吳慶華，汪 嘯，崔皓東，范 越，張 偉，王金龍，肖 利

(長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

由于人類活動加劇及極端干旱氣候發(fā)生頻率呈現(xiàn)上升趨勢[1]，以地表水為主的供水體系正在遭受嚴(yán)重挑戰(zhàn)，水安全隱患突出。同時，地表水體因突發(fā)性污染事件發(fā)生時，可能無法滿足供水需求，將會嚴(yán)重影響社會運(yùn)行[2]。如1986年萊茵河污染事件，導(dǎo)致大量有毒物質(zhì)進(jìn)入河流，使下游瑞士、德國、法國的沿河自來水廠全部關(guān)閉[3]。在地下水資源相對豐富的地區(qū)，可儲備地下水資源，有效應(yīng)對城鎮(zhèn)突發(fā)事件。

美國自19世紀(jì)末開始了地下水儲存與回采技術(shù)(Aquifer Storage and Recovery，ASR)研究，截至目前已建設(shè)了204處地下水儲備地，并開展應(yīng)急利用，解決了城鎮(zhèn)應(yīng)急缺水問題，提高了地下水的調(diào)蓄能力。美國德克薩斯州在18 a內(nèi)利用ASR技術(shù)向地下含水層儲存地下水0.7×108m3。Jeong等[4]總結(jié)了ASR運(yùn)行過程中主要存在淤堵和水質(zhì)污染問題。Brown等[5]提出了含水層恢復(fù)指數(shù)、綜合參數(shù)和注水率共3個無量綱參數(shù)評價了ASR場地的適宜性。Owusu等[6]利用遙感和地理信息系統(tǒng)(Geography Information System，GIS)技術(shù)評價了ASR地下水儲備的可行性。為了減少地表水蒸發(fā)和抵御暴風(fēng)雨影響，在河床筑壩將地表水儲存于地下水含水層以應(yīng)對干旱等極端事件[7]。對地下水資源戰(zhàn)略儲備的研究，國內(nèi)還處于探索階段。吳愛民等[8]系統(tǒng)闡述了地下水資源的水安全重要性，提出了地下水戰(zhàn)略儲備在應(yīng)對突發(fā)性事件中的不可替代作用。曹佳[9]認(rèn)為上海市地表供水系統(tǒng)難以應(yīng)對極端缺水事件，可利用巨大的地下空間儲存戰(zhàn)略水資源。斯小君等[10]根據(jù)杭州市水文地質(zhì)條件確定了13個不同類型的地下水戰(zhàn)略儲備地。楊齊青等[11]從水文地質(zhì)條件、地下水開發(fā)利用情況與地下水采補(bǔ)平衡等角度，擬選了85處地下水戰(zhàn)略儲備區(qū)，可提供應(yīng)急供水量達(dá)786×104m3/d。藺文靜等[12]從地下水資源屬性、應(yīng)急供水屬性、水源地建設(shè)條件及環(huán)境影響等方面，建立了北方城市地下水應(yīng)急供水水源地評價指標(biāo)系統(tǒng)。劉金峰[13]從地下水儲量、水質(zhì)、應(yīng)急距離、抗環(huán)境干擾能力、地質(zhì)環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)等方面提出了地下水應(yīng)急供水儲備區(qū)選址原則。李志強(qiáng)等[14]從地下水調(diào)蓄角度，建議利用地下巨大空間，采用“以豐補(bǔ)欠”，應(yīng)對連續(xù)干旱、突發(fā)事件等事件。鄭凡東等[15]開展北京市西郊地區(qū)地下水戰(zhàn)略儲備關(guān)鍵技術(shù)研究，基于水文地質(zhì)條件，利用數(shù)值模型初步制定了地下水資源儲備及利用方案。

戴長雷等[16]提出了4種應(yīng)急供水方案，利用數(shù)字模型對每種應(yīng)急供水方案的可持續(xù)供水時間進(jìn)行了研究。馮創(chuàng)業(yè)和崔秋蘋[17]根據(jù)石家莊市含水層富水性與開采潛力，選擇正定南化、新樂曲都和新樂西五樓水源地為應(yīng)急儲備水源地，并對不同開采量條件下水源地自身供水安全以及對農(nóng)業(yè)用水產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析，提出了最優(yōu)應(yīng)急開采方案。張月萍等[18]圈定了上海市大型、中型地下水應(yīng)急水源地數(shù)量及空間布局，結(jié)合地下水環(huán)境容量評價成果制訂了應(yīng)急開采方案，并對各水源地應(yīng)急開采方案條件下可能引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題進(jìn)行了預(yù)測評估。鄒友琴等[19]根據(jù)水文地質(zhì)條件，選擇南昌市地下水極豐富的尤口、謝埠和桃花作為城市應(yīng)急供水水源，采用GIS軟件模擬日應(yīng)急量為69.3×104m3/d、應(yīng)急時間為3個月的情況，結(jié)果表明含水層的供水能力滿足應(yīng)急要求。楊林等[20]針對北海市可能遭遇突發(fā)事件且地表水無法滿足需求時的潛在供水危急，提出了可行的地下水應(yīng)急開采方案。楊國強(qiáng)等[21]從地下水賦存條件與合理開發(fā)角度，提出“溝谷型潛水”“封存型承壓水”與人工水庫相結(jié)合的方式，為寧波市地下水應(yīng)急利用提供了解決方案。

目前，對地下水戰(zhàn)略儲備與應(yīng)急利用的研究主要集中于地下水儲存及其可能帶來的水環(huán)境影響等方面，且在國際上有了較好應(yīng)用和推廣，但在國內(nèi)主要是針對北方水資源嚴(yán)重缺乏的地區(qū)嘗試性開展地下水資源戰(zhàn)略儲備，在地下水資源總量相對豐富的長江流域，尚未開展系統(tǒng)研究，特別是缺乏如何建立適宜于長江流域的地下水戰(zhàn)略儲備選址指標(biāo)體系；對地下水應(yīng)急利用更是少有報道，難以適應(yīng)長江經(jīng)濟(jì)帶日益增加的極端干旱與污染風(fēng)險需求，供水安全存在明顯短板。因此，本文針對長江中下游地下水相對豐富的地區(qū)，開展地下水戰(zhàn)略儲備選址評價指標(biāo)體系及應(yīng)急利用方案研究，為長江經(jīng)濟(jì)帶水資源供給安全提供技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)概況

本文以長江流域武漢市為研究區(qū)，開展地下水戰(zhàn)略儲備區(qū)評價及應(yīng)急利用研究。根據(jù)武漢市1∶50 000水文地質(zhì)圖，從含水層富水程度與分布初步圈定了Ⅰ—Ⅴ區(qū)5個地下水戰(zhàn)略儲備靶區(qū)(圖1)，分別用于東西湖、漢口、長江新城、武昌和青山等人口密集區(qū)應(yīng)急供水，占地面積分別為225.0、96.5、15.7、32.8、45.4 km2。

圖1 地下水資源戰(zhàn)略儲備與應(yīng)急利用擬選靶區(qū)Fig.1 Target regions of groundwater strategic reserve and emergency use

研究區(qū)位于江漢平原東部邊緣，地形地貌主要為剝蝕堆積平原和堆積平原，高程<200 m。屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，年均降雨量1 238 mm，主要集中于初夏梅雨季節(jié)，區(qū)內(nèi)分布長江、漢江和府河等河流，以及東湖、梁子湖等湖泊。區(qū)內(nèi)第四系孔隙潛水含水巖組主要分布于長江、漢江一級階地或河漫灘、心灘等，巖性為亞砂土、粉細(xì)砂及砂礫石等。含水巖組厚度1～8 m，水位埋深0.05～5.00 m，單井涌水量<100 m3/d，受大氣降水入滲補(bǔ)給，在臨江河和湖泊分布區(qū)地下水與地表水聯(lián)系密切；第四系孔隙承壓含水巖組分布于江河一、二級階地，巖性自下而上為砂(卵)石—中粗砂—粉細(xì)砂層，接受相鄰含水巖組的側(cè)向徑流補(bǔ)給以及上覆含水巖組的越流補(bǔ)給，近河傍江地段含水層頂板被切割時，與地表水發(fā)生水力聯(lián)系。

3 研究方法

利用層次分析法，建立地下水資源戰(zhàn)略儲備區(qū)選址指標(biāo)體系，以評價目標(biāo)區(qū)地下水資源戰(zhàn)略儲備的適宜性。從地下水儲備區(qū)供水能力、應(yīng)急利用影響、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境災(zāi)害影響等方面識別主要影響因子，采用專家打分法，確定各影響因子權(quán)重，并通過評價區(qū)各影響因子賦值計算各自得分，再分別乘以影響因子權(quán)重，獲得各影響因子得分，最后將全部影響因子得分相加，即為評價區(qū)地下水戰(zhàn)略儲備選址適宜性評價總得分。根據(jù)適宜性等級表確定地下水戰(zhàn)略儲備選址的適宜性評價結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，選擇適宜于地下水戰(zhàn)略儲備區(qū)，考慮應(yīng)急等級、應(yīng)急時間、應(yīng)急需水量等需求，利用數(shù)值模擬方法，開展地下水應(yīng)急利用方案優(yōu)化研究。

4 地下水戰(zhàn)略儲備區(qū)選址適宜性評價指標(biāo)體系

從地下水儲備區(qū)供水能力、應(yīng)急利用影響、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境災(zāi)害影響共4個方面識別16個主要影響因子，構(gòu)建了地下水資源戰(zhàn)略儲備選址適宜性評價體系[22]。經(jīng)專家打分，通過指標(biāo)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，確定地下水儲備區(qū)供水能力(B1)、地下水應(yīng)急利用能力(B2)、社會經(jīng)濟(jì)能力(B3)和環(huán)境災(zāi)害影響(B4)的權(quán)重分別為52.54%、30.09%、11.04%、6.34%。影響因素Ci(i=1，2，3，4，5)對地下水戰(zhàn)略儲備選址適宜性評價的權(quán)重為Ci對屬性層B1的權(quán)重與屬性層B1對目標(biāo)層A的權(quán)重之積，其他影響因素的綜合權(quán)重以此類推獲得，如圖2所示。

圖2 地下水資源戰(zhàn)略儲備選址影響因子權(quán)重Fig.2 Influence factor weights of suitability evaluation for groundwater strategic reserve

從圖2可知，含水層儲水能力所占權(quán)重最大(0.213 8)，其次為應(yīng)急供水時間(0.153 0)和地下水補(bǔ)給能力(0.129 5)。根據(jù)各影響因素取值與賦值情況[22]，賦值越高說明其對適宜性評價結(jié)果影響越大。根據(jù)擬評價區(qū)水文地質(zhì)等數(shù)據(jù)，分別獲得每一評價單元各個因子分值，構(gòu)建研究區(qū)各因子的評分值圖，再依據(jù)圖2各個因子的相對權(quán)重值進(jìn)行圖層疊加，最終形成各單元的地下水資源戰(zhàn)略儲備選址適宜性分區(qū)圖，其分級情況見表1。

表1 地下水資源戰(zhàn)略儲備選址適宜性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

5 地下水資源戰(zhàn)略儲備適宜性評價

表2為擬圈定的地下水戰(zhàn)略儲備靶區(qū)的16個影響因素賦值情況。采用所建立的指標(biāo)評價體系對5個靶區(qū)的地下水戰(zhàn)略選址適宜性進(jìn)行評價，其結(jié)果見表3，表明：地下水戰(zhàn)略儲備區(qū)的適宜性評價總得分介于7.13～7.94之間，均為適宜性較強(qiáng)。

表2 擬選靶區(qū)參數(shù)取值與賦值

表3 地下水資源戰(zhàn)略儲備適宜性評估結(jié)果

6 地下水戰(zhàn)略儲備區(qū)地下水應(yīng)急利用

6.1 應(yīng)急利用方案

地下水應(yīng)急利用應(yīng)符合應(yīng)急利用、生活用水優(yōu)先性、可超采性和應(yīng)急響應(yīng)等級化等原則。以III區(qū)為例，考慮特別重大突發(fā)事件(Ⅰ級)的極端情況(武政辦〔2014〕205號)，應(yīng)急供水量110×103m3/d，共需30眼井(圖3，單井供水量3 600 m3/d)。為了減少抽水井之間相互干擾，則抽水井之間的距離≥500 m。同時，抽水井與長江距離≥500 m，且遠(yuǎn)離居民房屋，抽水井平面布置如圖4所示。根據(jù)目標(biāo)供水區(qū)應(yīng)急缺水情況，開啟一定數(shù)量的抽水井以滿足供水要求。

圖3 示范區(qū)抽水井平面布置Fig.3 Layout of pumping wells in the demonstration area

地下水應(yīng)急利用方案如表4所示。為了簡化模擬方案，僅考慮應(yīng)急等級為Ⅱ級時(人口30萬，日需水量30×103m3/d，10眼井啟用)，通過Fefelow 7.0數(shù)值模擬軟件研究圖4中的4種抽水井布置方案、3個典型應(yīng)急時間(10、60、180 d)情況下的地下水動態(tài)，提出最優(yōu)開采方案。

表4 地下水應(yīng)急利用方案

6.2 應(yīng)急利用數(shù)值模擬

6.2.1 水文地質(zhì)概念模型

地面高程為25 m，河床高程5.0 m。0～52 m為粉細(xì)砂，52 m以下為礫巖。含水層為潛水含水層。評價區(qū)四周為長江，定水頭邊界。由于模擬長江遭受連續(xù)極端干旱條件(長江水位低于最低通航水位9.62 m)，假設(shè)長江水位高程為8.0 m(3.0 m深水，已不能作為地表水水源提取)。應(yīng)急取水初始時刻，地下水與江水位基本持平，高程為8.0 m。

圖4 4種不同抽水井布置方案Fig.4 Four plans of pumping wells distribution

6.2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)概化模型，取坐標(biāo)軸和含水層各向異性主滲流方向一致，建立地下水非穩(wěn)定滲流三維數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中：Kxx、Kyy、Kzz分別為沿x、y、z坐標(biāo)軸方向滲透系數(shù)(L/T)；H為水頭(L)；Ω為模型范圍；ε為源匯項(xiàng)(L3/T)；μ為潛水含水層給水度；t為時間(T)；H0為初始水頭(L)；Γ1已知水頭邊界。

6.2.3 數(shù)值模型

對水文地質(zhì)概念模型采用GridBuilder算法進(jìn)行離散。模型按評價區(qū)Ⅲ外輪廓實(shí)際尺寸進(jìn)行剖分，考慮到水位條件單一，且抽水井為完整井，將模型分為2層進(jìn)行數(shù)值模擬。平面上采用四邊形單元剖分，對抽水井區(qū)域進(jìn)行三角形加密剖分，形成混合單元，每層單元31 866個、節(jié)點(diǎn)22 212個(圖5)。

圖5 模型網(wǎng)格剖分Fig.5 Model grids

假設(shè)模型初始地下水位為江水位，即8.0 m。模型四周均為定水頭邊界，水頭值為8.0 m。模型中共有30眼完整井，單井抽水量3 600 m3/d，根據(jù)應(yīng)急利用方案啟動供水井。粉細(xì)砂滲透系數(shù)為24 m/d，給水度為0.25；礫巖滲透系數(shù)為8.64×10-8cm/s，給水度為0.027。

6.2.4 數(shù)值模擬結(jié)果

圖6為方案1—方案12不同應(yīng)急供水時間時地下水影響范圍。表5為應(yīng)急開采條件下地下水動態(tài)變化關(guān)鍵參數(shù)。從圖6可知，隨應(yīng)急時間增加、抽水間距減小，各抽水井水位下降幅度越大，各井形成的降落漏斗相互影響與疊加，加劇了區(qū)域地下水下降，可能會引發(fā)一定程度的地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問題。

圖6 方案1—方案12地下水影響范圍Fig.6 Affected scope of groundwater in scheme 1-scheme 12

分析上述結(jié)果可知：

(1)應(yīng)急時間為10 d時，各抽水井的降深及降深為1 m的范圍與最大降深均相同，表明應(yīng)急時間較短時，抽水井(間距≥500 m時)布置方案對評價區(qū)地下水動態(tài)影響較小。

(2)應(yīng)急時間為60 d時，方案2和方案11抽水井最大降深(7.18 m和7.06 m)、降深超過1.0 m的影響范圍(2.24 km2和2.29 km2)與恢復(fù)時間(150 d和150 d)明顯大于方案5和方案8，表明：應(yīng)急時間較長時，抽水井布置方案對評價區(qū)地下水影響顯著，抽水井間距越大，地下水下降幅度越小，且地下水下降幅度較大區(qū)域面積相對較小，但由于井間距大，地下水下降幅度較小的區(qū)域面積相對偏大。

(3)應(yīng)急時間為180 d時，方案3和方案12抽水井最大降深(8.00 m和8.37 m)、降深超過1.0 m的影響范圍(5.03 km2和4.62 km2)與恢復(fù)時間(>180 d)明顯大于方案6和方案9，表明：應(yīng)急時間較長時，抽水井布置方案對評價區(qū)地下水影響顯著，抽水井間距越大，地下水下降幅度越小，且降深影響較大的范圍較小，但降深較小的影響范圍較大。

表5 應(yīng)急開采條件下地下水動態(tài)變化關(guān)鍵參數(shù)

抽水井布置方案相同，抽水井最大降深、影響范圍與恢復(fù)時間均明顯隨應(yīng)急時間增加而增加，且抽水井布井方案(b)和(c)的隨時間增加的幅度明顯小于抽水井布井方案(a)和(d)。

綜上所述：應(yīng)急時間較短時，抽水井布井方案對地下水動態(tài)影響較小，而應(yīng)急時間較長時，抽水井布井方案對地下水動態(tài)影響較大；隨應(yīng)急時間的增加，抽水方案對地下水動態(tài)影響越顯著，但影響程度隨抽水井間距增加而減小。抽水井布置方案(b)和(c)最優(yōu)。

7 結(jié) 論

結(jié)合長江流域地下水資源分布特點(diǎn)，從地下水儲備區(qū)供水能力、應(yīng)急利用影響、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境災(zāi)害影響共4個方面識別了16個主要影響因子，統(tǒng)籌考慮地下水戰(zhàn)略儲備區(qū)選址的原則，采用層次分析法構(gòu)建了長江流域中下游地下水戰(zhàn)略儲備選址適宜性評價指標(biāo)體系。主要結(jié)論如下：

(1)采用了本文提出的地下水戰(zhàn)略儲備選址適宜性評價指標(biāo)體系，對武漢市5個典型區(qū)域進(jìn)行評價，結(jié)果表明所評價區(qū)域的地下水戰(zhàn)略儲備適宜性均為較強(qiáng)。

(2)從戰(zhàn)略地下水資源利用的應(yīng)急性、生活用水優(yōu)先性、可超采性和應(yīng)急等級等角度，采用數(shù)值模擬方法，對不同開采井布置方案和應(yīng)急時間開展地下水應(yīng)急利用方案分析，結(jié)果表明：應(yīng)急開采條件下，對地下水動態(tài)的影響程度隨應(yīng)急時間延長而增加，隨抽水井間距增加而減弱。

(3)采用層次分析法進(jìn)行地下水戰(zhàn)略儲備選址適宜性評價，是基于專家打分等主觀經(jīng)驗(yàn)判別的基礎(chǔ)上展開的，存在一定的主觀性?？蛇M(jìn)一步對比投影尋蹤、模糊優(yōu)選等方法的評價結(jié)果，優(yōu)化地下水戰(zhàn)略儲備選址適宜性評價結(jié)果。同時，本文研究結(jié)果，需通過具體實(shí)際工程應(yīng)用示范驗(yàn)證。