长株潭城市群核心区地下水应急供水研究

童 军 ，皮 景 ，徐定芳 ，巫政卿

（1.湖南省地质调查院，长沙410116；2.湖南省地质矿产勘查开发局402 队，长沙410007）

长株潭城市群是全国“两型”社会建设的示范区，也是中部崛起的重要增长极，2016 年长株潭三市总人口达1444.9 万人， 占湖南全省的21.3%，城镇化率为70%，实现GDP 13681.9 亿元。 本文所指的长株潭城市群核心区主要包括长沙、株洲、湘潭市三市的主城区。

近年来，随着城市人口的不断增加和城市工业经济的快速发展， 对水资源的需求量日益递增，特别是对于在特枯年、连续干旱年或者污染事件突发时的供水问题更为严峻，因此，开展长株潭城市群地下水应急水源地及应急供水方案研究，构建长株潭城市群水资源战略储备体系，对保障城市安全供水具有重要现实意义[1-4]。

许多单位或学者在长株潭城市群开展了大量的水文地质条件、地下水特征、地下水资源等方面的调查研究工作[5-10]。 本文综合分析利用了湖南省地质调查院2016 完成的 “长株潭城市群地质调查与区划”项目[5]、“长株潭城市群重要城市应急（后备）地下水源地勘查评价”项目[6]及湖南省地质矿产勘查开发局402 队2011 年完成的 “长株潭城市群两型社会试验区地下水资源评价”等[7]项目所取得资料和成果，从地下水特征入手，按富水单元初步圈定了长株潭城市群的应急水源地，并计算了其可采资源量，最后提出了长株潭城市群核心区的应急供水方案和保护建议。

1 供水现状

目前，长沙、株洲、湘潭三个城区绝大部分是以湘江作为供水水源，只有城区周边个别单位以自备水源形式开采地下水，其开采量很小。

其中，长沙城区共有8 个水厂，服务面积覆盖420 km2，服务人口约400 万，日供水设计能力达到225 万 m3。 其中一厂日供水能力 20 万 m3，二厂日供水能力10 万m3，三厂日供水能力30 万m3，四厂日供水能力40 万m3，五厂日供水能力30 万m3，望城日供水能力15 万m3，八厂日供水能力50 万m3，廖家祠堂水厂日供水能力30 万m3，此外还有长沙县的星沙水厂、朗梨水厂、黄花水厂等，其供水水源除五水厂为株树桥水库水外其他均为湘江水。 目前，长沙市主城区的供水管网向东铺设到泉塘公安学校，南到暮云镇，西到雷锋镇，北到桥驿镇，已形成供水管网体系。

株洲市区共有4 座水厂， 日供水能力已达100 万m3，服务人口约100 万人，有少部分自备水源。目前，这4 座水厂均采用湘江水，供水主干管网已相互连通形成环状管网系统，组成了较为合理的分质、分压、分区给水系统[8]。

湘潭市城市自来水厂有4 座， 总计供水规模37.5 万 m3／d，均利用湘江水，服务人口 52 万余人，另外还有部分企业利用地下水作为内部独立水源。湘潭市供水主干管700 km， 供水管道南至二大桥沿江路，北至易家湾和九华经济开发区，东至马家河，西至湘潭大学，整个城区供水管网已联通形成环状管网。

目前，湘江地表水资源充沛，加上长沙、株洲、湘潭航电枢纽均已建成运行，长株潭城市群核心区的水资源可得到充分保障，出现资源型缺水的几率较小。但湘江还承担着航运、接受排放等功能，一旦湘江上游突发水资源危机事件，必然会对长株潭城市群核心区的自来水供水安全带来巨大冲击，引发水质型缺水的可能较大。

2 地下水应急水源地选择

2.1 长株潭地区地下水特征

2.1.1 地下水类型

根据以往研究成果，按地下水赋存条件、含水介质岩性、水理性质及水动力特征，将长株潭地区地下水划分为 4 个类型[5-10]（图 1）。

（1）松散岩类孔隙水

主要分布在湘江、浏阳河、捞刀河、沩水、渌水、涟水、涓水沿岸及宽缓溪沟中，含水层由第四纪全新统桔子洲组至下更新统洞井铺组砂、 砂砾石组成。地下水贫乏-丰富，单井水量 50 ～ 2333.1 m3／d。

（2）碎屑岩类孔隙裂隙水

广泛分布于长沙的马王堆-黄花、荷花园，湘潭市的河西、板石港-蛇家湾、团山-羊姑塘、双板桥-古塘桥，株洲市的龙头铺-泉水窑、董家-湾塘、雷打石-坝湾等地。 含水层由白垩系罗镜滩组一套厚层状灰质砾岩、钙质砂岩夹灰质砾岩组成。水量中等-丰富， 单井水量为 296 ～ 2615.4 m3／d， 最大可达7992.0 m3／d。

（3）碳酸盐岩类裂隙溶洞水

主要分布于长沙市市区， 株洲南部的田心桥、田家湾-桃园冲等地，有裸露型、覆盖型和埋藏型三种类型，地下水水量中等-丰富，单井水量为200.0～2358.7 m3／d。 含水层由二叠系至泥盆系灰岩、白云质灰岩、硅质灰岩、泥灰岩等组成。其中以埋藏型裂隙溶洞水为主。

（4）基岩裂隙水

基岩裂隙水包括碎屑岩裂隙水、浅变质岩裂隙水及花岗岩裂隙水等三种类型。

图1 长株潭城市群核心区水文地质简图Fig.1 Brief hydrogeological map of the core area of the Chang-Zhu-Tan City Group

广泛分布于全区， 含水层岩性主要为白垩系戴家坪组、神皇山组、东塘组钙质粉砂岩、泥岩、泥质粉砂岩、砾岩、砂砾岩；三叠系、泥盆系、奥陶系、寒武系、震旦系砂岩、砂质页岩、页岩以及板溪群五强溪组、马底驿组、冷家溪群板岩、砂质板岩、花岗岩等岩层组成。 含贫乏-中等基岩裂隙水，泉水流量为 0.018 ～ 0.429 L／s，钻孔单井水量达 163.6 ～889.9 m3／d。

2.1.2 地下水物理化学特征

研究区地下水物理性质一般为无色、无味、无嗅、透明，水温一般15 ～20 ℃。 水中无肉眼可见物。

研究区地下水水化学类型较复杂， 种类繁多。按舒卡列夫分类法将全区1594 个水样分析结果进行归纳分类[5-10]，共有66 种水化学类型，其中重碳型水占64.25%，其它类型占33.75%。 总体水质较好。

2.2 地下水应急水源地基本特征

2.2.1 应急水源地选址选择

参考国内有关文献[11-14]，确定选择应急水源地的主要原则如下：

（1）水量充足原则：水源地水资源量应能够满足解决城市某一片区的应急供水量；

（2）水质优良原则：水源地水质量良好，符合或经简单处理后符合 《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006），可保证居民用水安全；

（3）距离较近原则：水源地分布于长株潭各城市周边，距现有水厂的距离尽可能较近，供水条件便利；

（4）水源均布原则：应急水源地尽可能较均匀地分布于城市及周边的不同区位、或者现有供水设施附近，有利于对城市的每个部位均可以就近提供应急供水；

（5）和谐供水原则：水源地目前应没有开采用于其他用途，不与周边城镇、村庄或厂矿等集中用水单位相冲突或争水；

（6）安全利用原则：水源地周边环境条件较好，难于遭受外来污染源的污染；开采地下水不会造成对当地及周边环境的明显影响，且不会引发次生环境地质问题。

2.2.2 应急水源地基本特征

根据以上原则，综合考虑长株潭地区水文地质条件及地理环境，结合已有工作基础[5-10]，笔者大致选定了19 个富水地段作为城市应急水源地 （图2），其中孔隙水型9 个、岩溶水型8 个、碎屑岩类裂隙孔隙水型 2 个；按行政区计，长沙10 个，株洲6个，湘潭3 个。 基本特征如表中描述（表1）。

2.3 应急水源地水资源概况

经计算[5-10]，长株潭城市群核心区地下水天然资源量为 164.09×104m3／d， 可开采资源为 64.93×104m3／d（大部分为 C 级、B 级允许开采量），容积储存资源为26.00×108m3。 按行政区统计地下水资源量（表 2）。

3 地下水应急供水方案建议

3.1 应急供水供需平衡分析

3.1.1 应急供水人数确定

根据2020 年的城市总体规划， 长沙市中心城区城市规划人口规模629 万人；株洲市中心城区规划人口为170 万，其中主城区人口150 万，渌口区人口20 万；湘潭市中心城区人口控制在176 万人，其中九华经开区为36 万人，湘潭县城区人口30 万人[6]。

3.1.2 应急供水标准

应急用水主要考虑保障居民的最低饮用水配额，参照国内有关研究成果，定为以下两种标准：20 L／d·人和 50 L／d·人的标准[15-16]。

3.1.3 应急供水供需平衡分析

（1）按 20 L／d·人的应急供水标准分析

当采用20 L／d·人的应急供水标准时， 长沙地区 629 万人共需水 12.58×104m3／d，10 处水源地允许开采量为 27.75×104m3／d，可以满足要求；株洲地区 170 万人需水 3.4×104m3／d，6 处水源地总计允许开采量 8.92×104m3／d，可以满足要求；湘潭地区176 万人需水 3.52×104m3／d，两处水源地总计允许开采量 10.02×104m3／d，可以满足要求。

由此可见，按20 L／d·人的应急供水标准，长株潭三市总水量均满足2020 年规划人口的应急用水要求（表 3）。

（2）按 50 L／d·人的应急供水标准分析

当采用50 L／d·人的应急供水标准时， 长沙地区 629 万人需水 31.45×104m3／d，10 处水源地允许开采量为 27.75×104m3／d，不能满足要求，尚差 3.7×104m3／d 左右；株洲地区 170 万人需水 8.5×104m3／d，6 处水源地总计允许开采量 8.92×104m3／d，可以满足要求；湘潭地区 176 万人需水 8.8×104m3／d，两处水源地总计允许开采量 10.02×104m3／d， 可以满足要求（表 3）。

由此可见，按50 L／d·人的应急供水标准，株洲和湘潭两城市总水量仍然能够满足应急用水要求，而长沙市不能满足。按水量来看，尚差3.7×104 m3／d的资源量；换算成供水人口，有约74 万规划人口的应急供水不能保障。

表1 长株潭城市群核心区地下水应急水源地特征一览表Table 1 Characteristics of groundwater emergency water source in Changzhutan City Group

图2 长株潭城市群核心区应急水源地分布图Fig.2 Distribution of Emergency Water Sources in Chang－Zhu－Tan City Group

表2 长株潭城市群核心区各行政区地下水资源统计表Table 2 Groundwater Resources in the Administrative Regions of Changzhutan

表3 长株潭城市群核心区应急供水平衡分析表Table 3 Analysis of emergency water supply balance in the core area of Changzhutan City Group

图3 长株潭城市群核心区应急供水方向建议图Fig.3 Proposed direction of emergency water supplyin Chang－Zhu－Tan City Group

3.2 应急供水方案建议

综合考虑长株潭地区19 处应急地下水源地的基本情况，并结合目前（或规划）水厂分布位置，按就近原则，提出应急供水方案建议（图3）。

3.2.1 长沙市应急供水方案建议

供水方向：

从水源地分布特征分析，建议将2 号水源地用于解决长沙西部地区应急供水问题，重点解决西北部，兼顾中西部；将7、8 号水源地用于解决长沙西南部地区应急供水问题；将1 号水源地用于解决长沙市东北部地区应急供水问题；将3～6 号水源地作为中东部地区的应急水源， 并适当兼顾东南部；将9、10 号水源地作为长沙东南部应急水源地（图3）。

供水平衡分析：

由前述分析可知， 按20 L／d·人标准应急供水分析，长沙市总体满足供水要求，但长沙西部仅靠7、8 号水源地暂不能完全满足。 按 50 L／d·人标准应急供水分析， 长沙中心城区尚差74 万人的应急供水源，长沙市西北部望城城区、东部星沙镇、黄花镇、榔梨镇等地能满足需求；芙蓉区、雨花区、天心区、岳麓区均只能满足部分人口的应急需求。

建议解决方案：

对西部地区水源不足的解决方案：一是对7 号水源地深部岩溶水提升开采潜力；二是利用相互联通的自来水管网部分调用西北部2 号水源的水量；三是组织专业技术队伍寻找新的应急供水水源。

对于东部地区水源不足的解决方案：一是充分发掘3、4 号水源地的潜力；二是利用已连网的自来水管网进行全市动态调节；三是可以利用长沙市五水厂，因为其供水水源是株树桥水库水，湘江为第二水源，而湘江、株树桥水库同时出现水资源危机的可能性较小，因此，五水厂供水可作为应急水源使用；四是在南部地区寻找新的应急水源地；五是借助或扩大北城镇供水厂充分利用1 号水源地的资源，并进行联网调节。总之，通过科学调度可在一定程度上保证东部地区的应急供水安全。

3.2.2 株洲市应急供水方向建议

供水方向： 从株洲市水源地分布特征分析，建议将11 号水源地作为株洲市北部地区应急水源；将12、13 号水源地作为株洲市西部应急水源；将14 号水源地作为株洲市东南部的应急水源；将15、16 号水源地作为株洲市南部的应急水源（图3）。

供水平衡分析： 从前述水资源平衡分析可知，针对2020 年规划人口，不管是按20 L／d·人标准还是按50 L／d·人的标准， 应急水源地水量均满足要求。 只须通过全市调节使用，株洲市的应急供水能够得到有效保证。

3.2.3 湘潭市应急供水方向建议

供水方向： 从湘潭市水源地分布特征分析，建议将17 号水源地作为湘潭西部的应急水源地；将18 号水源地作为湘潭东部的应急水源地；将19 号水源地作为湘潭南部的应急水源地（见图3）。

供水平衡分析： 从供需平衡分析可知， 针对2020 年规划人口， 按 20 L／d·人标准和 50 L／d·人标准两种条件下，湘潭市中心城区的应急供水总量均能满足。

从水资源数量来看，18 号水源地可开采量为1.92 万 m3／d， 不能完全满足东部的要求， 因此建议：一是适当调节利用西部17 号水源地水资源，二是考虑寻找备用应急水源地。 总之，通过全市调节使用，湘潭市的应急供水能够得到有效保证。

4 长株潭应急供水水源地保护

4.1 应急地下水源地开发对环境影响初步分析

经初步研究分析[5-6]，应急地下水源地集中开采地下水后，可能引发的环境地质问题主要有区域地下水位下降和诱发岩溶塌陷两个方面。

4.1.1 区域地下水位下降

应急水源地开启之后，短时间内将大量开采地下水，可能会引起水源地附近，特别是相邻的水源地的地下水位下降，对水源地及周边地区产生一定的影响，主要可能的表现有：水源地及周边机民井水量减少，掉泵等现象。根据水文地质条件，主要是在第四系分布区、覆盖型岩溶区会产生地下水水位下降；在埋藏型岩溶区，因其上部白垩系具有明显的隔水作用，短时间开采地下水一般不会造成浅层地下水的水位下降。

通常， 应急水源地一般启用时间不会太长，极端情况下一般也不会超过30 天， 应急水源地开启之后，在度过应急开采期之后，地下水位也将逐渐恢复回升，因此，对区域地下水位的影响主要是短暂的，不会造成长时间及大范围的影响。

4.1.2 诱发岩溶塌陷

诱发岩溶塌陷现象主要可能在覆盖层比较薄、下伏地层岩溶发育较强的应急地下水水源地内出现。 当采用20 L／d·人的应急供水标准时，因开采量相对较小，加之开采时间较短，岩溶水应急水源地基本不会出现诱发岩溶塌陷问题； 当采用50 L／d·人的应急供水标准时，几乎所有的岩溶水应急水源地将开采全部可开采量，此时每个岩溶水应急水源地均可能存在诱发岩溶塌陷的风险。因此，应急时期抽取岩溶地下水时， 应对岩溶水水源地周边环境的变化密切监测，并做好地面塌陷的应急防治预案。

4.2 应急水源地保护建议

（1）建立城市应急水源建设和管理制度，逐步建设好长株潭城市群核心区地下水应急水源地系统，以应对连续干旱、污染事故突发或现有供水水源出现问题的情况下，能及时解决城镇居民生活用水的燃眉之急。

（2）建议组织专业技术队伍和相关部门对推荐的19 个应急水源地进行系统论证， 深入论证其可开采资料量，因地制宜，确定采水方案。并将应急水源与已有的供水系统尽早联网。 同时，对资源不够或没有合适应急水源地的地段补充勘探，寻找新的应急水源地。

（3）在水源地外围设立保护区，加强城镇生活及工业生产污水的排放监管，实现达标排放，保护好应急水源地宝贵的地下水资源。

（4）设立应急水源地专门监管机构，加强应急水源地管理，建立应急水源地开采水位、水量及水质的动态监测与预报机制。

（5）地下水应急水源地的开采量只宜用于应急情况下的开采使用，不宜长期大量开采，也不宜过量超采，以免对生态环境产生不利影响。

5 结论

（1）在系统研究水文地质条件的基础上，选定了19 个富水地地段作为应急地下水源地， 并估算了相应的允许开采资源量。 19 处应急水源地总允许开采资源量为 46.69 万 m3／d， 其中长沙为 27.75万 m3／d，株洲为 8.92 万 m3／d；湘潭为 10.02 万 m3／d。

（2） 针对2020 年长株潭城市群核心区的规划总人口， 参照国内有关标准， 分别按20 L／d·人和50 L／d·人标准进行了应急供水供需平衡分析，认为总体按20 L／d·人标准进行应急供水， 三个城市的水资源总量均能满足要求， 按50 L／d·人标准进行应急供水，株洲和湘潭两市水资源总量可以满足要求， 而长沙市有约74 万规划人口不能保障应急供水，或者说缺少 3.7 万 m3／d 的水资源量。

（3）按照水源地就近原则，结合现有规划自来水厂分布情况和不同应急标准，进行不同城市应急供水，针对供水不足的地段采取联网或补充水源解决应急供水。

（4）针对可能发生的地质环境问题，对长株潭应急供水水源地进行建设与保护。