上海市大浦东地区地下水资源开发利用现状及潜力评价

朱晓强

(国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海市地质调查研究院，上海 200072)

上海市大浦东地区地处东部滨海平原区(涉及浦东新区、奉贤区、金山区、杨浦区等8个行政区)，范围为30°40＇N～31°20＇N，121°15＇E～122°00＇E。区内第四纪地质条件复杂，分布有多个含水层且赋存有丰富的地下水资源。然而，历史上不合理开采地下水资源引发了较为严重的地面沉降现象，使得该地区资源环境所面临的形势日趋严峻[1- 2]。当前，新一轮上海城市总体规划提出了创建“全球城市”的宏伟目标，对地质工作提出了更高的要求。新形势下，为了更好地服务于城市转型与发展，特别是服务于上海未来发展的主战场大浦东地区的地质环境保护和生态文明建设，有必要进一步了解并掌握大浦东地区地下水资源开发利用现状和潜力状况。

1 区域水文地质条件概况

据以往水文地质勘查资料[3- 4]及本次勘查资料，大浦东地区松散土层厚度约为160～360m，广泛发育潜水含水层、第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ承压含水层，不同含水层空间分布、埋藏条件、富水性、水质等特征各异。

(1)潜水含水层为全新世中晚期(Qh2- 3)滨海相沉积，埋藏浅，以单一粘性土的“单一介质区”及“上粘下砂”的“二元结构区”等两种岩性结构类型于全区广泛发育，且前者渗透性、富水性较后者相对较差。受岩性影响，潜水含水层富水性、渗透性总体较差，水质也易受外界环境影响，因此不具备集中开采条件。

2 地下水资源开发利用现状

大浦东地区地下水资源集中开发利用始于20世纪60年代初，受城市发展阶段背景的影响，特别是城市、乡镇自来水生产能力以及产业布局等方面的影响，地下水开采井主要分布于人口相对密集、经济相对发达和工业发展较成熟的地区，主要用于满足日常生活饮用，纺织、冶炼和发电等行业车间温度调控等[6]。总体来说，大浦东地区地下水主采层为第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ承压含水层，各含水层不同时期地下水开采特点各异，如图1所示。

2.1 第Ⅱ承压含水层

该含水层自1961年开展地下水集中开发利用。1966年之前年度开采量大于4000×104m3；1966—1997年间，年度地下水开采量回落并基本稳定在1000×104m3左右，随后逐年减少，至2009年基本停采，累计开采量达19667×104m3。

2.2 第Ⅲ承压含水层

该含水层自1961年开展地下水集中开发利用。1966年之前年度开采量大于2000×104m3，1967—1997年间，年度地下水开采量基本稳定在(1500～2000)×104m3(除1974—1977年度开采量小于800×104m3外)，随后逐年降低，至2010年基本停采，累计开采量44518×104m3。

2.3 第Ⅳ承压含水层

该含水层自1963年开展地下水集中开发利用，至今仍有少量开采，累计开采量134812×104m3。其中，1974年之前年度开采量小于4000×104m3，随后逐年增大，至1996年达到峰值，约9000×104m3；21世纪以来，随着采灌格局的不断优化，年度开采量大幅缩减，2018年仅约为25×104m3左右。

2.4 第Ⅴ承压含水层

该含水层自1969年开展地下水集中开发利用，至今仍有少量开采，累计开采量14456×104m3。其中，1961—1973年间，年度开采量逐年增加，至1973年达到800×104m3左右；随后1974年年度开采量锐减至200×104m3，经过6年小幅波动上扬，1981年激增至1200×104m3左右，并持续保持开采量高位运行；直至21世纪以来，年度开采量不断压减，近几年基本稳定在400×104m3左右，2018年度开采量约为27×104m3。

3 地下水资源开采潜力评价

3.1 评价方法[7]

地下水开采潜力系数可由以下公式计算：

(1)

式中，α—地下水开采潜力系数；Q开资—开采层的可开采资源量；Q开采—开采层的已开采量。

地下水开采潜力系数分级为：α<1，无地下水

图1 1961—2018年上海市大浦东地区第Ⅱ—Ⅴ承压含水层年度开采量历时变化图

潜力区；1≤α<1.2，地下水潜力一般区；1.2≤α<1.4，地下水潜力较大区；α≥1.4，地下水潜力大区。

3.2 可开采资源量计算

本次地下水可开采资源量的估算是以地下水赋存条件、地下水开发利用现状、地下水位状况以及地面沉降阶段控沉目标为前提，依据开采量、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三维非稳定流地下水运动——一维地面沉降非线性耦合数学模型，进行优化反演分析确定[8- 9]。

取2017年末地下水位和地面沉降量为初始条件，以现有采灌格局为基础，至2020年年均沉降量不大于5mm作为控制约束条件，并利用1961—2017年实际地下水位及地面沉降观测资料进行了校正和检验，通过对模型的本构关系、计算方法、模型参数及边界条件进行分析，确保该数学模型合理可信后，用于地下水可开采量计算。经模型计算，可得大浦东地区第Ⅱ—Ⅴ承压含水层2018年可开采资源量，见表1。

将该可开采量代入预测模型，由此所得的各含水层地下水位与地面沉降速率预测图与“十三五”地面沉降控制目标对比发现，该可开采量方案是合理可行的。

表1 大浦东地区2018年度第Ⅱ—Ⅴ承压含水层可开采资源量一览表

3.3 潜力评价

通过统计分析大浦东地区地下水开采数据可以看出，在全市采灌格局的不断优化调整的背景下，目前大浦东地区各承压含水层地下水开采程度总体偏低，开采潜力大，见表2。

4 地下水资源有效利用方向

为切实贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念，持之以恒地推进生态文明建设，当前及未来一段时期内，大浦东地区乃至全市地下水资源开发利用的主要方向也将随之发生变化，集中体现在以下几个方面[10]。

表2 大浦东地区2018年度第Ⅱ—Ⅴ承压含水层地下水开采潜力评价一览表

4.1 特殊行业用水

大浦东地区赋存着优质的地下水资源，为一些特殊行业的发展提供了良好的天然条件。如食品生产、矿泉水开发(如浦东新区的三得利啤酒厂、雀巢饮用水公司等)、锅炉用水(如杨树浦发电厂等)、特殊养殖(人工繁殖中华鲟等)。此外，在节能环保方面也有应用，如浦东新区上海鲜花港建立储能热泵，利用地下水恒温的特性为鲜花的培育生长提供适宜的温度。

4.2 应急备用供水

近年来，各地频发的地表水体污染事件造成极大社会影响，凸显了城市安全供水的重要性。上海市作为以过境地表水为主要水源的国际性大都市，处理好应急供水问题尤为迫切[11]。

大浦东地区在考虑应急供水水源地圈定时，除结合区内水文地质条件外，还重点考虑区内常驻人口在应急状态下的用水需求，以及已建成或即将规划建设的大型商圈、科技园、旅游度假主题乐园等(如张江高科园区、陆家嘴金融区、上海迪士尼乐园等)投入运营后，将有大量流动人口涌入，应急供水水源也应满足规划流动人口的用水需求。参照国内外以往应急供水经验，并结合上海地区具体情况(应急状态下重点考虑基本饮用水需求)，按单井日开采地下水2000m3，人均应急供水量30～50L/d日计算，单井供水人口预计约4～6万人。

按上述原则，大浦东地区建议规划应急供水水源地为16个，见表3。目前区内已建应急备用井总数约为19口，远远不能满足该地区应急供水的需要。因此，区内仍需规划建设应急备用井142口(涉及目的含水层主要为第Ⅱ、Ⅳ承压含水层)，建成后可基本满足大浦东主要地区人口生产、生活的应急供水需要。

表3 大浦东地区应急供水水源地规划建设建议一览表

注：应急供水量由各规划建议应急水源地范围、受水人口及人均日应急需水量综合估算所得。

4.3 海域地下水开发

陆地资源的开发利用日趋极限，寻求和解决人类社会生产生存发展的问题可寄希望于海洋。大浦东地区紧邻的东部海域为古长江三角洲的发育地区，该区赋存着丰富且优质的地下水资源，一定程度上为大浦东地区未来经济社会的可持续发展提供了必要的保障。

5 结语

本文坚持以满足国家与地方经济建设需求及破解重大问题为导向，通过分析研究大浦东地区地下水资源开发利用现状及其潜力状况，率先在全国范围内探索了新时期平原区1∶5万水文地质调查工作相关成果转化应用新途径，为地质调查成果主动服务于城市规划建设提供了新思路。