郑州市应急水源地选址及其地下水资源量评价

朱 卉

（河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，郑州 450001）

1 水资源开发利用现状

郑州市是地表水和地下水联合供水的城市，地表水主要以黄河及南水北调水作为供水水源。引黄水源地有邙山提灌站、花园口提灌站；郑州市中心城区（除高新区）城市供水水源长期以黄河干流地表水为主（滩区地下水为傍河取水，占用黄河干流水指标），2014年年底南水北调中线工程通水后，柿园水厂、白庙水厂等水厂逐步使用南水北调水替换原水源，目前南水北调水已成为柿园水厂、白庙水厂、东周水厂主要水源，刘湾水厂的水源全部取用的是南水北调水，郑州全市承接南水北调水厂11座，现状总供水能力108.7万m3/d，规划总供水能力190.5 万m3/d；地下水水源地有市区井水厂、北郊水源地和“九五滩”水源地；人工水库蓄水有尖岗水库、常庄水库和西流湖。

据统计，2015年郑州市各种供水工程供水总量16.732 亿m3，其中，地表水供水总量7.557 亿m3，占总供水量的45%；地下水供水量为8.381亿m3，占总供水量的50%；其它水源供水量为0.795亿m3，占总供水量的5%[1]。

2 供水水文地质条件与地下水资源现状

2.1 供水水文地质条件

在区内北西及东西向两组正断层作用下，由西南往东北方向，第四系地层沉积厚度逐渐增大，特别是老鸦陈断裂东侧的黄河冲积平原区，长期处于快速沉降状态，堆积了巨厚的松散堆积物，所以本区地下水类型均为松散岩类孔隙水。

评价区北部黄河沿岸接受黄河侧渗补给和大气降水入渗补给，水资源十分丰富，单井涌水量3000～5000 m3/d，为强富水区；其余大部分地区单井涌水量1000～3000 m3/d，渗透系数10～35 m/d，为富水区；在西南部石佛—瓦岗寺—十八里河一带，由泥质粉砂及粘性土组成孔隙裂隙水和粘土裂隙孔隙水，单井涌水量100～500 m3/d，为中等富水，此外，郑州市柳林乡、中牟县大孟乡等地亦有零星中等富水区分布。

全区浅层水的水化学类型主要有以下几种，即HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Mg、HCO3·Cl-Ca·Mg、HCO3-Ca、HCO3-Ca·Na、HCO3-Ca·Na·Mg（Ca·Na·Mg、Mg·Na·Ca）型等。总体上，评价区浅层地下水水质市区较差，郊区较好。郑州城区和中牟县城，超标因子4～6项，包含有氯化物、硝酸盐、亚硝酸盐等毒理性因子，不宜饮用。郊区多为HCO3型水，超标因子1～3 项，为总硬度、溶解性总固体、铁、锰等一般化学性指标，适当处理后适宜饮用[2]。

2.2 地下水资源现状

郑州评价区的天然补给资源量为72 232.63 万m3/a，其中山区23 427.32 万m3/a，平原48 805.31 万m3/a；浅层可开采资源量为83 244.2.2 万m3/a，其中山区20 203.81 万m3/a，平原63 040.39 万m3/a；深层承压水可采储存量为23 468.53万m3/a。

地下水开采潜力，主要分析平原区地下水开采潜力，从地下水资源潜力方面可分析得出，郑州平原区地下水剩余量为-1.13×108m3/a，潜力指数为0.884，存在超采情况，见表1。

表1 郑州地下水剩余量及开采潜力指数一览表

3 应急水源地

3.1 选择原则

地下水应急水源地的选取需要考虑水量的大小、水质的好坏、有效含水层的底板埋深、补给能力的大小、可开采资源储量的大小、距中心供水城市距离的远近、水源地的安全性、供水时间及定额、地质环境等因素，每个因素都影响着城市应急地下水源地的选取。结合实际情况，郑州地下水应急水源地选取原则有:富水性强，深度适中；水资源储存量大且补给条件好；水质较好且易于保护；距离适中等条件。

3.2 应急开采量的确定

应急地下水水源地应急开采量设计的宗旨是首先解决居民生活用水的水量。本次应急水源地选址、应急需水量要考虑城市远期规划，应急需水量的确定不仅要确定应急生活供水定额，还要考虑到远期规划的人口数，本次远期规划人口到2030年，经统计分析，基本生活用水按130 L/（人·d），人口以800万计，应急需水量则需要104.0万m3/d。

在应急状态下，供水水源只有南水北调水和地下水，南水北调水和地下水可利用量为89.14万m3/d，应急供水状态下，需水量为104.0万m3/d，供水量缺口14.86 万m3/d，这就需要新建应急水源地来满足应急需求缺水量。

3.3 选址结果

根据郑州的水文地质条件、城市用水情况、城市规划布局、供水网管规划结合应急地下水源地选址原则，应急地下水源地的最终选址为万滩应急水源地，位于郑州东刘集—万滩一带，面积为153 km2，地下水类型为松散岩类潜水。

4 应急资源量评价

4.1 评价方法选择

结合本次工作目的任务及收集资料的程度，拟采用水位预报法对本次地下水应急可开采资源量进行计算及评价。

4.2 边界条件概化

水源地北边界黄河流量大，水面宽，与地下水水力联系密切，可作为定水头补给边界处理。

水源地地处黄河冲积平原，浅层含水层分布广泛，含水层岩性为中粗砂、细砂、中砂，含水层3～4层，局部1～2 层，砂层累计厚度60～70 m。含水层底板隔水层主要为中更新统上部粘土层，分布稳定，平均厚度20～40 m，浅层与中深层地下水水力联系微弱，基本不存在越流补排关系。

综上所述，将本区概化为具有定水头补给边界的均质、各向同性的半无限含水层。

4.3 应急开采量计算及评价

考虑干旱极端天气，应急供水时间一般3～6 个月，水质污染应急时间一般处理时间10～30 d，故应急供水时间定为200 d。

本方案共布设开采井36 眼（见图1），单井日取水量4200 m3，总开采量约为15.12万m3/d，应急开采200 d。应用潜水完整井井群干扰非稳定流公式，利用计算机分别计算有关观察点由于拟建水源地开采而引起的降深，结果见表2、图2和图3。

图1 万滩后备水源地单排布井开采井位置示意图

表2 观测井水位预报一览表

图2 水源地水位预报降深等值线图（开采200 d）

图3 观测井水位预报降深历时曲线图

由水位预测结果可知，水源地以15.12 万m3/d的开采量开采浅层地下水，在黄河透水边界的作用下，200 d 时水位下降速率0.0 088 m/d，zz17 号中心井最大水位降深Smax=9.6 m，该值不及含水层厚度（静水位到含水层底板）的1/5。

由图2 可以看出，水源地开采所引起的水位降落漏斗范围较小，中心水位降深较小。降落漏斗中心位于万滩镇万滩村，最大水位降深9.6 m。水位降深大于6 m 的范围仅有7.25 km2。漏斗呈面北弧形展布，东西方向扩张很小，向西至黄冈庙—徐庄一线即不受开采影响，故新水源地的开采不会影响市区其它水源地的正常使用；向南扩展较多至后梁—董岗，据2015 年水位统计可知，自然情况下水源地范围内浅层地下水水位埋深在2～5 m，开采后水位埋深一般6～12 m，局部13～14 m。这样的水位埋深仅对漏斗中心区的部分压水井和对口抽水井（井深一般10～20 m）产生影响，对其他地方影响甚微。

综上所述，在拟建水源地以15.12 万m3/d 的开采量进行应急开采，水位的下降状况是可以接受的，不会引起明显的环境地质问题。日开采15.12万m3/d可行[1]。

4.4 评价结果

黄河天然条件下即存在着河水对两岸潜水的侧向径流补给。在傍河开采地下水时，由于地下水力坡度的加大，河水和地下水的水量交换大大增强，河水将成为傍河水源地的最主要补给来源。郑州地下水应急水源地应急开采量评价结果统计表见表3。

表3 郑州市应急水源地应急开采量评价结果统计表

5 结语

中原城市群建设已经纳入国家发展战略，是实现中部崛起、带动中部发展的重大举措。郑州作为中原城市群的中心，其重要地位不言而喻，水资源匮乏、水环境严重破坏问题已成为制约中原城市群乃至整个河南省国民经济发展的重要因素。国内外多年的实践经验表明，保障饮水安全是许多突发性和极端性气候事件发生后最为迫切的问题之一，尤其在人口高度集中的城市地区。

近年来，我国一些地方政府陆续组织开展了一系列的地下水应急备用水源地论证[3]、建设和运行管理等工作，我国城市地下水应急水源地的规划、建设与管理工作已取得了开拓性成果。但是，由于对地下水应急水源地在保障供水安全中的战略作用认识不够深刻，加上经济条件、水资源开采难度等客观因素限制，我国地下水应急水源地建设与管理工作总体上还处于起步阶段，亟须加快开展相关工作[1]。