株洲市河西应急地下水源地研究

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(湖南省地质矿产勘查开发局四一六队，湖南 株洲 412003)

株洲是湖南第二大城市，其城市供水水源是湘江，湘江既是航运河道又是纳污河流。近些年由于枯季水量减少及水位下降等原因，湘江下游水资源紧缺问题已经凸现。以水资源紧张、水污染严重为特征的水危机严重制约着株洲市的社会经济可持续发展。由于突发性事件的不确定性，为应对各种因素影响下的应急供水，保障人民身心健康，维护社会稳定，在应急情况下提供健康水源。建立以地表水源为主，地下水源为备用的“复合型供水”体系，健全城市供水预警和应急机制，以防突发水污染事件[1-3]。利用地下水含水层的储藏和调蓄能力，为紧急状态下提供后备水源地和优质地下水资源，将有效提高株洲市的供水安全。本文从应急地下水源地特征、地下水资源量、地下水质量等方面探讨其应急供水的可行性，可为株洲市地下水应急水源地建设提供参考依据。

1 株洲水资源现状概况

1.1 城市供水现状

株洲市位于湖南省东部，湘江中下游，主城区常驻人口约130万人，全境皆属湘江水系，水资源丰富，水资源总量达572亿 m3/a，其中本境水资源94亿 m3/a，客境水资源497亿 m3/a。城市供水水源是湘江，已建有4座水厂，总供水能力已达100万 m3/d，目前四座水厂的生活用水管网已经互相联通，二、三水厂的沉淀水管亦衔接，整个株洲市给水管网已形成一个多环，相互连通的环状供水管网。为便于调解调度，主干管网末端均置高位调解清水池；各大用户(重点用户)均设有两条进厂输水主干管，具备双水源供水的需求。

1.2 城市供水存在的主要问题

1.2.1 供水水源单一、污染风险较高

目前株洲市四个水厂的取水口分布于主城区湘江河道，距离较近，而湘江功能较为复杂，承担着航运、承接排放等功能，一旦湘江上游突发水污染事件，必然对株洲市自来水供水安全带来巨大冲击，全市面临停水的风险。如2006年 1月，由于株洲市霞湾港清淤治理工程施工不当且未采取适当防范措施，造成湘江株洲霞湾港至长沙段发生严重水污染事故，导致湘潭、长沙两市水厂取水水源的水质受到不同程度污染。湘潭市环境监测站2006年1月5日的水质监测结果表明，株洲、湘潭交接断面马家河右岸镉超标25.6倍。

1.2.2 湘江水水质欠佳、水资源时空分布不均

湘江水质受有机物和重金属污染，近些年由于枯季水量减少及水位下降等原因，湘江下游水资源紧缺问题已经凸现，2003年、2007年、2008年枯水季节有较长时间主要依靠上游东江水库补给才能基本保证下游长、株、潭的人民生活及生产用水需求。以水资源紧张、水污染严重为特征的水危机严重制约着株洲市的社会经济可持续发展，在遭受极端气候或污染事件时，仍然需启动其它应急供水方案。

2 水文地质条件

2.1 区域水文地质

研究区出露地层为由老至新有出露泥盆系石炭系(C)、白垩系(K)及第四系(Q)等地层。其中石炭系下统梓门桥组(C1z)为生物碎屑灰岩、泥质灰岩、泥灰岩；樟树湾组(C1zs)为厚层状石英砂岩、含砾砂岩夹砂质、炭页岩质，石炭系中上统壶天群(CPH)为灰岩、白云岩；白垩系(K)为泥质粉砂岩、细砂岩、砂质泥岩夹绿色砾状砂岩，底部为灰质砾岩；第四系(Q)以冲洪积为主。

图1 株洲市河西地下水源地分布图

研究区在区域构造上为湘东新华夏系构造带和湘东华夏系构造带的组成部分。区内主要构造有株洲凹陷盆地、肥塘湾压扭性断裂(F61)、庙湾—罗家屋场断裂(F62)、董家冲—坝湾压扭性断裂(F66)、霞石—雷打石压扭性断裂(F68)。

区内地下水主要为碳酸盐岩裂隙溶洞水和碎屑岩孔隙裂隙溶洞水为主，其中碳酸盐岩裂隙岩溶水。据区域资料资料，泉流量可达61.467 L/s，单井涌水量809.0～2 358.7 m3/d含水丰富。碎屑岩孔隙裂隙溶洞水单井涌水量147.0～649.7 m3/d，含水中等。

2.2 研究区水文地质特征

研究区由泉水窟—罗正坝地下水源地及雷打石—坝湾地下水源地共同组成。两个水源地呈条带状分布于株洲市天元区南东一带，面积分别为89.64 km2和46.44 km2(图1)。

2.2.1 边界条件及含水岩组

泉水窟—罗正坝地下水源地北西及南东两侧分别以肥塘湾压扭性断裂(F61)、庙湾—罗家屋场断裂为界(F62)，断裂的东侧为白垩系上统罗镜滩组(K2lj)及戴家坪组(K2dj)泥灰岩段含水极贫乏岩层，西侧和北侧为戴家坪组(K2dj)砂砾岩含水贫乏岩层，为相对隔水边界(图2)；南部的北西侧为泥盆上统岳麓山组(D3yl)及石炭系下统尚保冲组(C1sb)和樟树湾组(C1zs)含水极贫乏岩层，东侧为白垩系砂砾岩段含水贫乏岩层，均为相对隔水层。

雷打石—坝湾地下水源地水源地南东侧的霞石—雷打石压扭性断裂(F68)以东为白垩系砂砾岩，ZK89抽水试验，降深28.07 m，涌水量仅0.259 m3/d[4-5]，是良好的隔水层，为南东侧隔水边界。北西侧董家冲—坝湾压扭性断裂(F66)以西的下降盘亦为白垩系砂砾岩、砂岩、泥质粉砂岩等隔水层，为地下水源地北西侧边界(图3)。北东侧地表为第四系冲洪积层，下伏石炭系中上统壶天群，属覆盖型碳酸盐岩类裂隙溶洞水，水量丰富，该地段构成地下水源地的排泄边界。

图2 泉塘冲-泉水窟水文地质剖面示意图

图3 坝湾-霞石水文地质剖面示意图

研究区碳酸盐岩裂隙溶洞水主要赋存于石炭系中上统壶天群(CPH)白云质灰岩、灰岩含水岩组中，为承压水。碎屑岩孔隙裂隙溶洞水赋存于白垩系上统罗镜滩组(K2lj)灰质砾岩含水层中，覆盖于碳酸盐岩裂隙溶洞含水层之上。

泉水窟—罗正坝地下水源地南部为覆盖型，北部为埋藏型，埋深大于200 m，南浅北深。泉水窟为代表性排泄上升泉，泉水流量最大为64.529 L/s，最小为18.767 L/s[4]。钻孔揭露溶洞及溶蚀裂隙发育深度达257 m，钻孔一般涌水量496.54～1 767.9 m3/d，ZK130钻孔抽水试验降2.72 m，涌水量达2 352.7 m3/d。

雷打石—坝湾地下水源地绝大部分为埋藏型，埋深50～200 m，由南往北逐渐变浅。区内壶天群白云质灰岩、灰岩岩溶发育，溶孔和溶蚀裂隙多见，溶孔多呈蜂窝状，钻孔遇溶洞及溶蚀裂隙发育深度达147.93 m。钻孔涌水量一般大于1 000.0 m3/d，ZK150钻孔抽水试验降深1.19 m，涌水量2 095.20 m3/d[4]。

2.2.2 地下水补径排特征

地下水补给来源为大气降水，大气降水沿断裂带入渗补给；受区域地形和湘江流向控制，南部的碳酸盐岩岩溶水沿着断裂破碎带和岩溶通道向北东方向运移。埋藏型碳酸盐岩裂隙溶洞水沿着岩溶管道或断裂破碎带，由南西向北东方向运移和向上覆碎屑岩裂隙溶洞水径流，如ZK150的水位较北东约2.16 km处的ZK146水位高出14.93 m。

研究区地下水主要以上升泉的形式排泄，多沿断裂带及其附近的低洼地段出露，如罗正坝的上升泉、泉水窟上升泉群、霞石上升泉、鞍子岭上升泉等，最大流量达64.529 L/s。

2.2.3 地下水动态变化特征

研究区SK701水位年变幅3.0 m[5]、SK703水位年变幅1.67 m、 SK704水位年变幅3.62 m、SK705水位年变幅5.30 m[5]，地下水水位变化受大气降水影响较为明显，雨季水位上升，枯水期水位下降。据前人长期观测资料，除ZK130水位变化不明显外，其余观测点均随季节变化明显。每年丰水期钻孔水位上升、流量增大，枯水季节则钻孔水位下降、泉流量减少；钻孔水位和泉流量变化均滞后于大气降水。据不同观测点的观测资料，从上游至下游有明显的增长趋势：ZK139位于补给径流区，滞后于大气降水7～25 d；ZK136在径流区，滞后于降水23～30 d；泉水窟上升泉群在排泄区，滞后于大气降水19～62 d。雷打石地区泉流量变化滞后于大气降水13～30 d。

2.2.4 地下水水化学特征

研究区地下水无色、无味，水化学类型为HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg型。pH值除泉水窟上升泉群为6.4外，其余pH值在7.05～7.81之间，属中偏碱性水，总硬度182.40～343.64 mg/L，属软—微硬水，矿化度220.7～372.91 mg/L。总体而言，研究区地下水有毒有害元素均未超出生活饮用水标准，是良好的饮用水。

3 地下水资源量计算分析

3.1 地下水资源量计算

3.1.1 补给量计算

综合研究区水文地质条件，按大气降水入渗法进行补给量计算：

式中：Qb为补给量(104m3/d)；α为大气降水入渗系数，取值0.148；A为大气降水量(mm/d)，取3.528；F为计算区面积(m2)。

经计算，泉水窟—罗正坝地下水源地的补总量(Qb)为4.67×104m3/d；雷打石—坝湾地下水源地的补总量(Qb)为2.42 ×104m3/d；两个地下水源地合计补给量(Qbh)为7.09×104m3/d。

3.1.2 储存量计算

本次只计算地下水容积储存资源量，其计算公式为：

Qw=μ×M×F

式中：Qw为储存量(104m3)；μ为给水度，以钻孔揭露溶洞的总高度与揭露的可溶岩总厚度之比替代；F为可溶岩面积(m2)；M为含水层厚度(m)，地段内钻孔揭露的可溶岩厚度的平均值。

经计算，泉水窟—罗正坝地下水源地的储存量(Qw)为2 343×104m3，雷打石—坝湾地下水源地的储存量(Qw)为1 135×104m3；两个地下水源地合计储存量(Qwh)为3 478×104m3。

3.1.3 可采量计算及可靠性分析

井群干扰法适用于井数不多，抽水井比较集中的取水方式，如城乡供水、工矿企业供水等集中供水水源。由于这类水源地往往数个井同时开采，各井之间会相互干扰。因此，在评价开采量时，必须充分考虑多井干扰问题。对于条带状地下水源地，经开采条件概化后，采用承压水完整井直线井排涌水量式函数及映射法理论计算其可开采量，其计算公式为：

式中： Qk为井群地下水总开采量(104m3/d)；K为渗透系数(m/d)；M为承压水含水层厚度(m)；Sw为井内水位降深(m)；b1为井排至供水边界的距离(m)；b2为井排至另一侧供水边界的距离(m)；b为b1+ b2；d为井距之半(m)；B0为3d；n为设计井数。

经计算，泉水窟—罗正坝地下水源地的开采量(Qk)为1.87万 m3/d，雷打石—坝湾地下水源地的开采量(Qk)为1.35万 m3/d；两个地下水源地合计可采量(Qk)为3.22万 m3/d。

研究区地下水补给资源量与可开采资源量之比(“补开比”) 分别为2.50和1.80，表明可开采资源总量保证程度高。

3.2 地下水质量分析

研究区地下水具有无色、无味的特点，未见有肉眼可见物。地下水化学类型为HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg型，除泉水窟上升泉群pH值为6.4外，其余pH值在7.05～7.81之间，呈中偏碱性水，总硬度182.40～343.63 mg/L，属软—微硬水，矿化度207.08～372.91 mg/L。总体而言，研究区地下水一般指标绝大多数合格。研究区地下水中砷、镉、铬(六价)、铅、汞、氰化物、硝酸盐等指标未超标[4]，符合规范要求。研究区5个样品分析，菌落总数合格，总大肠杆菌有3个样品不合格，但大肠杆菌在深层地下水存活的时间有限，分析认为可能是取样存在问题所致。

总体而言，研究区地下水水质良好，稍加处理之后，即可饮用；加之地下水资源丰富、人口密度低、建筑物少、场地空旷、地下水防污性能好、便于水源地建设与保护，综合评定可作为应急地下水源地。

4 地下水资源开发现状及应急水源地开启对地质环境承载分析

4.1 地下水开采现状及平衡分析

4.1.1 地下水开采现状及潜力分析

研究区集镇以湘江水为水源，散居的村民多以第四系孔隙水为生活用水。研究区地下水开采主要有霞石小学、砖桥小学日常生活用水、白莲社区温泉山庄(泉水窟)餐饮及养鱼用水，其余地段地下水资源开采量极少；研究区地下水开采量总计约2 400 m3/d，其中泉水窟—罗正坝地下水源地开采量约1 800 m3/d，雷打石—坝湾地下水源地开采量约600 m3/d。

地下水开采程度及地下水开采系数分别采用如下公式进行计算：

β=Qsc/Qk；α=Qk/Qsc

式中：β为开采系数；Qsc为地下水开采量(m3/d)；Qk为可开采资源量(m3/d)；α为地下水开采潜力系数。

经计算研究区地下水开采系数分别为4.44%及9.63%；地下水开采潜力系数分别为10.39、22.50。据地下水开采潜力系数分级标准，属地下水潜力大区。

4.1.2 水量供需平衡分析

目前株洲市区常驻人口约130万人，到2020年，主城区常驻人口150万。主城区供水人口分别按130万人及150万人，当最低人均一天供水量为20 L/d时[7]，总供水量分别为2.6万 m3/d及3.0万 m3/d；当最低人均一天供水量为50 L/d时，一天总供水量分别为6.5万 m3/d及7.5万 m3/d。

两个应急水源地可开采量合计为3.22 万 m3/d。当需水量为每人20 L/d时，可供161.0万人的应急需水量，可满足主城区应急供水需求。当需水量为每人50 L/d时，可供64.4万人的应急需水量，难以满足主城区应急供水需求，需要从外地调水或寻找其他水源作为补充地下水水源用于相对水质较低的洗涤等。

4.2 应急水源地开启对地质环境承载力初步分析

研究区集中开采地下水后对地质环境承载力的影响主要表现在地下水水位的下降、岩溶塌陷等两个方面。

4.2.1 地下水水位下降

应急水源地开启之后，短时间内大量抽取地下水，会引起地下水水位下降，对水源地及周边地区产生影响，主要表现在民井水量减少，吊泵等。结合水文地质条件分析，应急水源地一般启用时间不会超过10 d，极端情况下一般也不会超过30 d，停止抽水地下水之后，水位会逐渐回升至正常地下水水位。综上所述，应急水源地开启之后，短时间内会造成地下水水位的下降，其社会及经济影响较小，且停止抽水后，水位会逐渐回升到正常水位。

4.2.2 岩溶塌陷

研究区岩溶塌陷多发生在覆盖型岩溶区，主要在梅市至建强、胜塘至湘云村一带。研究区岩溶塌陷主要特点是：松散覆盖层厚度不大，下伏岩层中溶洞发育，且多集中在50 m深度之内；溶洞中含有较为丰富的裂隙溶洞承压水。短时间内人工抽取大量裂隙溶洞承压水，造成水位降低，溶洞水的浮托力减小，导致溶洞顶板下沉，进而引发塌陷产生[8]。

应急水源地一般启用时间不会超过10 d，极端情况下一般也不会超过30 d。因此，未来开启水源地时，地下水水位降幅不会太大，加之开采时间较短，引发大规模岩溶塌陷可能性较小。塌陷潜在区地处人口、建筑物相对较少的地区，对比区域性的供水危机而言，其社会经济影响是很小的。

5 结语

株洲市天元区南东部的泉水窟、雷打石一带地下水资源丰富、水质良好，具备应急地下水水源地建设查的良好条件。水源地取可开采量达3.22万 m3/d，应急状态下按每人需水量20 L/d计算，可解决161.0万人的饮用水问题，能够满足株洲市主城区2020年的应急供水需求。当需水量为每人50 L/d时，可供64.4万人的应急需水量，难以满足主城区应急供水需求，需要从外地调水或寻找其他水源作为补充地下水水源用于相对水质较低的洗涤等。

建立以地表水水源为主，地下水水源为备用的“复合型供水水源”体系，健全城市供水预警和应急机制，以防突发水污染事件。利用地下水含水层的储藏和调蓄能力，为紧急状态下提供后备水源地和优质地下水资源，将有效提高株洲市的供水安全。