长春市伊通河河谷地下水应急水源地开发利用潜力分析

朱彤，朱旭，朱时佳，李文俊，孙艳玲，于畅

1.吉林省地质调查院，吉林 长春 130102；2.四平市圣博建筑有限公司，吉林 四平 136000；3.中国地质调查局牡丹江自然资源综合调查中心，黑龙江 牡丹江 157021；4.吉林省地震局吉林地震台，吉林 长春 130117

0 引言

随着吉林省长春市的城市化建设进程的快速发展和经济水平的高速增长，水资源已经逐渐成为了城市可持续发展的重要基础和战略性资源。目前长春市中心城区的地下水资源较丰富，地下水多年平均资源量为1.32×108m3，可开采资源1.05×108m3，但地下水的丰富程度在吉林省仍处于中等偏下水平。长春市的地下水资源质量状况总体较好，但地下水开发利用所引发的环境地质灾害问题以及生态环境的恶化现象仍然存在，地下水位不断下降，水污染事故时有发生，所以寻找地下水应急水源地就变得尤为重要。

长春市伊通河河谷位于山前冲洪积平原，三面环山，汇水面积较大。经过多回次沉积，砂砾石层厚度可达25～50 m，为地下水的运移和储存提供了通道和空间。伊通河河谷具备以下优势：地下水资源量大，地下水的补给、径流、排泄运移条件好，地下水更新速度快，地质环境良好，距离长春市中心城区近等，可以作为应急地下水源地的基本条件。

1 伊通河河谷水文地质概况

伊通河河谷水源地位于长春市郊区南部、伊通县北部，伊通县乐山镇杨家、倪家、前辛村等村屯。地理坐标为东经125°14′～125°22′，北纬43°26′～43°34′。面积79.49 km2。水源地位置见图1。

图1 长春市伊通河河谷地下水应急水源地位置示意图

伊通河谷应急水源地位于伊—舒盆地西支断裂带。伊—舒盆地西支断裂处于丘陵和盆地的接触带沿北东50°方向展布，航片显示有明显陡坎[1]。断层带倾向北西，倾角70°左右，内有糜棱岩和断层泥。该断层使志留系片理化晶屑凝灰岩逆掩到新近系地层之上[2]，为压性或压扭性。

伊—舒盆地新构造运动的主要特点以继承性、间歇性和差异性为主。差异性表现在东南部相对上升，形成低山丘陵地貌，西北部伊舒盆地相对下降形成厚度大于400 m的新近系湖相堆积物，第四系沉积厚度达50 m，而中部河谷平原第四系沉积厚度25 m。继承性表现在伊舒断裂的多次反复活动，沉积了较厚的新近系及第四系地层。间歇性体现在第四系和新近系不整合接触，出现沉积间断和河谷两侧侵蚀和堆积相应形成的一、二级阶地及台地。

多级构造造就伊通河汇水谷地。受新生代坳陷和两侧新生代隆起控制，地形东西高，中间低，南高北低。地貌上由低向高形成明显的三个阶段，即河谷平原、黄土台地、低山丘陵。在这三个地貌单元上，由于含水介质及埋藏条件的差异，分别形成了不同类型的地下水，即地势低平的河谷平原形成的孔隙潜水，地势较高的台地形成的微承压水，地势更高的丘陵区形成的风化裂隙水或孔隙裂隙水。三种类型的地下水互相联系，构成一个统一的径流系统。即由地势较高的丘陵区流向台地，再由台地向河谷中运移，成为一个地下汇水谷地。由此，可确定伊通河流域河谷平原孔隙潜水为地下水应急水源地。

2 应急水源地供水量评价分析

伊通河河谷浅层地下水分布规律受地貌单元控制。由于含水层的岩性、厚度、埋藏条件及径流条件的差异，含水层的富水性、导水性的不同。故可依据含水层厚度、导水性、富水条件划分为两个区，即河谷平原砂砾石、卵砾石层孔隙水潜水富水区及黄土台地微承压水富水、贫水区。

浅层水的补给、径流和排泄是地下水形成的控制因素，受地形地貌、地质结构和人为因素的控制。补给主要包括大气降水补给、农田灌溉回渗补给和地下径流补给；排泄以蒸发、人工开采、泄流为主。水位埋深在1.30～9.44 m之间，平均水位埋深4.65 m。

通过王家哨、前辛屯、霍家店三眼试验井进一步验证了伊通河河谷水源地含水层结构、出水量、影响半径等。查明第四系厚度18～23.3 m，静水位2.72～7.92 m，含水层厚度14.73～17.18 m，降深3～8 m，单井涌水量720～1 741 m3/d。见表1。

表1 伊通河河谷水源地试验井参数一览表

3 应急地下水资源量分析与计算

应急地下水资源量分析，主要包括地下水的天然补给量、储存量、应急供水需求量、可开采量及开采时间等。依据长春市以往工作成果以及地质背景条件，潜水动用储存量不宜超过潜水含水层厚度的一半。

3.1 天然补给量

天然补给量计算包括降水入渗补给量、灌溉回渗量和侧向补给量。在前人工作成果基础上，利用已获取新的近十年大气降水资料对资源量进行重新计算，长春市近十年平均降水量656.09 mm，降水入渗系数河谷0.17，台地0.15。台地面积42.71 km2，河谷面积36.78 km2。灌溉水回渗系数0.33，灌溉定额7 500 m3/hm2·a。

降水入渗补给量为0.083×108m3/a，计算结果见表2。灌溉回渗量为0.091×108m3/a，计算结果见表3。侧向补给量为0.417 5×108m3/a，计算结果见表4。天然补给量为0.5915×108m3/a，计算结果见表5。

表2 应急水源地降水入渗补给量计算成果表

表3 应急水源地灌溉回渗量计算成果表

表4 应急水源地侧向径流补给量计算成果表

表5 应急水源地天然资源计算成果表

降水入渗补给量计算公式：

Q降=F·X·α·103

式中：Q降为降水入渗补给量，×108m3/a；F为计算单元面积，m2；X为降水量；α为降水入渗补给系数。

灌溉水回渗量计算公式：

Q回=β·Q引·F

式中：Q回为灌溉水回渗量；β为回渗系数，多采用当地水利部门实测或计算数据；Q引为灌溉定额引水量；F为灌片面积，hm2[3]。

侧向径流补给量计算公式：

Q侧=Ti·Ii·Bi·t

式中：Q侧为侧向径流补给量，m3/a；Ti为第i补给断面的导水系数，m2/d；Ii为第i补给断面的水力坡度；Bi为第i补给断面的补给断面宽度，m；t为补给时间，d[3-4]。

3.2 可动用的极限储存量计算

计算公式：

W=μF×M

式中：W为储存量，×104m3/a；μ为含水层给水度；F为计算区面积，km2；M为含水层厚度，m[3]。

计算结果见表6。

表6 应急水源地储存量计算成果表

在开采条件下，极限可动用储存量等于开采条件下储存量减去不可动用储存量。极限可动用储存量1.145 5×108m3。

3.3 应急开采量

根据伊通河水源地富水性以及含水层厚度，采用稳定流干扰平均布井法计算开采量，水量消减系数参考前人成果[5]，按照富水性划分计算区段，采用降深5 m或含水层厚度的一半，单井平均涌水量及合理井距计算开采量[5]。

计算公式：

Q开=Q单·ai·n·T

式中：Q开为开采量，m3/d；Q单为单井涌水量，m3/d；ai为水量消减系数；n为布井数；T为开采时间，d。

计算结果见表7。

表7 应急水源地日供水能力计算成果

3.4 应急开采及供水能力分析

伊通河应急水源地应急供水能力18.26×104m3/d，可满足生活用水量：拘谨型211.8万人，节约型167.6万人，一般型132.8万人。30天应急开采量占储存量4.8%，60 d应急开采量占储存量9.6%，90 d应急开采量占储存量14.4%，120 d应急开采量占储存量19.2%，150 d应急开采量占储存量25%。计算结果见表8，表9。

表8 应急水源地地下水可利用的储存量计算结果

表9 应急水源地供需水能力分析表

4 应急水源地水质评价

为了了解伊通河河谷水源地水质是否变化，能否满足饮用水标准，本次工作收集2018年水源地样品9件，同时与1986年、2012年已有水源地勘察资料进行了对比分析，见伊通河河谷水源地不同年代主要水质实测值对比表(表10)。

表10 伊通水源地不同年代主要水质实测值对比表

水质分析项目指标绝大部分满足地下水质量标准(GB/T 14848)Ⅲ类水以上标准，其中满足Ⅲ类水样品3个，占33.3%；满足Ⅳ类水样品2个，占22.2%；Ⅴ类水样品4个，占44.4%；Ⅳ、Ⅴ类水主要界定组分为硝酸盐、氨氮、铁、锰超标，其中硝酸盐超标点数1个，占11%，超标2.2倍；氨氮超标点数3个，占33%，超标1.1～1.7倍；铁超标点数5个，占56%，超标1.1～42.6倍；锰超标点数6个，占67%，超标2.2～17.5倍。

如果不考虑铁、锰原生组分指标，那么主要污染物仅为硝酸盐、氨氮，则满足Ⅲ类水样品5个，占55.6%；满足Ⅳ类水样品3个，占33.3%；满足Ⅴ类水样品1个，占11.1%。

地下水水质随着水文、气象和不断变化的人文环境而变化，尤其是本水源地位于河谷，农业化程度较高，因此，水源地水质主要超标项目种类和超标含量上均出现明显变化，1986年超标项目有Fe、NH4和高锰酸盐指数，其中超标含量幅度Fe和高锰酸盐指数较高，分别超标1.2～10.66倍，1.0～7.0倍；2012年超标项目除以上项目外，出现NO3和pH含量略超标，分别为1.46倍、1.13倍，呈点状污染；Fe含量超标率较大，占取样点总数的85.71%，超标1.03～40.53倍，呈面状污染，超标倍数比1986年增加4倍；2018年超标项目基本与1986、2012年相同，Fe与1986年大体相同，超标倍数略有增加；NH4与1986年相比大幅下降，其他项目含量变化不大。水化学类型变化较大，由简单的重碳酸钙型水和重碳酸钙钠型水，变化到较复杂多元素组合的重碳酸钙型水，重碳酸氯化物钙型水、重碳酸钙镁型水、重碳酸硫酸钙镁型水、硝酸氯化物钙镁型水。

水源地水质在不同年代变化幅度较大的元素是Fe和NO3。前者由于受原生地质环境影响，污染物含量逐步升高；后者多呈点状污染，是由于局部受农业或生活严重污染，造成污染物含量明显升高，面积不断扩大，从而导致水化学类型由简单类型水发展到多元素组合的复杂类型水。

综上所述，受原生地质环境影响，水源地铁、锰含量逐步升高；由于第四系地层亚黏土厚度较薄，防污性能较差，受农业化肥的使用影响，氨氮含量明显升高；局部受生活环境影响，硝酸盐污染物含量明显升高，面积不断扩大，从而导致地下水化学类型复杂化。

高铁锰地下水经处理后，能够满足饮用水要求；氨氮随着地下水应急水源地保护区的划定，将限制使用化肥、农药，氨氮组分浓度随着水文、气象等自然因素作用将逐步降低；硝酸盐超标组分需改善周边环境，消除污染因素，水质即可转变。因此，该处水源地在水质达标前不能作为应急水源，经处理达到饮用水质标准后可作为应急水源。

5 应急开采引发生态环境地质问题分析

伊通河河谷应急水源地开采目的层为第四系松散岩类孔隙水，含水层为中粗砂，厚度10～25 m，上覆亚黏土厚度5～10 m。应急开采仅动用含水层储存量的一半，不会引发生态环境地质问题。即便应急持续开采一段时间，造成水位进一步下降，附近无污染企业和污染源，不会造成水质污染，下降的水位次年易恢复，不会引发生态环境问题。水源地远离城区，无高大建筑物，零星分布村屯及大面积农田。应急开采井施工工艺简单，建设强度小，场地破坏面积小，且施工后场地易恢复，应急水源地建设不会引发生态环境地质问题。

6 结论

伊通河河谷应急水源地具有较大的储水空间和较为充足的补给水源，地下水储存量能够有效满足短期集中供水的需求。水质在城市遭遇供水危机时，采取可行的处理措施和方法可满足对饮用水水质的需求。在应急时段能够做到及时并尽可能长的为目标区供水[6]。因具有较高的安全性，抗干扰能力强，环境地质问题较少且能够满足水量、水质及开采条件的要求，故可确定为地下水应急源地。建议尽快建立水源保护区，改善水质，保护水源。