烟台大沽夹河地下水水源地评价研究综述

2019-02-13陶志斌于林弘杨宁张生海

山东国土资源 2019年2期

陶志斌，于林弘，杨宁，张生海

(山东省第三地质矿产勘查院，山东烟台 264004)

0 引言

大沽夹河历来被烟台民众誉为“母亲河”，蕴藏着丰富的水资源，是维系大沽夹河流域范围内城镇居民正常生产生活和社会经济发展的“水源命脉”[1]，同时大估夹河流域又是“烟台苹果”、“烟台大樱桃”等烟台特色农副产品的重要产地。烟台大沽夹河地下水水源地分布有烟台市南上坊厂、烟台市西牟水厂、福山区芝阳水厂、烟台市东陌堂水厂等水源地[2]，是烟台市重要的城市供水水源地。

烟台大沽夹河地下水水源地自20世纪60年代底勘查，至今已有60余年，2016年山东省国土资源厅组织对烟台市境内水源地进行调查评价，至今已开展2年，因此现阶段对水源地的情况进行分析，总结存在问题，提出下一步对策和工作建议是十分必要的。

1 水源地概况

1.1 水源地水文地质特征

烟台大沽夹河地下水水源地以第四系冲积—冲洪积砂及砂卵砾石层孔隙为主要蓄水空间[3]，水源地范围南边界为内夹河门楼水库大坝、外夹河道以南，北边界为地下截渗坝[4]，即宫家岛—永福园—盐场—朱甲山一线，两侧以主含水层尖灭线为界，地下水水源地总面积63.3km2[5](图1)。

大沽夹河地下水水源地下游冲洪积平原区北起坝体，南到玉树庄、崇义，长5～7km，宽2～4.5km，第四系厚度一般20～35m，最厚达44.5m，地层呈三元结构，顶部2～7m，岩性为粉细砂、粉土，局部中砂，赋存孔隙潜水；中间相对隔水层岩性为淤泥质砂土和粉土层，厚5～10m；下部承压含水层岩性以砂、砂砾石及卵砾石为主，层底标高-20m～-35m。其单井涌水量均大于1000m3/d[4,6]。

该区地形呈南高北低、东西高中间低的特点。高处为基岩裸露的低山丘陵区，赋存基岩裂隙水和碳酸盐岩溶裂隙水。第四系松散岩类孔隙水除接受大气降水入渗补给外，还有基岩裂隙水的侧向径流补给和河水的渗漏补给[6]。地下水主要由南向北径流，地下水的排泄主要为人工开采，次为蒸发和地下径流[7]。

1—松散岩类孔隙水、单井涌水量1000～3000m3/d；2—松散岩类孔隙水、单井涌水量500～1000m3/d；3—松散岩类孔隙水、单井涌水量<500m3/d；4—碳酸盐岩类岩溶裂隙水、单井涌水量<500m3/d；5—碳酸盐岩类岩溶裂隙水、单井涌水量<1000m3/d；6—基岩裂隙水、单井涌水量<100m3/d；7—以粉细砂、粉土为主的第四系含水层；8—以淤泥质砂土和粉土为主的隔水层；9—砂、砂砾石及卵砾石为主的含水层；10—涌水量(降深) ；11—上升泉；12—下降泉；13—允许开采量-现状开采量(万m3/d )及主要取水层时代；14—防渗坝； 15—地下水水源地范围图1 烟台市大沽夹河地下水水源地水文地质图

由于所处地形地貌、地层岩性、径流条件及离海距离的不同，区内地下水水质呈明显的分带性。自南向北及夹河下游地带由两侧至河床，水化学类型由HCO3—Ca·Mg型水变化为Cl—Na型水，溶解性总固体由<0.5g/L变化为>1.0g/L[8]。

1.2 水源地开采现状

(1)烟台市南上坊水厂：该水源地位于芝罘区只楚镇南上坊以西的外夹河东岸，面积29.6km2。地下水类型属潜水、微承压水，含水层属第四系砂卵砾石孔隙水含水层[8]。共有开采井12个，主要供发电厂生产冷却用水和环境卫生用水。2017年实际开采量4.11万m3/d。

(2)烟台市东陌堂一水厂：该水厂的开采井位于福山区兜余镇东陌堂外夹河东岸，面积15.31km2，主要开采层为下部冲积层的孔隙水。1986年以前开采10m以内的浅层地下水，1986年扩建后，井深20m左右，下部至基岩，主要开采下部深层承压水，由烟台市自来水公司进行开采，共有开采井17个，用于烟台市居民生活用水和部分工业用水。2017年实际开采量2.46万m3/d。

(3)烟台市西牟五水厂：西牟五水厂位于芝罘区只楚镇西牟村西，外夹河东岸河流冲积平原上，面积5.0km2。地下水类型属第四系冲洪积层潜水—微承压水。共有开采井11个，用于芝罘区的生活用水以及部分工业用水。近几年开采量较少，2017年实际开采量2.33万m3/d。

(4)福山区芝阳水厂：芝阳水厂位于福山区芝阳村南约1km的内夹河东岸，面积5.35km2。地下水类型属潜水、微承压水，含水层类型为第四系砂砾孔隙含水层。共有开采井13个，主要用于供给福山区城市居民生活用水。2017年实际开采量1.64万m3/d。

(5)烟台市合成革水厂：该水源地位于福山区门楼镇大屋村北内夹河沿岸，面积25.0km2。地下水类型属潜水、微承压水，含水层类型为第四系砂砾石孔隙含水层。共有开采井15个，主要用于合成革总厂生产和生活用水，2017年实际开采量4.66万m3/d(图2)。

2 地下水动态特征

2.1 开采动态特征

烟台市大沽夹河水源地的主要地下水供水水源地分布在河流两岸的地下水排泄区，开采地下水类型为第四系松散岩类孔隙水，目前主要有5个水源地集中开采[4](表1)。

2.2 地下水水位动态特征

地下水补给来源主要为大气降水，主要排泄方式为人工开采。人工开采具有以下特征：一是城市供水开采的长期性与连续性，二是季节性农灌开采与强烈的蒸发同步性[9]，表现在水位时空变化上具有如下特征：

1—地下水水位动态曲线图；2—地下水水位动态趋势线；3—降水量柱状图；4—平均降水量；5—开采量柱状图；6—降水量均值离差曲线图2 合成革水厂1987—2017年孔隙潜水地下水动态曲线图

水源地名称位置控制面积(km2)所属单元允许开采量(万m3/a)年份降水量(mm)开采量(万m3/a)年均水位(m)水位埋深(m)烟台市南上坊厂29.6大沽夹河流域构造盆地及丘陵谷地水文地质地段1143.911989353.2322-9.6716.142011824.2700.8-8.7615.232012764.893.44-8.4514.922013799.4350-8.3514.822014573528-10.617.072015623.6680-12.4618.932016508.11500-11.7518.222017609.21500-13.3619.83烟台市东陌堂一水厂15..31大沽夹河流域构造盆地及丘陵谷地水文地质地段14601989353.28986.3217.522011925.3313.911.2512.592012663.480010.5613.282013813.991010.413.442014569.21.49.3314.512015623.6400.949.7514.092016547.4694.349.7014.142017615.890012.0611.78烟台市西牟五水厂5大沽夹河流域构造盆地及丘陵谷地水文地质地段10951989353.2551-5.8213.292011824.2233.02-2.129.592012764.8350-1.719.182013799.4420-1.749.212014573420-2.139.62015623.6430-3.2710.742016508.1850-3.2810.752017609.2850-7.7115.18福山区芝阳水厂5.35大沽夹河流域构造盆地及丘陵谷地水文地质地段813.951989336.8900-7.1214.692011925.3430.7-0.087.652012663.44002.285.292013813.95200.397.182014569.2343.8-2.8510.422015498.7500-9.6117.182016547.4650-9.5417.112017609.2650-12.6520.22烟台市合成革水厂25大沽夹河流域构造盆地及丘陵谷地水文地质地段1262.91989336.87945.668.642011925.31051.26.278.032012663.4120.966.427.882013813.9315.366.198.112014569.2180.96.148.162015498.7877.206.657.652016547.415006.377.932017609.217002.6511.65

(1)降水入渗补给量约占地下水资源量的90%以上，因而地下水资源量主要随着降水量的变化而变化。在一个水文年中，自然状态下，地下水位因季节性变化明显，7—10月份为丰水期，地下水位回升，之后随降水减少及径流和蒸发排泄，水位缓慢下降；11月至翌年2月，蒸发量减少，地下水位持平后缓慢回升；3—6月干旱少雨，蒸发量增大伴随春灌用水，地下水位急剧下降呈低谷。

(2)年际间随降水量相差悬殊，地下水位表现为连枯年份持续下降，遇丰水年或平水年迅速回升。在自然状态下，最低与最高水位在一年内出现，而在开采状态下，最高水位往往出现于翌年初。

(3)人为连续的和季节性的开采加大了地下水变幅，甚至改变其起伏趋势。年度内1—3月开采量小，水位一般较高且变化平缓；4月前后由于春灌开采量逐渐变大，水位再次下降；至汛期时，随降水量增大，水位迅速回升；随后进入秋灌季节，水位再次下降，变化平缓到年末与翌年相连。

(4)地表径流与地下水位变化关系也很密切，地表水位的高低、径流持续时间长短、距河床远近等都有影响[10]。

如合成革水厂是烟台市万华企业用水，自1987年开始监测，该水源地水位相对稳定，但受气象因素影响也曾出现两次大的波动，1999—2000年，受历史罕见旱灾的影响，水位由1999年7月的7.54m降至2000年8月份的-3.04m，降幅达10.58m。2001—2008年，地下水水位大幅度上升，之后水位基本稳定，2016年在降水较少的情况下，增大了开采量，水位出现大幅下降，之后丰水期又有所回升。2017年降水增加，水位恢复，在雨季之后，降水减少，水位又开始下降。因此该水源地受降水影响较大。

2.3 地下水水质动态特征

3 地下水水源地评价

3.1 计算允许开采量

该次运用补偿疏干法[12]确定区内地下水资源允许开采量[13-14]复核，通过计算成果与以往搜集资料的允许开采量进行对比分析，为使开采量可以得到保证，选取计算成果中较小的数值作为该地段的地下水允许开采量，具体计算如下：

通过旱季开采求的单位存储量uF，由于旱季没有任何补给来源，完全靠疏干存储量来维持抽水。由于含水层范围有限，抽水时的降落漏斗极易扩展到边界，所以抽水时的均衡式[15]为：

式中：uF—单位存储量；Q旱—旱季开采量(m3/d)；t0—旱季水位开始平稳下降的时间(d)；t1—旱季末时刻(d)；S0—旱季水位开始平稳下降时对应水位(m)；S1—旱季末时对应水位(m)。

根据含水层厚度[16]和取水设备的能力，给出最大允许下降至Smax，查明整个旱季的时间t旱，则可计算最大开采量(Q开)。

烟台市在历经2013—2016年4个枯水年后，2017年枯水期水位降至低值，2016—2017年内夹河、外夹河基本干涸，缺少了河流的渗漏补给，加之无有效降水补给地下水，因此以2017年旱年水位动态监测[17]资料，选取该次计算的t0,t1,S0,S1，Q旱为水源地实际开采量，计算大沽夹河地下水水源地的uF值，再根据含水层厚度为限制条件(表3,图4,图5)，得出Smax，旱季时间选取除了4个月的雨季外的所有时间，最终计算保证整个旱季可持续开采的最大开采量(表4)。

表2 烟台市供水水源地地下水水质多年分析结果

图3 南上坊水厂孔隙潜水地下水质动态曲线图

位置监测点t0(年/月/日)t1(年/月/日)Δt(d)Q旱(万m3/d)S0(m)S1(m)ΔS(m)uF(m3/m)外夹河上游东陌堂水厂2017/2/112017/3/26432.471.93.111.2187.78外夹河下游南上坊-西牟水厂2017/2/12017/7/211702.32-7.34-11.093.75105.17内夹河上游合成革水厂2017/2/162017/6/161202.52.951.851.1272.73内夹河下游芝阳水厂2017/1/12017/6/11511.78-11.2-164.856.00

1—芝阳水厂地下水水位动态曲线；2—合成革水厂地下水水位动态曲线；3—降水量柱状；4—芝阳水厂开采量柱状；5—合成革水厂开采量柱状图4 芝阳、合成革水厂2017年水位动态监测曲线

1—东陌堂水厂地下水水位动态曲线；2—西牟水厂地下水水位动态曲线；3—降水量柱状；4—东陌堂水厂开采量柱状；5—西牟水厂开采量柱状图5 东陌堂、西牟水厂水厂2017年水位动态监测曲线

位置监测点uF(m3/m)含水层厚度(m)Smax(m)t旱(d)Q开(万m3/d)外夹河上游东陌堂水厂87.782072432.53外夹河下游南上坊-西牟水厂105.172172433.03内夹河上游合成革水厂272.731552435.61内夹河下游芝阳水厂56.0020102432.30

3.2 计算雨季补给量

计算雨季补给量，地下水雨季补给量除保证雨季开采外，多余部分补偿旱季借用的储存量，引起水位回升。根据开采量，求出回升速率ΔH/Δt，再根据雨季时间，计算出雨季补给量。

外夹河流域2017年7月降水量200mm，8月降水量达245mm，2个月降水量占全年降水量的73%，经过7—8月的降水集中补给后，地下水水位迅速回升，已完全补充枯水期消耗的储存量。如东陌堂水厂2017年8月6日，水位回升至6.25m，比水位开始下降前的初始水位4.30m，升高了1.95m；内夹河流域2017年7月降水208mm，8月降水量为233mm，2个月降水量为全年降水量的71.77%。经过7—8月的降水，水位回升至水位下降之前，完全补充枯水期消耗量。如芝阳水厂2017年9月21日，水位回升至-9.60m，比水位开始下降前的初始水位埋深-11.20m，升高了1.60m。这也说明了松散岩类孔隙含水层的调蓄功能[18]和强渗透性能，以及迅速的补给、恢复能力。因此选取雨季补给期为122天，计算出雨季补给量(表5)。

3.3 评价可开采量

根据表6计算结果，确定地下水可开采量。若Q补≥Q开，则选取Q开为允许开采量；若Q补≤Q开，则选取Q补为允许开采量。

表5 补给量计算参数及计算结果

表6 评价可开采量及结果(万m3/d)

由计算结果，可以看出东陌堂水厂、芝阳水厂、合成革水厂仍具有开采潜力，南上坊-西牟水厂目前处于超采状态。其主要原因是烟台市政府对大沽夹河供水水源地的管理、涵养保护工作非常重视[19]，各级主管部门加强了有关水政法律法规的执行力度和对水资源的监管力度，地下水开采量明显减少，修建各种水利设施，大力提倡利用地表水、海水及中水，有效地遏制了超量开采地下水[20]，使地下水资源得到一定程度地补给。