许昌市麦岭应急备用水源地开发利用及存在的问题

姜宝良， 李腾超， 梁丽丽， 余晨， 张石磊

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 2.许昌瑞贝卡水业有限公司,河南 许昌 461000)



许昌市麦岭应急备用水源地开发利用及存在的问题

姜宝良1， 李腾超1， 梁丽丽2， 余晨1， 张石磊1

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 2.许昌瑞贝卡水业有限公司,河南 许昌 461000)

麦岭水源地是许昌市城市供水应急备用水源地，曾在2014年出现严重干旱时重新被启用。在分析麦岭水源地的含水层埋藏情况、浅层和深层地下水富水性以及补给、径流和排泄等水文地质条件的基础上，详细阐述了水源地地下水开发利用现状，并对麦岭水源地生产井的布局、生活污水及化肥、农药对水源地水质的污染影响及应急供水等问题进行了深入探讨，提出了优化开采井布局、建立地表水和地下水动态监测网络、建立地下水资源管理模型、对水源地合理开发利用及保护等的若干建议。

应急备用水源地;地下水;富水性;开发利用

许昌市位于河南省中部，其城市地下水集中供水水源地位于襄城县的麦岭镇，距离市区约40 km，为大型地下水水源地，开采的是深层地下水，设计最大供水能力达14万m3/d，目前最大供水能力为10万m3/d。按照许昌市总体规划，未来许昌市供水以南水北调水源为主，麦岭水源地为应急备用水源。本文分析了水源地的水文地质条件与水源地开发利用现状，指出了水源地在开发利用中存在的问题，并给出了若干合理开发及保护建议。

1　麦岭水源地水文地质概况

水源地位于许昌市襄城县东麦岭镇一带，地貌单元属于北汝河冲积平原的中、上部。水源地地下水的形成、赋存和分布规律以地层岩性为基础，地质构造起控制作用，气候和地貌是地下水形成和富集的重要自然背景。

麦岭水源地第四系孔隙含水层的形成和分布受北向西的茨沟—姜庄凹陷和襄城大断裂等构造的控制，负向地貌条件是局部富水带形成的背景条件。由于构造背景、古地理、古气候环境以及新构造运动的差异，形成麦岭水源地(埋藏性冲洪积扇)独特的水文地质条件。

根据麦岭水源地含水层的埋藏条件、水力特征、地层时代、成因及地下水开发利用现状，将水源地第四系孔隙含水岩组分为浅层和深层[1]。浅层和深层含水层之间以中更新统顶部的棕黄色粉质黏土弱透水层为界。麦岭水源地中更新统埋藏型冲洪积卵砾石层颗粒粗、厚度大、导水性好、富水性强，是城市理想的集中供水水源；上更新统和全新统冲洪积层是农田灌溉和农村生活用水水源。

1.1地下水富水性及分布

1.1.1浅层地下水

浅层地下水是赋存于第四系上更新统和全新统含水层中的地下水，属潜水或承压—半承压水。在麦岭镇南北一线以西，浅层含水层底板埋深15～25 m，标高55～65 m；在麦岭镇以东浅层含水层底板埋深25～45 m，标高35～55 m[2]。在北部茨沟—扁担李—大袁一带，含水层主要是北汝河冲积形成的全新统冲积物；在南部洪庄杨—横梁渡—麦岭—李悦庄和东坡方一带，以沙河冲积、冲洪积形成的上更新统洪积物为主。浅层地下水分布不均，在汝河、沙河两主流带内，富水性强，而北汝河以西、首山以东双张、杨树孙、铁刘一带的山前冲积平原区及坡周、营陈一带的北汝河漫滩区和蒋湾、屈庄一带沙河漫滩区，没有含水砂层，富水性差。百岭岗一带由于地势比较高，浅层水被疏干。

按单井5 m降深的涌水量将水源地浅层地下水划分为4个富水等级，即富水区(涌水量大于1 000 m3/d)、中等富水区(涌水量500～1 000 m3/d)、弱富水区(涌水量100～500 m3/d)、贫水区(涌水量小于100 m3/d)。具体分布如图1所示。

图1　麦岭水源地浅层地下水富水性分区图

1.1.2深层地下水

第四系中更新统卵砾石层构成深层含水层，大部分区域含水层顶板埋深30～50 m，底板埋深70～150 m，而汝河以西顶板埋深仅20 m左右，底板埋深35～55 m。中更新统卵砾石层为北汝河冲、洪积扇堆积物，扇轴部位于横梁渡、麦岭至姜庄一线，扇顶主要位于胡岗至盛岗之间。从扇顶到前缘，沉积颗粒由粗到细，由单层结构到多层结构；从轴部向两翼，卵砾石层由厚到薄，颗粒由粗到细，直至尖灭，沉积规律明显，富水性由大到小。在垂向上有粗、细交替的沉积规律[3]。

按直径300 mm、降深5 m的单井涌水量，将深层地下水划分为5个富水等级：极强富水区(涌水量大于4 000 m3/d)、强富水区(涌水量2 000～4 000 m3/d)、富水区(涌水量1 000～2 000 m3/d)、中等富水区(涌水量500～1 000 m3/d)、弱富水区(涌水量小于500 m3/d)。其分布如图2所示。

图2　麦岭水源地深层地下水富水性分区图

1.2地下水的补给、径流、排泄条件

地下水的补给、径流、排泄主要受地形、地貌和水文、气象、开采等因素的综合影响与控制。

1.2.1浅层地下水

浅层地下水的补给来源主要有大气降水入渗补给、河渠地表水渗漏补给、深层水的越流补给、农田灌溉水回渗补给和地下水侧向径流补给等。

浅层地下水的径流受地形和开采的控制，在自然状态下，地下水流向与地形坡向基本一致，自西、西北向东、东南方向径流。在麦岭水源地开采区，受开采影响地下水形成降落漏斗，改变了浅层地下水的天然流场，浅层地下水由漏斗外围向漏斗中心径流。

浅层地下水的排泄途径主要有以下几种。

1)开采排泄：农田灌溉和农村人畜生活用水均开采浅层地下水，是浅层地下水的主要排泄方式。

2)越流排泄：浅层水向深层越流是主要排泄方式。浅层含水层与深层含水层之间有一层厚2～12 m的含姜石粉质黏土层相隔，局部小于2 m或大于15 m，粉质黏土裂隙发育，造成深、浅层地下水水力联系密切。在北汝河以西地区，深、浅层地下水水位基本一致，浅层水无越流现象。而在水源地一带，由于麦岭水厂开采深层水，使深层水位明显低于浅层水位，浅层水越流补给深层水，并形成水位降落漏斗。

3)蒸发排泄：区内东部和胡岗以西部分地区浅层地下水水位埋深2～4 m，小于潜水的极限蒸发深度，潜水蒸发作用强烈，潜水蒸发是浅层水的重要排泄方式。

4)径流排泄：东部边界浅层水水位高于区外，浅层水以地下侧向径流方式向区外排泄。

1.2.2深层地下水

深层含水层与浅层含水层之间有含姜石粉质黏土弱透水层，二者存在水力联系，所以深层地下水除上游径流补给外，浅层水的越流是其主要补给来源。

深层水的径流受地形和人为因素控制，其流向与地形倾向基本一致，总的径流方向是自西北向东南。冲、洪积扇的上游，含水层颗粒粗，透水性好，径流条件也好；冲、洪积扇的下游(麦岭以东)含水层颗粒细，并呈多层结构，径流条件稍差。水源地(后纪一带)附近，由于人为开采，形成水位降落漏斗，地下水的径流受漏斗控制。

麦岭水源地的开采是深层地下水的主要排泄方式，其次，由于麦岭以东深层水位高于浅层水位，深层水通过顶托越流向浅层水排泄，此外，在评价区东部，少量深层地下水以侧向径流方式排泄到区外[4]。

2　麦岭水源地开发利用现状

2.1浅层地下水

麦岭水源地是农业生产区，工业不甚发达。浅层地下水主要用于农田灌溉，其次是人畜生活用水，少量用于乡镇工业生产。在评价区228 km2范围内，耕地面积13 380 hm2，占总面积的58.7%，其中井灌面积9 389 hm2，占耕地面积的70.2%；河渠灌溉面积434 hm2，占耕地面积的3.2%。现有机井3 507眼，水利化程度已达73.4%。具体情况见表1。

表1　麦岭水源地各乡镇基本情况统计表(2011年统计资料)

2014年河南遭遇63年来罕见夏旱，水源地6—8月3个月降水量仅106.7 mm，基本没有有效降水，不足多年平均降水量367.8 mm的30%，水源地农业灌溉用水量激增，为保证秋粮丰收，仅7—8月2个月平均灌溉4次，每次每亩用水量约60 m3，水源地在7—8月因灌溉而开采浅层地下水水量平均达563 344 m3/d。

2.2深层地下水

麦岭水源地开采深层地下水，原有生产井13眼(图2中1—12号开采井)，2001年水源地勘探完成后又新增开采井33眼，开采井总数达46眼，目前水源地仅留用20眼开采井(图2)。麦岭水厂1992年10—11月试运行，1993年2月正式向许昌市供水，最多开采19眼(2013年10月—2014年11月)，最少1眼，最大日开采量达10.56万m3，最小日开采量1万m3左右，除维护检修设备短时间停采外，均连续开采，多年平均开采量2.88万m3/d。由于干旱，河水断流，许昌市地表水厂无水可用，从2013年10月至2014年11月，全部启用麦岭应急备用水源地进行供水，平均开采量达80 454 m3/d。

麦岭水源地逐年平均日开采量见表2。麦岭水源地历年逐月平均开采动态曲线如图3所示。

图3　麦岭水源地历年逐月平均开采量动态曲线

年份开采量/(万m3/d)年份开采量/(万m3/d)19931．5720052．2719942．5620062．2619952．0620071．3019962．5720081．7019973．0120092．2319983．6420101．6019994．1720112．6620003．9920122．5120012．9620133．4820023．1320147．5920032．9420150．8920042．80

2012、2013、2014年麦岭水源地的降水量分别为500.5、574.4、572.8 mm，保证率分别为90%、82%、84%，为连续干旱的极枯水年份。2013年9月至2014年8月一个水文年的降水量仅345.7 mm，比最小年降水量397.4 mm(1966年)还少51.7 mm，为严重干旱的一个水文年。

许昌市的严重干旱造成其境内的河水全部断流，全市23.2万人出现临时饮水困难，呈现最严重的水文干旱。北汝河流量不足，大陈水库几近枯竭，以大陈库区地表水为水源的周庄水厂于2013年10月15日起被迫停运，市区供水进入麦岭地下水单一水源供水模式。由于麦岭大型水源地地下水持续大量开采(单日供水量平均在8万m3以上，2014年7月中旬以后麦岭水源地开采量维持在10万m3/d以上，其中，7月21日开采量达到10.56万m3/d，创造了麦岭水源地单日开采的最高纪录，几乎达到麦岭水源地水文地质勘察评价的深层地下水的允许开采量，也达到麦岭水厂目前供水极限)，开采井动水位埋深明显下降(从一般的8～9 m降到25～30 m)，单井出水量明显降低(从280 m3/h降到200 m3/h)，水源保障能力已显不足。同时，浅层地下水位下降也较大，水源地内深30 m左右的农用井均抽不出水，人畜生活及农业灌溉用水也受到严重影响。

2014年9月初大陈库区上游来水，因其水中的水蚤多而无法处理，周庄水厂仍无法供水，直到12月底南水北调来水后才恢复供水,麦岭水源地又进入备用模式，开采量在1万m3/d左右。

3　麦岭水源地开发利用中存在的主要问题

3.1开采井布局不合理

目前在用的19眼生产井主要分布在水源地水文地质条件较差的西部，而水文地质条件较好的麦岭周围的生产井没有启用。

根据麦岭水源地的水文地质条件，麦岭水源地西部(以麦岭南北一线为界)，深层含水层厚度较小，埋藏较浅，所用开采井多是20世纪80年代的勘探井，年久失修，再加上浅层含水层的颗粒细、厚度小、埋藏浅、富水性差，与农村争水矛盾突出，目前开采井绝大多数分布于水源地西部；而麦岭镇周围的深层含水层厚度大、埋藏较深、富水性好，开采井是2000年所凿的开采井或探采结合井，且浅层含水层富水性较好、埋深较大，其水源地开采井抽水对浅层水的影响较小，避免了与农业争水而产生矛盾，但麦岭周围的生产井没有启用。这样，造成整体开采井布局不合理。

3.2弃用的生产井没有得到有效保护和管理

水源地共有生产井46眼，在用的19眼，其余不用的27眼生产井没有进行有效的防护和管理，有的已被破坏，极易对水源地开采的深层地下水造成污染。2014年9月的取样化验结果表明，水质已被污染，其地下水质量为较差级。

3.3农用井打穿含水层顶板污染地下水

麦岭水源地生产井附近新施工了许多机民井，特别是2014年新打的应急抗旱农灌机井，基本揭穿深层含水层顶板，在成井时对上部潜水含水层未进行有效的隔离，或干脆没有进行隔离止水，施工质量低劣，结果造成上部潜水和下部承压水串通，使易受污染的潜水通过井筒下渗补给深层承压水而造成污染，是水源地最大的潜在污染隐患之一[5]。

3.4农药、化肥对水源地的污染

麦岭水源地范围内为农业生产区，农业生产过程中大量使用化肥、农药，已对浅层地下水水质造成不良影响，若不进行预防，也会对水源地开采目的层(深层地下水)产生不利影响[6]。

3.5水源地的监测制度不完善

没有进行地下水的长期监测工作，包括浅层和深层地下水的水位、水质、水量的长期监测。在水源地勘察期间施工的勘探孔或观测孔，多数已被破坏或填埋，为地下水位观测和有关研究带来极大不便。

4　麦岭水源地保护建议

1)建立地表水和地下水动态监测网，对区内地表水和地下水(包括浅层和深层)的水位、开采量、水质进行长期观测，及时了解地表水、地下水水量和水质的变化，掌握其变化规律，以便制订相应的水资源利用和管理措施[7-8]。

2)加强对地表水和地下水的保护工作，建立保护区，制定切实可行的保护措施。建议利用农村饮用水工程资金，解决水源地居民吃水问题，避免农村人畜用水与城市供水发生争水矛盾；同时杜绝水源地无序凿井而造成的水质污染现象，保障城市供水安全[9]。

3)优化开采井布局，建议水源地开采使用麦岭周围的生产井，并加强其输水管道和抽水设施的维护，保证其正常运行，以便在应急供水条件下发挥作用。

4)建立麦岭水源地地下水资源管理模型，提高地下水管理的信息化、自动化水平，开发好、利用好、保护好、管理好许昌市这一宝贵的战略资源，为许昌人民造福[10]。

[1]中国地质调查局.水文地质手册[M].2版.北京：地质出版社，2012：15-16．

[2]华北水利水电大学，许昌市住房与城乡建设局．许昌市麦岭水源地应急供水研究[R].郑州:华北水利水电大学，2015：20-21.

[3]姜宝良，张怀军．埋藏型冲洪积扇区供水水文地质勘察研究[M]．北京：中国大地出版社，2003：33-34.

[4]姜宝良，于福荣．严重干旱大型水源地地下水资源评价及应急供水研究[M]．北京：地质出版社，2015：30．

[5]韩鹏.生态文明视阈中河南省生态补偿问题与对策研究[J].华北水利水电大学学报(社会科学版)，2015，31(4)：106-108.

[6]刘增进，胡伟利.河南省农业水资源污染与防治研究[J].华北水利水电大学学报(自然科学版)，2014，35(2):11-14．

[7]林学钰，廖资生．地下水管理[M]．北京：地质出版社，1995：66-67．

[8]张明泉，曾正中．水资源评价[M]．兰州：兰州大学出版社，1994：79-81．

[9]尹承怀，倪深海．地下水资源管理[M]．北京：中国水利电力出版社，2001：56-57．

[10]姜宝良．地表水与地下水联合优化管理调度研究：以河南省许昌市为例[M]．北京：中国大地出版社，2003：111．

(责任编辑：乔翠平)

The Exploitation and Utilization of Mailing Emergency Water Source in Xuchang and the Existing Problems

JIANG Baoliang1, LI Tengchao1, LIANG Lili2, YU Chen1, ZHANG Shilei1

(1. North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;2. Xuchang Rebecca Water Industry Co., Ltd., Xuchang 461000, China)

Mailing water source is an emergency water source for the urban water supply, and it was put into use again when the severe drought happened in 2014. Based on the analysis of burial condition of the aquifer, water yield properties of shallow and deep groundwater as well as recharge, runoff, discharge conditions of the groundwater in Mailing water source, this paper expounded the status of groundwater exploitation and utilization, and deeply discussed these problems including the layout of production wells, the effects of domestic sewage, fertilizers, pesticide pollution on the water quality, and emergency water supply. Then it put forward some suggestions such as optimizing the layout of production wells, setting up dynamic monitoring networks of the surface water and groundwater, establishing the management model of groundwater resources, rationally exploiting and protecting the water source.

emergency water source; groundwater; water yield property; exploitation and utilization

2016-03-22

国家自然科学基金项目(41372260)。

姜宝良(1962—),男,河南宜阳人,教授,硕导,主要从事水文地质、工程地质、环境地质等方面的研究。E-mail：1801521595@qq.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.05.010

TV213.4

A

1002-5634(2016)05-0058-05