郑州市万滩应急地下水水源地评价

2020-09-01郭山峰王道山李志国韩文辉何伟民

矿产与地质 2020年3期

郭山峰，王道山，李志国，韩文辉，何伟民

(1．河南省地质矿产勘查开发局第五地质勘查院，河南郑州 450001；2河南省有色金属地质矿产局第二地质大队，河南郑州 450016；3.河南省有色金属地质矿产局第四地质大队，河南郑州 450016；4.河南省地质矿产勘查开发局第二地质勘查院，河南郑州 450018)

0 引言

20世纪90年代以来，为满足郑州市城市供水需求，河南省地质矿产勘查开发局组织相关单位在郑州北郊黄河南岸沿线进行了水源地勘察工作，郑州“九五”滩水源地取得B级地下水允许开采量10×104m3/d[1]，郑州北郊水源取得B级地下水允许开采量20×104m3/d[2]。目前2处水源地分别为石佛水厂和东周水厂供水。郑州市作为河南省政治、经济及文化中心，又是中原城市群核心区，随着人口不断增加及城市建设扩建，用水量讯速增长，为保障郑州市水资源供水体系，提高城市在特枯年、连续干旱年及水污染事件突发时的危机应对能力，保障城市供水安全，社会经济持续稳定发展[3]，河南省地质矿产勘查开发局下达了“河南省淮河流域主要城市应急(后备)地下水水源地选址论证”项目(豫地环〔2012〕9号)，郑州市万滩应急地下水水源地是其子项目，主要通过资料收集及野外补充调查综合论证为城市选取一处应急后备水源地[4]。

1 自然地理条件

1.1 气象、水文

拟选水源地区属暖温带半湿润气候，常年平均气温为14.25℃，常年平均降水量为648.6 mm，常年平均蒸发量为1853.2 mm。

黄河从拟选水源地区北部边界由西向东流经，进入拟选水源地区后，成为驰名中外的“地上悬河”，河床高出堤外地面2～5 m，常年补给地下水，补给宽度5～10 km。据花园口水文站多年资料，黄河常年平均流量为1201 m3/s；最大实测洪峰流量达22 300 m3/s(1958年)，最低时可干枯(1960年)。

1.2 地貌

拟选水源地区分布在黄河主流道以南、大堤以北地带的黄河漫滩，海拔90～97 m，高出堤外地面0.5 m，由西向东黄河大堤内、外高差逐渐增大。滩面平坦微向河床倾斜，高度的不同分为低漫滩和高漫滩。低漫滩高出黄河水位约1 m，一般洪水不到，分布面积较大，前缘陡坎和河水接触，形成物质为粉细砂。高漫滩：零星分布在该区的两端，面积小，高出黄河水位约3 m，其上有村庄和耕地。

1.3 水文地质条件

依照含水层的埋藏深度、成因类型、水力性质和开采条件，可将本区地下水含水层组划分为浅层含水层组与中深层含水层组(图1)。

图1 郑州市供水工程分布及区域水文地质图Fig.1 Regional hydrogeological map showing the distribution of Zhengzhou water supply project

1.3.1 浅层含水层组

由黄河冲积形成，含水层由中更新统上段、上更新统和全新统组成，岩性以砂层为主，多为四层，砂层间夹厚度较薄的砂质黏土、粉土弱透水层。含水层底板埋深70～120 m，在此之上基本无稳定隔水层。含水层主要为中粗砂、细砂和中砂，含水层厚度一般为50～70 m，万滩一带最厚，约80 m，自西南往东北，含水层呈现出厚度由薄变厚，颗粒由细变粗的明显趋势，水位埋深2～6 m。地下水的富水性可分为强富水区(单井涌水量>3000 m3/d)，富水区(单井涌水量1000～3000 m3/d)和中等富水区(单井涌水量500～100 m3/d)(图1)。

天然条件下浅层地下水的补给以大气降水入渗补给和黄河侧渗补给为主。受地形地貌控制，浅层地下水由西北黄河上游向东南方向径流，水力坡度与地形坡度几近一致，一般在0.05‰～0.1‰，属径流滞缓类型。地下水排泄以蒸发和开采为主。

地下水的水化学类型主要为重碳酸镁钙钠型和重碳酸钙钠型，矿化度为150～608 mg/L，pH值为7.31～7.98，总硬度为159.07～608.45 mg/L，地下水水质总体较好。

1.3.2 中深层含水层组

含水层由中更新统下段和下更新统的各类砂层、砂砾石层组成。岩相由盆地边缘的冲洪积、冲湖积向东过渡到湖积和冰水堆积。底板埋深一般180～300 m。该层的特点是，含水砂层为多层。靠近河堤边缘一带颗粒较粗，为中细砂、中砂、细砂，局部夹中粗砂和砂砾石，其中冲积、冲湖积中的主流相，颗粒粗、厚度大，而侧流相颗粒细、厚度薄，该层累计厚度为40～80 m。单井涌水量为1000～3000 m3/d，水位埋深20～50 m。

中深层地下水的补给以侧向径流和浅层地下水的越流补给。地下水的流向由高水位流向市区降落漏斗的低水位，水力坡度0.9‰～8.0‰。地下水排泄以人工开采为主。

地下水的水化学类型主要为重碳酸钙型和重碳酸钙镁型，矿化度为500～700 mg/L，总硬度为150～300 mg/L，水质较好，该层是郑州市城区供水的主要开采层位，因过量开采，目前已形成持续降落漏斗，并产生一些环境水文地质问题，多数水井已停采或禁采。

通过对浅层地下水与中深层地下水含水层分析，两含水层之间存有较厚的隔水层，且透水性较差，浅层地下水水位埋深2～6 m，中深层水位埋深20～50 m，水头差较大，天然条件下，浅层地下水与中深层地下水水力联系微弱。

2 地下水应急水源地的确定

2.1 郑州市供水现状

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贾鲁河水作为供水水源，2014年底引入南水北调水源，引黄水源地有邙山提灌站、花园口提灌站；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和常庄水库(图1)。城区年供水总量约50 571×104m3，郑州市自来水投资控股有限公司的供水量为32 845×104m3，占总供水量的64.95%；市节约用水办公室管理范围内的自备井供水量为1 796×104m3，占全部供水量的3.55%；河道工程管理处补给郑州市城区生态用水15 930×104m3，占供水量的31.50%。

2.2 应急水源地选址确定

拟选水源地区位于郑州市东北部黄河南岸万滩一带，沿黄河南岸从西向东依次分布着郑州“九五滩”水源地、北郊水源地和东彰—浪城岗后备水源地。拟选的郑州市万滩应急地下水水源地处于北郊水源地和东彰—浪城岗后备水源地之间，地理座标东经113°49′—114°01′，北纬34°48′—34°56′，面积约152.40 km2。拟选水源地区位于黄河冲积扇中上部，堆积了巨厚的粗粒相堆积物，为地下水的赋存提供了良好的空间。浅层地下水含水层以中砂、细砂、中粗砂为主，属富水区及强富水区段。包气带岩性为粉土或粉砂，结构松散，有利于大气降水补给。黄河在该河段以地上悬河为主，河水通过河床源源不断地补给岸边地下水，黄河下游河南段河流侧渗量多年平均为25 000×104m3[5]，具有丰富的补给资源保障。

3 浅层地下水开采资源量评价

3.1 评价原则与方法

3.1.1 评价原则

水源地紧邻黄河南岸，位于黄河影响带范围内，接受黄河的侧向径流补给，补径排关系清楚，为傍河型水源地类型。

依据水源地的水文地质条件，该水源地地下水允许开采量是指通过经济合理的取水方案，在整个开采期内出水量不会减少，水质不发生恶化趋势，不发生危害性的环境地质现象的前提下，最大限度地夺取黄河水补给量。

3.1.2 评价方法

本次开采资源量评价采用解析法。解析法是以水位降深为基础来计算的，所计算降深完全由新增开采量产生。其特点是计算较简单，不考虑垂向量等其他因素影响。计算评价结果同其他方法基本一致，结果是可靠的。

3.2 边界条件及计算模型

3.2.1 边界条件

拟选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。将黄河补给边界向河床内推移1000 m，那里的地下水水位同河水位一致，不受开采影响。

含水层向东、西、南三个方向无限延伸，浅层含水层分布广泛，其岩性以中粗砂和中砂为主，将其概化为无限均质含水层。

浅层地下水与中深层地下水含水层之间存有较厚的隔水层，且透水性较差，不考虑两者的越流补给。

(1)属性anaType表示指代类型,即哪种要素的指代,或是事件的指代.若是对象要素的指代,属性值为Object;若是时间要素的指代,属性值为Time;若是环境要素的指代,属性值为Location;若是事件的指代,属性值为Event.

3.2.2 计算模型

根据边界条件，选用潜水完整井井群干扰非稳定流公式(1)[6]：

(1)

式中：S为某点处的降深值，m；H为某点处的含水层厚度，m；h为抽水延续t时间时观测孔中水柱高，m；Qi为第i个井的出水量，m3/d；Ki为第i点处的渗透系数，m/d；W(ui)为井函数，见公式(2)：

(2)

式中：ui为井函数自变量，见公式(3)：

(3)

式中：ri为计算点到第i个井的距离，m；Ti为第i个井处的导水系数，m2/d；μi为第i个井处的给水度；t为抽水延续时间，d。

在开采井结构相同，涌水量也相等，当抽水时间延续很长，ui≤0.01时上式可简化为

(4)

(5)

S=H-h

(6)

式中：r1为计算点到实井的距离，m；r2为计算点到虚井的距离，m。

利用计算机DOS编程程序，采用正演试验法进行参数调试，即首先给出一组参数初值(由单孔抽水试验等方法确定)，代入潜水完整井井群干扰非稳定流公式(4)，分别计算各观测井各时段的水位降深，与实测降深进行比较，调整参数使其水位降深与实测降深误差达到最小为止，这样就得到一组具有代表性的参数。

通过多次调参计算，确定本次计算参数值，渗透系数K=27.2 m/d，导水系数T=1200 m2/d，重力给水度μ=0.055。

3.3 资源量评价

先给定开采方案，输入计算参数，再次利用已编制好的DOS编程程序，反演试算在一定时段内，水源地所有水井定流量全部开采情况下，对各观测井各时段的水位累计降深进行预报，从而论证开采方案的可行性，经过多次反演试算，最终确定如下方案。

3.3.1 开采方案

为了最大夺取黄河水对浅层地下水的补给量，同时又不会因地下水位下降对黄河大堤产生影响，参考附近傍河水源地布井建井方案及本次抽水试验影响半径(R为485～850 m)，沿河岸双排布井，排距1000 m。北侧井排距黄河500 m，井间距500 m，布井36眼，单井涌水量0.40×104m3/d；南侧井间距1000 m，布井18眼，单井涌水量0.30×104m3/d；共布井54眼(图2)，开采总量为19.8×104m3/d，应急开采期为200 d。单井深120 m，管径0.30 m，井径0.60 m。

图2 水源地开采方案布井示意图Fig.2 Schematic map of well layout of water source exploitation plan

3.3.2 降深预报

依照上述开采方案，利用计算机DOS编程程序，计算开采延续200 d时各时段观测井的降深值(表1，图3)。在黄河侧向渗水补给作用下，zz17中心井10 d后水位下降速度迅速减小，200 d水位下降速率为0.0124 m/d，已经渐趋稳定状态，水位下降速度缓慢，最大水位降深为10.81 m，该值不及h(静水位到含水层底板平均80 m)的1/5。

表1 地下水位降深预报成果Table 1 List of prediction result of groundwater level drop

图3 水源地水位预报降深历时曲线Fig.3 Diachronic curve of water level forecast depth drop in the water source area

拟建水源地开采所引起的水位降落漏斗范围很小，降落漏斗中心位于万滩村一带，最大水位降深10.81 m。水位降深大于6 m的范围仅有17.88 km2，漏斗呈细长条形，平行河岸线展布，西至小朱庄，东至辛寨北(图4)。天然条件下水源地范围内浅层地下水水位埋深为2～6 m，开采后水位埋深一般为8～14 m。水位埋深仅对漏斗中心区的部分民用井(井深一般为10～20 m)产生一定影响，其他影响甚微。

图4 水源地水位预报降深等值线图Fig.4 Contour map of water level forecast depth drop in the water source area

3.3.3 比拟法估算可采资源量

郑州市“九五滩”与“北郊”两个傍河水源地，与新应急水源地毗邻，均处于郑州段黄河南岸，水文地质条件基本相同。

“九五滩”水源地位于黄河铁桥的下游，沿河分布长度近10.0 km，根据距河岸300 m的井排布置方案，通过解析法和数值法及井群开采抽水试验确定的水源地可采资源量为10×104m3/d，即每千米长度河岸的地下水开采资源量约1.0×104m3/d。

“北郊”水源地位于花园口的下游，沿河分布长度约30 km，在沿河岸离河400～1200 m范围内布置了20多眼开采井，供水详勘阶段用三维数值模型和水均衡法以及开采抽水试验法评价的水源地可开采资源量为20×104m3/d，即每千米河岸长度的开采资源量约0.70×104m3/d。

通过以上两个水源地单位河岸长度的地下水可开采资源量估算分析，万滩水源地沿河岸长度约21.07 km，其地下水开采资源量在14.75×104～21.07×104m3/d间。

3.3.4 地下水资源保障程度分析

拟选水源地区处于黄河强影响带(距黄河5 km内)，河水与水源地水力联系密切，傍河水源地80%以上开采量来自黄河水的侧渗补给[7]。据此计算，该水源地开采条件下，黄河水流入侧渗补给量最少为15.84×104m3/d，仅占黄河最小平均流量(452 m3/s)的1/237，天然条件下，黄河水补给水源地开采是有保障的。

在特枯年或连续干旱条件下，如果河水断流，短时间内不会产生太大影响，因黄河下游分布着巨厚的孔隙含水层，地下水储存量丰富，约为551.33×108m3，黄河水和地下水可以通过引黄补源、以丰补欠、相互转化调蓄水资源[8]，补给水源地开采量，提供水资源保证。

自小浪底水库运行以来，黄河下游未出现过河水断流现象，花园口水文站多年平均流量为786 m3/s，为黄河下游傍河水源地提供了有力保障。