宁波市地下水应急供水模式探讨

2021-10-18杨国强李云姜月华刘红樱金阳

人民长江 2021年9期

杨国强李云姜月华刘红樱金阳

摘要：应急水源地作为突发性事件导致供水困难情况下解决城市水源危机而采用的一种非常规的临时供水水源，是城市用水安全与社会稳定发展的重要保障。以宁波市具代表性的大嵩江流域为例，从合理利用与有效增加地下淡水资源角度出发，提出了“沟谷型”、“封存型”淡水水源地与地下淡水库建设相结合的区域地下水应急供水模式，并对大嵩江流域塘溪沟谷潜水、咸祥平原Ⅱ承压封存淡水体应急水源地与Ⅰ承压含水层地下淡水库建设条件进行了分析。结果表明：塘溪沟谷潜水与咸祥平原Ⅱ承压封存淡水体应急开采潜力较大，具有应急水源地建设可行性;咸祥平原Ⅰ承压含水层地下淡水库建库条件好，可通过区域水资源人工调蓄有效增加地下淡水资源量。多类型地下水水源地相结合的应急供水模式可充分挖掘和合理利用区域地下淡水资源潜力，为宁波市应急供水保障体系建设提供参考。

关键词：地下水;应急水源地;地下淡水库;宁波市;大嵩江流域

中图法分类号：P641.8

文献标志码：A

文章编号：1001-4179（2021）09-0046-06

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.008

0 引言

随着中国城市化进程的加快，城市水源遭遇特枯水期、突发性污染等极端情况引发的水源危机逐步显现[1-2]。应急水源地作为突发性事件导致供水困难情况下解决居民基本生活用水而采用的一种非常规的临时供水水源[3]，在应对城市重大水污染、大规模严重缺水等情况时发挥着不可替代的作用，是城市用水安全与社会稳定发展的重要保障。地下水由于具有分布范围广、水源不易遭破坏、储存量稳定以及水质不易受污染等优势，在遭遇极端情况时仍能确保一定时期内连续稳定供水，是最为理想和可靠的应急供水水源[4]。

宁波市供水水源单一，地表水占比达98%以上，用水安全问题突出[5];宁波市基岩山区裂隙普遍不发育，平原区地下水广受海水入侵影响[6]，地下淡水资源量相对缺乏;同时，受区域地层、水文地质等条件影响，不合理开采地下水易引发环境地质问题[7]。因此，充分挖掘和科学开发地下淡水资源潜力，优化应急水源地建设，对于宁波城市稳定与发展具有重要意义。本文在宁波都市圈（南部）1∶50 000环境地质调查基础上，以宁波市具代表性的大嵩江流域为例，通过系统分析流域水文地质特征，探索性地从合理利用与有效增加地下淡水资源角度出发，提出“沟谷型”、“封存型”淡水水源地与地下淡水库建设相结合的区域地下水应急供水模式，并进行应急水源地与地下淡水库建设条件分析，可为宁波城市应急供水保障体系建设提供参考。

1 研究区概况

宁波市地处东海之滨，是中国东南沿海的重要港口城市，是长江三角洲南翼经济中心和国家历史文化名城。区域地貌类型主要为低山丘陵和滨海平原。全市水系发育，分布受地质构造控制，与山脉走向大致相同，其中大嵩江流域位于宁波市东南沿海，象山港北侧，面积约193 km2，地形总体两面环山、中间平原、一面临海，为区域具独立性、完整性的水文地质单元（见图1）。流域内大嵩江全长约33 km，流经塘溪沟谷、咸祥平原，后注入象山港海湾，为独流入海河流。

2 大嵩江流域水文地质条件

大嵩江流域地下水类型主要为基岩裂隙水、松散岩类孔隙潜水和孔隙承压水。根据区域1∶50 000环境地质调查与供水水文地质勘探[8-9]，流域各类型地下水分布与矿化度（TDS）、富水性等特征如表1和图2所示。

其中，基岩裂隙水主要赋存于风化裂隙及构造裂隙中，水质良好，但区域基岩裂隙不发育，水量贫乏;主要接受大气降水补给，大部分就地排泄，常以下降泉的形式补给地表水，泉流量一般小于0.1 L/s。

孔隙潜水主要分布于山间沟谷区和滨海咸祥平原。其中沟谷区孔隙潜水主要赋存于第四系冲积、冲洪积的砂砾（卵）、含黏性土砂砾（卵）石层，结构松散，沿现代河床呈条带状展布，埋藏浅，水质良好;主要接受大气降水垂直入渗补给，与沟谷河流呈互补互排，径流条件较好，排泄以蒸发为主。区内沟谷分布较多，其中塘溪沟谷含水层面积较大，达7.6 km2，厚度2～10 m，静水位埋深0.5～3.0 m，单井涌水量普遍>1 000 m3/d，水量丰富;其余沟谷面积普遍小于0.5 km2，为富水地段但储水总量较小。平原区孔隙潜水主要赋存于滨海相黏性土层，含水量小且水质较差。

孔隙承压水主要分布于滨海咸祥平原，按地层时代、水力特征及水质差异等可划分为Ⅰ、Ⅱ两层，岩性主要为砂砾（卵）石、含黏性土砂砾（卵）石及中細砂;水质与富水性分别受海水入侵与古河道展布影响。在山前平原地区浅层孔隙承压水与河谷孔隙潜水连结，可接受河谷孔隙潜水补给;平原中部孔隙承压水径流基本处于停滞状态，缺乏现代水补给。其中，Ⅰ承压含水层均为（微）咸水，水质差，含水层分布面积约49.2 km2，厚度2.6～29.4 m，富水性好，单井涌水量普遍大于500 m3/d，沿古河道单井涌水量可达1 000 m3/d以上;Ⅱ承压含水层分布面积约36.4 km2，厚度1.2～24.3 m，受含水层黏性土含量及胶结程度影响，富水性差异大，沿古河道呈相对封闭的含水构造，封存型淡水体分布，与外界水力联系弱，面积约9.4 km2，单井涌水量普遍大于500 m3/d。

3 地下水应急供水模式

3.1 水源地选取

由于应急供水的特殊性，宜选择地下水应急开采潜力大、水质及开采条件良好的区域作为应急水源地。根据大嵩江流域水文地质条件，区内基岩裂隙水水量贫乏;沟谷分布较多，但仅塘溪沟谷含水层面积较大，水量丰富，且水质良好;平原区孔隙潜水水量小，水质差;孔隙承压水受海水入侵影响，地下水水质普遍为（微）咸水，仅Ⅱ承压含水层沿古河道封存型淡水体分布，单井涌水量普遍大于500 m3/d。因此，本次研究根据流域水文地质特征，选取的地下水水源地主要为塘溪沟谷潜水与咸祥平原Ⅱ承压封存淡水体。其中塘溪沟谷潜水埋藏浅，补给速度快，应急供水期内可进行疏干性开采而不产生环境地质问题，但应综合考虑含水层恢复能力，避免生态环境问题;Ⅱ承压封存型淡水体由于南、北两侧为（微）咸水，同时上部滨海相软土分布，因此应急开采受淡水体范围缩小及地面沉降等环境地质问题制约。

此外，地下水库作为利用天然地下储水空间兴建的具有拦蓄、调节和利用地下水流作用的一种特殊的水库[10-11]，能有效解决城市供水紧张及未来应急安全供水需求，其建设条件主要包括补给能力、补给水源、取水条件、储水空间等[12-13]。流域内咸祥平原Ⅰ承压含水层储水空间大，沿古河道富水性、导水性好，人工开采条件下可迅速接受上游沟谷孔隙潜水补给，具备良好的地下淡水库建库条件。

3.2 地下水应急供水模式

根据流域地下水类型多样但淡水资源量相对缺乏的现状，从合理利用与有效增加地下淡水资源角度出发，选取塘溪沟谷潜水、咸祥平原Ⅱ承压封存淡水体及Ⅰ承压含水层为水源地，提出了以开采约束条件较少的“沟谷型”潜水及受环境地质问题制约的“封存型”承压淡水为应急水源地，同时与地下淡水库建设相结合的区域地下水应急供水模式（见表2）。

4 地下淡水水源地水质及应急开采潜力评价

4.1 水质评价

按GB/T 14848-2017《地下水水质标准》，采用内梅罗指数法进行地下水质量综合评价，具体评价方法如下：① 根据单组分分类标准，确定各单项组分的环境质量类别及分值Fi，其中Fi按Ⅰ～Ⅴ类水分别取值0，1，3，6，10。② 按公式（1）～（2）计算综合评分值F。③ 根据综合评分值F的大小，确定地下水质量级别：F<0.80，Ⅰ（优良）;0.80≤F<2.50，Ⅱ（良好）;2.50≤F<4.25，Ⅲ（较好）;4.25≤F<7.20，Ⅳ（较差）;F≥7.20，Ⅴ（极差），其中Ⅰ～Ⅲ类符合国家饮用水标准，Ⅳ～Ⅴ类水水质差，未经处理，不宜饮用。

通过选取反映区域水质状况的22项指标（见表3），根据上述评价方法，对塘溪沟谷潜水、咸祥平原Ⅱ承压封存淡水体水质量进行了评价。

从评价结果可以看出：塘溪沟谷潜水水质总体良好，地下水样质量级别主要为Ⅱ级淡水，各项指标符合GB 5749-2006《生活饮用水卫生标准》，仅沟谷区J03水井，由于位于城镇区，水质受人类活动影响，NH4+、NO2-及COD指标偏高。因此，为防止人类活动对沟谷区潜水产生污染，应制定相应的环境保护措施，建立水源地保护区等。Ⅱ承压封存淡水体铁锰含量较高，主要受原生地质环境影响;除铁锰外，其余指标浓度均适用于集中生活饮用水水源。因此，集中应急供水时需采用除铁锰装置处理。

4.2 应急开采潜力评价

4.2.1 塘溪沟谷潜水

应用含水层疏干原则，在应急供水期内对塘溪沟谷潜水采用加大地下水位降深方式进行应急开采。应急开采资源量按无补给条件下区域地下水位平均下降3.5 m的储水量进行计算，计算公式为

式中：Q急为地下水应急开采量，万m3;Q储为地下水储存量，万m3;μ为含水层平均给水度，取区域经验值μ=0.22;Δh为地下水水位变幅，取Δh=3.5 m;F为含水层分布面积，取F=7.6 km2。可得塘溪沟谷潜水应急开采量达585.2万m3，应急供水潜力较大。根据CJJ/T 282-2019《城市供水应急和备用水源工程技术标准》，按应急状态下居民基本生活日用水量人均至少80 L/d估算，如连续开采30 d，可供给最多约243.8万人的基本生活用水。

此外，为兼顾生态环境保护，防范含水层疏干后潜水位长时间无法恢复产生生态环境问题，采用“以丰补歉”方法对含水层恢复能力进行评价。研究区丰水期主要为5～9月，平均降雨量912 mm。塘溪沟谷潜水含水层疏干后丰水期内主要接受补降水入渗和河流侧渗补给，计算公式为

式中：Q丰补为丰水期补给总量，万m3/a;Q丰降为丰水期降水入渗量，万m3;Q丰河为丰水期河流侧渗补给量，万m3;α为入渗系数，取区域经验值0.28;P丰为多年丰水期平均降水量，取912 mm;Fλ为接受入渗的含水层分布面积，取7.6 km2;L为河流长度，取7.2 km;K为渗透系数，取区域经验值120 m/d;I为地下水水力坡度，取1.2‰;M为含水层厚度，取6.5 m;T为补给时间，取153 d。可得，丰水期降水入渗量为194.1万m3，河流侧渗补给为275.0万m3，补给总量达469.1万m3，可得疏干后丰水期内含水层恢复程度较高，达80.2%，可有效避免因潛水位长时间无法恢复而产生的生态环境问题。

4.2.2 咸祥平原Ⅱ承压封存淡水体

根据宁波地区地层及水文地质条件，结合地面沉降和地下水位观测资料进行分析，区域Ⅱ承压封存淡水体水位降深控制在25 m以内时可有效避免产生淡水体萎缩及地面沉降等环境地质问题，水位降深为25～40 m时，地下淡水体应急开采会对地质环境产生一定影响，但影响程度可控[5，14]。因此，本次研究基于应急利用与保护兼顾的原则，确定淡水体最大开采水位降深为40 m，并以该限制条件下地下水可采资源量作为应急开采量。由于区内Ⅱ承压淡水体为封存型，处于相对封闭的含水构造，与外界水力联系弱，补给与排泄量均较小。因此，本次计算主要考虑弹性储存量，公式为

式中：Q开为限制条件下地下水可采资源量，万m3;μ′S为弹性释水系数，取8×10-4;S1为开采区内设定的平均水位降深，取40 m;F淡为淡水体分布面积，取9.4 km2。可得淡水体应急开采量为30.1万m3。按应急状态下居民基本生活日用水量人均至少80 L/d估算，如连续开采30 d，可供给最多约12.5万人的基本生活用水。

5 地下淡水库建设

5.1 建库思路

根据区域水文地质结构、水质特征及地方经济发展需求，通过在上游Ⅰ承压含水层补给区修建地表水回渗工程（渗井、渗渠等）、下游含水层古河道及两侧咸水区进行抽水用于水产养殖等（见图3），人为加快地下淡水补给，可使Ⅰ承压含水层咸淡水界线下移，形成地下淡水库（见图4）。

5.2 建库条件分析

（1）补给区与补给能力。补给区主要为Ⅰ承压含水层与沟谷孔隙潜水连接部位。区内沟谷较多，其中塘溪沟谷面积较大，浅部堆积物颗粒较粗、透水性强，入渗补给条件良好;同时，Ⅰ承压含水层古河道沿塘溪沟谷-咸祥平原方向展布，为良好的地下导水通道，有利于人工开采条件下补给水源在给定时期内补给地下水库。

（2）补给水源。主要包括大气降水、地表水库水及地表径流等，水质均较好。其中，区域大气降水多年平均降雨量达1 453 mm，呈面状补给;流域内具地表水库十余座，汛期出于防洪等需要，通常向下游弃水，具有较好的人工调蓄功能;区内地表径流与地下水呈互补互排，丰水期可有效补给地下水。塘溪沟谷区作为主要补给区，其大气降水入渗补给量为

式中：Q降为大气降水补给量，万m3/a;α为入渗系数，取区域经验值0.28;P为多年丰水期平均降水量，取1 453 mm;Fλ为含水层分布面积，取7.6 km2。可得大气降水入渗补给量为309.2万m3/a。同时，塘溪沟谷上游梅溪水库多年平均入库径流量3 714万m3，总库容2 656万m3，主要用于城镇生活供水，年供水量约1 400万m3/a，经分析梅溪水库蒸发、渗漏及供水量等，其可提供地下水库回灌量约800万m3/a。此外，塘溪沟谷地表径流与地下水呈互补互排，主要于丰水期补给地下水，根据前文计算，丰水期塘溪沟谷河流侧向渗漏补给量约275万m3，可得塘溪沟谷补给量较大，达1 384.2万m3/a。

（3）取水条件。区内咸祥平原Ⅰ承压含水层富水性总体良好，单井涌水量普遍大于500 m3/d，其中沿古河道单井涌水量可达1 000 m3/d以上，取水条件良好。

（4）储水空间估算。咸祥平原位于流域下游，总体两面环山、一面临海，构成流域承压含水系统良好的天然边界;同时Ⅰ承压含水层顶底部均为连续的黏性土隔水层，因此以咸祥平原范围Ⅰ承压含水层储水空间作为地下淡水库总库容，计算公式为

式中：V为总库容，万m3;V*为含水层体积，万m3;μ为含水层平均给水度，取μ=0.18;H为含水层平均厚度，取10 m;F为含水层分布面積，取49.2 km2。可得地下淡水库库容达0.89亿m3。根据地下水库分级标准（见表4）[15]，该地下水库为中型地下水库级别。

6 结论

（1）大嵩江流域内具有良好应急开采条件的地下淡水水源地主要有2处。其中塘溪沟谷潜水应急开采约束条件少，应急开采资源量达585.2万m3，具有较大的应急开采潜力;同时含水层恢复能力较强，可有效避免开采后潜水位长时间无法恢复产生生态环境问题。咸祥平原Ⅱ承压淡水体应急开采受淡水体范围缩小及地面沉降等环境地质问题制约，应急开采资源量相对较小，为30.1万m3。该评价结果为区域应急水源地勘查提供了依据。

（2）咸祥平原Ⅰ承压含水层储水空间大，同时补给能力、补给水源、取水等条件较好，具有良好的地下淡水库建库条件，其建设可实现区域水资源的人工调蓄，并可有效增加地下淡水资源量，提升区域应急供水能力。

（3）沟谷型、封存型地下淡水应急水源地与地下淡水库建设相结合的区域地下水应急供水模式，可在合理开发现存地下淡水资源的基础上，有效增加区域地下淡水资源量，优化地下水应急水源地建设，为宁波市应急安全供水保障体系建设提供参考。

参考文献：

[1] 马建华.西南地区近年特大干旱灾害的启示与对策[J].人民长江，2010，41（24）：7-12.

[2] 周晔，吴凤平，陈艳萍.水源地突发水污染公共安全事件应急预留水量需求估测[J].自然资源学报，2013，28（8）：1426-1437.

[3] 史正涛，刘新有.城市水安全与应急水源地建设：以昆明市为例[J].城市问题，2008（2）：24-28.

[4] 刘思秀，黎伟，朱晓曦.杭州市龙坞地下水应急水源地开发利用潜力评价[J].水资源保护，2013，29（5）：28-31.

[5] 吴炳华，周庆胜，潘小青，等.宁波市蛇蟠岛应急水源地建设与环境效应[J].水资源保护，2017，33（3）：38-41.

[6] 郑铣鑫，侯艳声，苑惠民，等.宁波市环境地质调查评价报告[R].杭州：浙江省地质环境监测院，2009.

[7] 雷静，张琳，邓宇杰，等.长江流域地下水资源开发利用与保护研究[J].人民长江，2012，43（3）：48-52.

[8] 刘红樱，杨国强，李云，等.宁波都市圈（南部）1：5万环境地质调查报告[R].南京：中国地质调查局南京地质调查中心，2018.

[9] 黄峰珍.浙江省穿山半岛（咸祥、三山）国防供水水文地质勘探报告[R].宁波：浙江省第六地质大队，1975.