三亚红塘湾应急地下水源地研究

2022-01-07张航飞余绍文符尤隆王晓林吴多誉符广卷

华南地质 2021年3期

张航飞，余绍文，符尤隆，王晓林，吴多誉，符广卷

（1.四川省地质矿产勘查开发局二零七地质队，四川乐山 614000；2.海南省地质调查院，海口 570206；3.海南省地质综合勘察院，海口 570206；4.中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉 430205；5.海南省海洋地质资源与环境重点实验室，海口 570206）

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增加，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[1]。地下水作为极为宝贵的资源，是人类生活饮用水和工农业用水的最后保证[2]，而建立城市应急地下水源地，有利于提高应对水资源危机事件的供水保障能力[3]。自1980年以来，三亚地区基本每10年出现一次较严重的干旱情况。据海南省水资源公报，2015年海南省总供水量45.84亿立方米，其中地表水源供水量42.95亿立方米，占总供水量的93.7%。在现有供水模式下，季节性干旱、突发事件引起的供水紧张是三亚乃至海南长期面临的问题[4]。三亚市目前尚未建立地下水应急供水系统，供水安全保障程度低，积极查找地下水应急供水水源地，建立和不断完善应急供水系统已迫在眉睫[5]。

红塘湾机场是三亚市正在修建的海上机场，位于红塘湾近海域，距离岸边约4公里，距离市中心约35公里，是“一带一路”倡议实施的国家重点工程[6]，规划建成的三亚海上新机场将成为东盟乃至亚太地区的区域性国际枢纽航空港。

目前，三亚市地下水以分散开采为主，但各地区富水性差别较大，除了滨海堆积平原、冲洪积平原地区相对丰富外，其它地区含水岩组富水性总体较为贫乏；特别是块状基岩分布区，地下水分布不均匀，无集中供水意义，只能作为农村居民及小型农业企业的分散供水。据三亚地区环境地质综合调查资料成果，发现红塘湾一带新近系松散-半固结岩类孔隙承压水的富水性为中等，可进一步开发成为应急供水地下水源地。

近年来，应急水源地的研究主要集中在应急水源地的选址、保护、应急供水模式等方面[7]。已开采水源地的评价方法主要有补偿疏干法、相关外推法、降落漏斗法和数值法等[8-14]，而对未开发富水地段则主要进行允许开采量及应急最大可开采量的评价，以应急时限的最大可采量作为应急供水量，评价方法主要有比拟法评价、开采模数比拟法、降水入渗系数比拟法及补给面积比拟法等[15]。三亚地区尚属应急地下水源地论证评价和开采利用空白区，本文从水质、应急开采时限、环境危害、应急地下水可采资源量等方面对红塘湾应急地下水源地开展评价，将对保障三亚红塘湾海上新机场供水安全和应对区内季节性干旱起到很好的支撑作用。

1 研究区水文地质条件概况

研究区位于三亚红塘湾沿海一带，面积约4.5 km2，东与天涯镇相连，西至文昌村、示恶村，南侧为三亚新建海上机场（图1）。区内为一新近系承压水小盆地，主要赋存的地下水类型包括上部的第四系松散岩类孔隙潜水、中部的松散-半固结岩类孔隙承压水和下部的块状基岩裂隙水。本次选取的应急地下水源地论证对象为松散-半固结岩类孔隙承压水，是水源地主要开采对象。

图1 红塘湾应急地下水源地水文地质略图及A-A′水文地质剖面图Fig.1 Hydrogeological sketch map of emergency groundwater field and A-A’ hydrogeological section in the Hongtang Bay

第四系松散岩类孔隙潜水分布于整个研究区地表，含水层厚0.6~4.57 m，随水位埋深由北往南厚度增大，水位埋深2.65~4.28 m；含水层岩性主要为细砂和中砂，较为松散，民井涌水量20~56 m3/d，水量贫乏。

松散-半固结岩类孔隙承压水分布于整个红塘湾承压水盆地，顶板埋深约19.75~60.15 m，含水层厚度2.07~44.8 m，含水层岩性为含黏土砾砂、含砾黏土质砂、中粗砂、碎石土等。含水层富水性存在一定差异，北部含水层富水性中等，涌水量为79~158 m3/d；南部至海边，含水层富水性中等-好，涌水量360~453 m3/d。

块状基岩裂隙水分布于研究区松散-半固结岩类孔隙承压含水层之下，顶板埋深85.6~114.0 m且有向海边逐渐增大的趋势，水量贫乏。

第四系松散岩类孔隙潜水主要接受大气降水入渗补给，次为水库河流等地表水体入渗、灌溉沟渠渗漏以及盆地边外部地下水流的侧向渗流补给。松散-半固结岩类孔隙承压水主要接收上部潜水越流补给，潜水与承压水间的隔水层薄，隔水层岩性为粉质黏土、含砾粉质黏土、黏土质砂等，潜水位相对高于承压水位，在水头差作用下，越流补给承压水。在盆地边缘地带，基岩裂隙水以侧渗方式补给承压水。承压水向南往海里径流排泄及向下层基岩裂隙水和上层松散岩类孔隙潜水越流排泄；另外，人工开采是区内承压水重要的排泄方式之一。

2 论证方法

研究区应急地下水源地论证方法总体上按以下顺序进行：

（1）水质评价：评价水源地及周边地下水水质是否适合作为集中供水水源。地下水质量评价标准采用《地下水水质标准》（DZ/T0290-2015）[16]。评价方法采用单项指标评价，不同地下水水质类别的指标限制相同时，从优不同劣，单项指标评价的结果按最高类别确定[17]。

（2）地下水资源量计算：包括天然补给资源量和可采资源量的计算。采用断面流量法计算天然补给资源量；根据区内孔隙承压水导水性不同分两个区，采用布井法计算可采资源量[15]。

（3）论证应急开采控制降深：根据水源地水文地质钻孔抽水资料，确定应急可采降深；论证可采降深是否能保证出水量及不诱发环境地质问题。

（4）确定应急开采时限：红塘湾应急地下水源地主要服务于季节性干旱期以及突发事件期红塘湾新建机场应急供水，根据季节性干旱持续时间设定水源地应急开采时限[18]。

（5）应急水源地保障程度分析：分析不同应急等级时，水源地在应急期内可满足供水人数。

3 论证结果

3.1 水质评价

根据钻孔及民井采集水质样品分析结果，水源地及周边地区的松散-半固结岩类孔隙承压水水质质量为Ⅴ级，超标组分为铁、锰及微生物指标。其中钻孔SK1的5类超标项目有总Fe含量为4 mg/L、总大肠菌群230个/L，4类超标项目有总Mn含量为0.21 mg/L、细菌总数520个/L；钻孔SK2的5类超标项目有总Fe含量为6 mg/L，4类超标项目有总Mn含量为0.14 mg/L。盆地边界外承压含水层水样有总铁超标（总Fe含量为2.5 mg/L），或指示水源地盆地内总铁一部分来源于边界外（随地下水流入）。同时，第四系松散岩类孔隙潜水水质质量为Ⅲ级，适合用于集中式生活饮用水及工业用水，因此潜水含水层越流补给承压含水层不会引起水质污染。目前市场水质除铁、锰装备齐全，效果较好[19]，故该水源地的地下水经过除铁、锰和煮开后，可作为集中式生活饮用水水源。

3.2 水文地质参数

研究区承压水井抽水试验为单孔稳定流抽水。考虑到抽水井井损较大，利用抽水井1~3次降深数据，对井损进行计算（表1）。经钻孔抽水试验数据计算[20]，松散-半固结岩类孔隙承压水含水层渗透系数K介于0.42~5.30 m/d。导水性中等区分布于水源地南部，导水系数52.93~68.86 m2/d，平均值T=62 m2/d；导水性弱区分布于水源地北部，导水系数10.50~20.52 m2/d，平均值T=15 m2/d（图2）。计算可得，研究区的越流因数B=76.9 m，贮水系数S=0.0081（表1）。

表1 红塘湾应急地下水源地钻孔抽水试验成果表Table 1 Results of borehole pumping test of emergency groundwater field

3.3 天然补给资源量

水源地目的开采层为新近系松散-半固结岩类孔隙承压水，天然补给资源量采用断面流量法计算[21]，得出红塘湾应急水源地天然补给资源量为2739 m3/d（图2 和表2）。

表2 红塘湾应急地下水源地天然补给资源量断面法计算结果表Table 2 Calculation results of groundwater natural resources by the cross section method

3.4 可采资源量

3.4.1 水文地质计算模型概化

根据研究区内孔隙承压含水层导水性不同分两个区进行计算。

①边界条件：承压水分布范围及南侧海岸线构成边界。

②含水层：假定为均质各向同性，越流因子B=76.9 m，贮水系数S＝0.0081；水源地北部弱导水性区T1=15 m2/d；水源地南部导水性中等区T2=62 m2/d（图2）。

图2 红塘湾地下水源地导水系数分区及布井位置Fig.2 Division zone of transmissibility coefficient and well location of the groundwater field

③水头控制条件：南部边界承压水头值高于海平面，设定群井抽水不能造成海岸线处地下水位明显下降，从而引发环境地质问题。

④可采控制降深：区内钻孔抽水试验水位降深5.6~10.91 m，区内水位埋深2.06~12.58 m，含水层顶板埋深19.75~60.15 m（表3）。设定可采控制降深在含水层顶板以上，同时考虑井损影响和群井抽水降落漏斗范围不影响到海岸线附近，计算可得可采控制降深10 m（表3）。

表3 红塘湾应急水源地水文地质钻孔涌水量表Table 3 Calculation results of water inflow based on hydrogeological borehole data

⑤计算对象：研究区基岩裂隙水和松散岩类孔隙潜水水量较贫乏，现阶段不建议开采，故本次仅考虑松散-半固结岩类孔隙承压水的可采资源量，同时承压含水层可采资源量计算是基于潜水含水层越流补给的条件下。

3.4.2 研究区可采资源量采用布井法计算

由于导水性弱区和中等区的富水性差别大，分别计算两个区块的开采量再相加（图2）。导水性弱区单孔涌水量79~158 m3/d，统一200 mm口径和10 m降深后涌水量为151 ~ 170 m3/d，说明导水性弱区设计单井开采量取150 m3/d是有保证的；导水性中等区单孔涌水量360 ~ 453 m3/d，统一200 mm口径和10 m降深后涌水量615 ~ 1015 m3/d。由于导水性中等区南临海岸线，考虑其抽水量过大可能会引起海水的回灌[24]，故导水性中等区设计单井开采量取500 m3/d是有保证的（表3）。

根据越流系统井函数计算不同条件下的降深[23]，计算公式为：

将水源地新近系松散-半固结岩类孔隙承压水T、B代入式中，分别试算出导水性弱区和中等区单井开采量150 m3/d、500 m3/d，不同距离处的降深值（表4）。

根据试算结果（表4），在考虑越流影响的情况下，当导水性弱区单井开采量为150 m3/d时，其在距离600 m、300 m和200 m处引起的降深分别约0.0003 m、0.0199 m 和0.0882 m，基本可以忽略其影响；在开采井中心引起的降深约10.77 m，根据井损计算公式可得井损降深最大值约4 m[25]，实际最大降深14.77 m。当导水性中等区单井开采量500 m3/d时，其在距离600 m和300 m处引起的降深分别约0.0003 m和0.016 m，基本可以忽略其影响；在开采井中心引起的降深约8.68 m，井损降深最大值约0.9 m，实际最大降深9.58 m。考虑井群干扰的条件下对开采降深进行预测，降深中心在第1行第3列开采井处，开采井中心最大降深在14.77 m左右，区内水位埋深9.17~12.58 m，含水层顶板埋深19.75~28.12 m，大部分地区开采井中心的承压水位低于承压含水层的顶板埋深，或导致含水层顶板破坏。调整导水性弱区单井开采量至80 m3/d（表4），开采井中心最大降深约为6.88 m，开采井中心的承压水位均低于承压含水层的顶板埋深，地下水开采后不会形成区域降落漏斗，仅在开采井附近形成小的降落漏斗；降深中心在第2行第5列开采井处，开采井中心最大降深约9.58 m，区内水位埋深2.06~11.50 m，含水层顶板埋深24.36~60.15 m（表3），地下水开采后井中心承压水位高于承压含水层的顶板埋深，抽水后不会形成区域降落漏斗；群井抽水引起海岸线承压含水层降深值S＜0.0161+0.0003×6+0.0199+0.0003×4＝ 0.039 m，降深值可以忽略不计。海岸线一带承压含水层顶板埋藏较深，隔水层厚度大，潜水补给量极小，地下水开采不会对海岸线附近潜水含水层造成影响，也不会造成海水倒灌。局部地区开采后井中心承压水位（SK2-0.83 m）降至海平面以下，但由于布井点离海岸线距离大于500 m，承压水含水层顶板黏土层较厚（图1），潜水越流补给量相对较小，对潜水水位影响不大，同样不会引起海水入侵；井间距为600 m，在群井抽水时，开采井干扰引起的水位降深值小于0.01 m，可忽略不计，不存在水量折减。

表4 红塘湾应急地下水源地承压水不同开采条件下降深试算表Table 4 Drawdown trial calculating of confined water under diあerent mining conditions

红塘湾应急地下水源地若采用集中布井方式长期开采地下水[26]，在一定范围内容易形成降深较大的降落漏斗，引发环境地质问题；且由于开采井之间距离较近，水量消减作用也较大[27]。因此，水源地宜采用网格布井方式，井径200 mm。红塘湾应急地下水源地共可布两排井，水源地导水性弱区布一排，井间距600 m，鉴于抽水降落漏斗不影响到盆地北界线，盆地边界200 m范围内不布井，共布井个数5口。导水性中等区可布一排，井间距600 m，鉴于抽水降落漏斗不影响到海岸线，故海岸线300 m范围内不布井，共布井个数7口。以上共计可布12口井，两排井间距350 m（图2）。

上述布井方案的群井抽水不会形成区域降落漏斗及引发海水倒灌，计算得到研究区新近系松散-半固结岩类孔隙承压水应急开采量Q=80×5+500×7 ＝ 3900 m3/d。

4 讨论

4.1 应急保障程度分析

海南岛旱季一般为11月至翌年4月，旱期一般不超过半年[28]；突发事件引发的断水一般不超过1个月。据此，根据季节性干旱持续时间以及可采资源量计算结果，将本水源地应急开采时限设定为3个月。在应急期内总地下水资源可开采量约3.51×105m3，能保证红塘湾新建机场约5.2万人3个月的应急供水需要；在海岸线一带引起的水位降深小于0.039 m，不会引起环境地质问题（表5）。

表5 红塘湾应急地下水源地应急保障人数计算表Table 5 The people number of emergency guarantee for the emergency groundwater field

红塘湾应急地下水源地天然补给资源量为2739 m3/d，应急开采量为3900 m3/d，超采量1161 m3/d，在3个月应急期内总超采量1.05×105m3。根据研究区面积和贮水系数结果计算可知，当地下水总体下降2.9 m，释放的储存量为1.06×105m3即可满足开采需要。若不考虑天然补给资源量，也不考虑应急开采期内越流补给与弱透水层的弹性释水，开采量主要消耗储存量，则总体下降9.7 m，释放的储存量为3.54×105m3即可满足开采需要。当地下水停采后最多5个月可恢复至开采前的水位，故计算得到的可采资源量是有保证的。

4.2 开发利用与保护对策

将红塘湾应急地下水源地作为红塘湾海上新建机场后备取水点，既方便取水、节约成本，又能起到应急效果；同时，红塘湾应急地下水源地含水层结构变化不大、埋深较浅。在勘探阶段，水源地仅需选取有代表性的2-3个区段，开展长期群孔干扰抽水，并同步监测边界处的水位、水质变化情况，以论证资源量和预测地下水环境变化。预计水源地勘探井、开采井多为100 m浅井，投入的勘探、施工成本低。为取得较好单井出水量，红塘湾应急地下水源地开采井管直径不应小于200 mm，开采井用管材应具有一定的防腐性；开采井在正常使用一段时间后，不可避免地会有砂层在井内沉淀或堵塞滤水管的情况[29]，因此选择的井管要耐用而且便于后期维护。建议开采井套管选用高防腐性、高强度的涂塑管，滤管选用双层预填砾管，外层为镀锌绕丝管，内层为镀锌桥式滤管，中间预填充好相应规格的砾料。

如上所述，为防止海水和其它污染物的入侵，水源地地下水开采应避免在局部范围形成降落漏斗，故推荐采用均匀排井的方式进行开采，井间距建议600 m，距离海岸线安全距离不小于300 m，最大应急开采时限3-6个月。建议开采井控制降深为10 m，紧急情况下可降至含水层底板以获得最大出水量，但在水源地勘探阶段应充分考虑其影响，并提出应对措施。水源地建成后，在有可能引发环境地质问题的地段布置监测井，进行水位、水质数据的实时采集，并建立预警联动机制；一旦相关指标逼近警戒值并有持续上升的趋势，应立即暂停开采，甚至关闭部分取水井，以避免引发水源地污染[9]。