期限为2001～2020年，其中远期为2011～2020年)，研究区包括了昌南城的旧城中心区、城东片区、城南片区及朝阳片区四个片区及瑶湖片区部分，另加莲塘大部。模型校核时总面积381.35km2。东扩后总面积513.10km2。

2 研究区水文地质概念模型

(1)含水层概化:根据前述分析，将研究区的模拟对象第四系松散岩类孔隙水概化为潜水含水层。

(2)边界条件概化:据BK43、BK55孔长期观测资料，研究区地下水与赣江有密切的水力联系，将西北边界定为已知水位边界。沿2008年地下水16m等水位线，研究区东边沿瑶湖、抚河定为人为通量边界。研究区南亦为人为通量边界。

(3)地下水流场特征:研究区第四系松散岩类孔隙含水层，地下水在含水介质中缓慢运动(水力坡度一般小于2‰)，其运动规律符合达西定律。

通过以上对研究区地下水系统的分析，将含水层概化为非均质、各向异性(Kx=Ky=10Kz)、空间三维、非稳定地下水渗流系统。

3 数学模型

式中:h(x，y，z，t)——水头(m)；

K——渗透系数(m/d)；

G——补给项；

W——排泄项；

h0(x，y，z)——初始水头(m)；

h1(x，y，z，t)——第一类边界 Γ1上的水头(m)；

q(x，y，z，t)——第二类边界 Γ2上的单宽流量(m3/d·m)；

μ——给水度。

由上述偏微分方程与初始条件、边界条件共同组成定解问题。

4 模型识别与检验

运用基于有限差法的GMS软件进行研究区地下水系统数值模拟。选定2008年为模拟期，进行研究区网格剖分、水文地质参数分区及参数赋值、源汇项输入等步骤后，应用全部长观孔(共17个)水位资料，通过不断调参进行模型的识别与检验。

通过对2008年地下水均衡分析，其均衡结果误差为12.80%。从识别的结果看，除了位于研究区南边界附近的一个长观孔的计算值与实测值之间拟合误差为0.63m外，其它观测孔的计算值与实测值之间拟合误差均小于0.5m。模型检验结果中，只有两个位于漏斗中心的观测孔计算值与实测值拟合误差大于0.5m，分别为0.796m和0.609m，其余观测孔的计算值与实测值之间的拟合误差均小于0.5m。总之，模型识别与检验过程中计算水位与观测水位拟合较为理想。模型识别与检验结果说明水文地质概念模型概化的合理性及数学模型建立的正确性及可靠性，进而说明模型能正确反映研究区的水文地质条件，可用本模型校核后的参数来进行预测。

5 应急条件下可开采量的预测

为了保证能在最恶劣情况下供水，选择最不利的条件来进行模拟。根据气象资料，1963年是1951～2010年间降水量最少的年份，因此选择1963年降水量与赣江水位。

根据已有研究资料，研究区及其以东地下水天然水位约为16m，校核时研究区东边界范围选地下水位16m等水位线作边界，即现有地下水位降落漏斗边缘。选择桃花、尤口和谢埠作应急水源地，根据前述分析，将模拟区东边界的范围由原边界向东延伸5km，然后向南边界逐渐收拢。由于应急状态下，是以疏干含水层来达到短期供水目的，漏斗不会扩展很大，可将东边界水头视为地下水天然水头16m，边界性质不变。

南边界流场相对独立，受南钢漏斗影响不大，因此仍定为流量边界，流量计算方法及大小与校核时不变。

应急条件下预测时的源汇项，如大气降水入渗补给、赣江侧向补排、灌溉回归、红层越流补给等的计算方法与校核时相同。湖泊渗漏补给由于向东扩大范围，包括瑶湖大部分，依据前述分析，瑶湖与地下水之间水力联系与其他湖泊类似。

按《南昌市城市总体规划文本(2001年～2020年)》，2020年研究区用水量为126×104m3/d，其中生活用水量、工业用水量及其他用水量比例为55:35:10，在应急情况下，优先考虑生活供水，则供水量应达69.3×104m3/d。规划要求，地下水开采量递减，为了保证条件的极端性，地下水原有开采量采用现状开采量。然后在三处应急水源地增加开采井，依据含水层由西向东，由南向北增厚，在尤口布井41口，井距500m，每井开采量为6800m3/d；在谢埠布井38口，井距500m，每井开采量为6800m3/d；在桃花布井27口，井距500m，其中23口井开采量为6000m3/d，4口井开采量为5000m3/d，应急开采总量为69.32×104m3/d，具体布井情况见图3。加上原有开采量，共约80×104m3/d。

图3 研究区东边界变化及应急布井图Fig.3 Changing in the east boundary and the emergency well-sites of the target area

在应急条件下，整个流场主体仍表现为以南钢漏斗中心为主，在三个应急水源地分别形成小漏斗，与南钢主漏斗之间形成相应的分水岭，如图4。应急供水3个月后，未出现含水层疏干情况。桃花应急水源地最大绝对降深为13.27m，最小绝对降深为6.92m，平均绝对降深为9.94m；疏干含水层厚度占原含水层厚度百分比最大为78.67%，最小为35.22%，其中有7口井超过含水层厚度的2/3，分别为78.67%、78.05%、72.27%、72.02%、71.76%、68.66%、68.56%，平均为56.48%，基本能满足应急供水要求。谢埠应急水源地最大绝对降深为10.21m，最小绝对降深为3.30m，平均绝对降深为7.18m；疏干含水层厚度占原含水层厚度百分比最大为64.29%，最小为15.74%，平均为41.06%，能满足应急供水要求。尤口应急水源地最大绝对降深为8.86m，最小绝对降深为3.71m，平均绝对降深为6.47m；疏干含水层厚度占原含水层厚度百分比最大为35.59%，最小为14.26%，平均为26.30%，亦能满足应急供水要求。应急水源地含水层厚度平均变化情况见图5。

图4 应急条件下3月末流场Fig.4 Flow field in emergency at the end of the 3-month period

图5 应急水源地含水层厚度变化情况Fig.5 The aquifer-thickness changes in the percentage of the original aquifer at the sites of emergency water supply

仍继续利用1963年的降水量与赣江水位进行水位恢复模拟，含水层厚度平均恢复情况见图5。停止应急供水，仍维持原来正常开采量，历经9个月，含水层厚度在桃花、谢埠、尤口分别恢复 89.82%、82.57%、85.45%，表明应急水源地具有良好的恢复性。

在整个应急条件下，总开采量约80×104m3/d，对其进行水均衡分析，其结果见表1。可知在应急条件下开采量主要来自地下水含水层的疏干，均占到90%以上。

表1 应急条件下地下水均衡分析Table 1 Analysis of groundwater balance in emergency water supply (%)

6 结论与建议

(1)在应急供水三个月后，桃花有7口井疏干含水层厚度超过原厚度的2/3，最大为78.67%，最小为35.22%，平均为56.48%，基本能满足应急供水要求；谢埠与尤口最大疏干含水层厚度均未超出2/3，最大分别为64.29%和35.59%，最小分别为15.74%和14.26%，平均分别为41.06%和26.30%，均能满足应急供水要求。若无突发性事件，可作为后备水源地。

(2)三个应急水源地具有良好的恢复性。停止应急供水，仍维持现有开采量，历经9个月，在年末含水层厚度在桃花、谢埠、尤口分别可恢复 89.82%、82.57%、85.45%。

(3)应急水源地主要依靠疏干含水层达到供水目的，因此要加强防护因地下水位下降产生各种生态环境问题。

［1］南昌市人民政府.南昌市城市总体规划文本(2001年－2020年)［R］.南京:南昌市人民政府，2006:15 － 17，47 － 48.［Nanchang Municipal People＇s Government.Text of Overall Urban Planning of Nanchang City(2001－2020)［R］.Nanjing:Nanchang Municipal People＇s Government，2006:15 －17，47 －48.(in Chinese)］

［2］戴长雷，迟宝明，刘中培.北方城市应急供水水源地研究［J］.水文地质工程地质，2008，35(4):42－46.［DAI C L，CHI B M，LIU Z P.Research on city’s emergency water source field in North China［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2008，35(4):42－46.(in Chinese)］

［3］王世贵.商丘北部地区地下水极限蒸发深度的测定［J］.水文地质工程地质.1985(5):38.［WANG S G.Measurement of the depth of limit to groundwater evaporation in north Shangqiu area［J］.Hydrogeology＆ Engineering Geology， 1985(5):38. (in Chinese)］

［4］刘花台，郭占荣，董华，等.西北地区地下水可利用量及开采潜力分析［J］.水文，2000，20(6):17－20.［LIU H T，GUO Z R，DONG H，et al.Analysis of the permissible utilization volume of groundwater in northwestern area and exploitation potential［J］.Hydrology，2000，20(6):17 －20.(in Chinese)］

［5］刘细元，马振兴，杨永革，等.南昌市地下水特征及其应急水源地分析［J］.资源调查与环境，2006，27(1):33－38.［LIU X Y，MA Z X，YANG Y G，et al.The ground water characteristics and its emergency water source in Nanchang［J］.Resources Survey ＆Environment，2006，27(1):33 － 38. (in Chinese)］

［6］Jaroslav Vrba，Balthazar Verhagen.Groundwater for emergency situations– a methodological guide［M］.Paris:the United Nations Educational，Scientific and Cultural organization(UNESCO)，2011.