基于水库调蓄和地灾协同控制的地下水资源高效利用研究

袁冬梅，齐跃明，黄光明，王俊萍，马仪鹏

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.浙江省环境科技有限公司嘉兴分公司，浙江 嘉兴 314000；3.福建省煤田地质勘察院，福建 福州 350005)

地下水是水资源的重要组成部分，是农业灌溉、工矿和城市用水的重要水源之一[1-2]。岩溶地区由于生态环境脆弱、防污性能差，以往掠夺式开采的水资源开发利用方式往往会带来许多环境问题，无法满足现代社会经济和生态环境的协调健康发展。因而，岩溶地下水资源开发要从单目标的水库调度逐渐过渡到多目标的地表水与地下水联合调度，从单纯追求经济效益到社会、经济和生态的综合效益[3-5]。利用地下水库调蓄水资源，可以通过对含水层有计划地补给与回采，实现水资源的可持续利用，并有效改善生态环境[6-11]。

根据现场调查及以往资料[12-14]，福建永安-大湖盆地受地层、构造控制，为一个相对独立的开放式岩溶地下水库。区内地下水开采源以碳酸盐岩类裂隙溶洞水为主，且地下水动态主要受降雨因素影响，具有明显的季节性变化特征。在岩溶地区地貌特点及其工程意义方面，前人做了较多的研究。赵举兴[15]、黄光明等[16-17]依托福建三明城市地质调查项目，运用现场调查、微动探测等方法对永安-大湖盆地岩溶地貌特征、双向演化过程及工程地质意义进行了研究；赵天石[8]在地下水库调蓄问题的探讨中对环保型水资源开发提出了前景；王从荣等[18]在地下水库研究的现状和展望中指出，地下水库的环境效益评价及地下水库水质的污染防护是近几年地下水库研究的重要内容；肖飞鹏等[19]对漓江青狮潭水库提出了具体的生态补偿方式和手段。在地下水资源利用方面，陈洪元等[20]、顾尚义等[21]以贵州岩溶地下水库为背景，从岩溶地质概况、成库条件、库容分析、降雨补给及工程效益方面，阐述利用雨水资源在岩溶山区进行地下水库兴建运行的设想及可行性；齐跃明等[22]针对淄博农业、生活供水短缺，提出在抽水试验基础上，利用补偿疏干法对岩溶地下水资源量进行评价。在区域水资源规划利用方面，李世君等[23]结合水文地质条件和调蓄条件，论述了北京利用地下水库调蓄功能建立应急水源地的必要性和可行性，对应急水源地的选址依据和规划建设进行了初步探讨；王浩等[24]从内在机制、实践进程和评价3方面系统评述了狭义流域水资源合理配置研究进展；刘倞[25]针对我国地下水利用现状提出具体的地下水资源合理开发利用措施。

然而，现有研究中，既考虑地下水库调蓄能力，又考虑控制地下水开采所引起的环境地质问题的水资源综合利用研究甚少，特别对于福建永安-大湖地区，类似的研究还未见报道。显然，对于岩溶地区，如果不考虑地下水库调蓄能力与环境地质问题协同控制的综合约束，就无法科学合理地评价地下水可开采资源量，将导致区内水资源补采不平衡，甚至出现岩溶地面塌陷问题。

本文在区域水文地质调查的基础上，通过科学测算，基于水库调蓄和地灾协同控制综合约束，提出科学控灾开采条件下的地表水-地下水联合调蓄方法进行水资源的高效利用。通过分区控制性开采规避岩溶塌陷，分质供水、雨洪资源化缓解水资源污染，市场调节、改进工艺、中水利用等节水手段实现水资源综合配置平衡，抑制区域环境水文地质灾害，实现水资源的高效利用。同时，研究也为解决福建三明永安地区在地表水污染等紧急情况下的应急供水问题，保护区域地下水环境、保障供水安全提供科学决策依据，为三明市整体社会经济可持续发展提供水资源基础保障。

1 研究区概况

永安-大湖盆地所处区域为福建省三明市重点开发建设区域，经济较发达，是新材料、竹产业、纺织等产业基地，主要包括永安市城区及其附近的大湖镇和曹远镇，位于117°17′～117°24′E、25°54′～26°05′N，北起大湖镇岭岗村，南止洛溪村，东起益口,西止虾蛤，总面积71.14 km2。研究区属中亚热带季风气候，受大陆性和海洋性季风的影响，形成气候温暖、潮湿、降水充沛、四季分明的特点。多年平均温度19.07 ℃，多年平均降水量1 683.9 mm，多年平均蒸发量1 333.0 mm，降雨量大于蒸发量，为地下水提供了较丰富的补给源。中部和南部属河谷地貌，北部属低山丘陵地貌及岩溶地貌，地势中间低，南、北两侧高。沙溪是研究区内最大的地表径流，属雨水补给型河流，从中部贯穿全区，河水自西向东流，研究区南部的巴溪属沙溪支流，河水自南向北汇入沙溪。

2 水文地质条件

永安-大湖盆地岩溶地下水成北西向展布，长条形，四面环山，巴溪-沙溪河贯穿南北，为一裸露-覆盖-埋藏型为主的岩溶盆地。其东西分水岭为地下水流动系统外围边界，南部一段为断层隔水边界，一段为河流边界，北部为给定水头边界，基底为变质岩，区域内溶洞发育，在垂直方向上多呈层状分布，整体可看成一个相对独立的开放式岩溶地下水库。

根据《福建省区域地质志》(2016版)及现场调查，永安地区地层发育较全(表1)，地层自老至新有泥盆系桃子坑组(D3tz)、石炭系林地组(C1l)、二叠系船山组(P1c)、二叠系栖霞组(P2q)、二叠系文笔山组(P2w)、二叠系童子岩组(P2t)、二叠系翠屏山组(P3cp)、侏罗系长林组(J3c)、侏罗系南园组(J3n)、侏罗系坂头组(J3b)、白垩系沙县组(K2s)、白垩系赤石群(K2ch)、第四系(Q)。区内无侵入岩体分布，地质构造复杂，断裂纵横交错，主要分布有3条近平行的断裂，断裂走向北西-南东向，倾向北东，高倾角，区内延伸长度7～8 km，切割地层主要有二叠系童子岩组、文笔山组、栖霞组和石炭系林地组地层。

研究区地下水有松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、基岩裂隙水、碳酸盐类裂隙岩溶水4种类型，但前3种在研究区富水性贫乏，供水意义不大(图1)。后一种含水岩组主要包括二叠系船山组和二叠系栖霞组灰岩等，根据出露条件又可分为裸露型、覆盖型和埋藏型3种类型。

裸露型碳酸盐岩类裂隙溶洞水主要分布于永安盆地的大湖-坑边一带，地貌形态多为孤峰或残丘，发育有溶洞、溶沟、溶槽、石林、岩壁、漏斗等。地下水赋存于裂隙溶洞中，以大气降水垂直入渗为主，临区基岩裂隙水以侧向补给为辅，径流较短促，并以泉的形式就近排泄。泉流量较大，多为1～10 L/s，富水性丰富-中等。

表1 地层一览表

覆盖型碳酸盐岩类裂隙溶洞水分布于大湖、坑边、大源、增田等溶蚀洼地，隐伏于第四系地层之下，埋深约10 m。岩溶发育，尤其与上部盖层接触界面最为强烈，溶洞高1～3 m居多，大多充填少量粘土、砂、碎石等。由于分布地形低缓，受裸露区岩溶水或其他基岩裂隙水的直接侧向补给和盖层孔隙水的垂向补给，富水性丰富，单井涌水量一般大于1 000 m3/d。

埋藏型碳酸盐岩类裂隙溶洞水主要分布于益溪、东坡、埔岭、吉山甲等地，地下水赋存于裂隙溶洞中，富水性丰富，具有较大的供水意义。

有地下水资源开发意义的地下水径流深度约200 m。根据勘探结果，研究区岩溶富水性可分为丰富和中等2个片区。西北部裸露区：石洞寒泉及湖峰-永安水泥厂一带为中等富水区，平均单井涌水量505.38 m3/d；其余为水量丰富区，地下水位埋深1.02～19.98 m，平均单井涌水量4 758.0 m3/d。埋藏区：大致以虾蛤-城关为界，北部为浅埋水量丰富区，水位埋深8.12～51.30 m，平均单井涌水量3 158.86 m3/d；南部为深埋水量中等区，水位埋深28.46～150.30 m，平均单井涌水量为509.44 m3/d。

地下水从周围丘陵低山区向盆地中央河谷区流动。在同一水文地质单元中，径流方向大致为裸露区→覆盖区→埋藏区，在适宜的地形或构造条件下以泉的形式排泄于地表。规划区水文地质结构可看成上覆松散岩类孔隙水，下伏碳酸盐岩岩溶裂隙水的双层含水层。潜水位之上的上层孔隙水和部分岩溶发育区域构成地表入渗的包气带，潜水位以下的构成地下水流动的饱和带，从而形成降雨-入渗-岩溶地下径流-河流排泄(或人工开采)的地下水流动系统盆地水循环模式。

3 盆地水资源调蓄

由于北侧大湖盆地石灰岩裸露，防污性能弱，且易发生地面塌陷等环境地质灾害，故在考虑水资源利用时，经过区域现场调查、地下水流动条件及环境问题分析，排除环境地质灾害易发区域而合理圈定适宜开发利用的区域，平面面积为37.38 km2，如图2所示。

图2 盆地水资源调蓄范围Fig. 2 Range of the basin water resources regulation and storage

图3 地下水-地表水联合调度模型Fig. 3 Groundwater-surface water jointoperation model

地下水和地表水联合运行是根据地下水和地表水的动态特征，利用含水层空间的调蓄能力进行的。永安-大湖盆地内部残留十几座溶蚀残丘、孤峰，把盆地分割成相对独立的几个溶蚀洼地，洼地局部发育为岩溶塌陷漏斗地形。地下岩溶形态主要有溶洞、埋藏石林和地下岩溶管道，局部发育有地下暗河。区内地表水资源相对丰富，地表水和地下水水力联系紧密，具备地表水和地下水联合调蓄条件，且地下水库有较大的可调蓄库容。鉴于此，研究区水资源管理中可采用地下水-地表水联合调蓄模型(图3)，充分利用地下水储存量和侧向径流量部分，枯水期除正常开采外，还可通过应急开采，为城市供水。在特殊条件下(如地表水污染等)，还可扩大开采，以弥补原来由地表水供水的份额，从而为城乡供水提供水资源保障。地下水库合理开采后，腾出地下储存空间，便于丰水季节接受降水或地表径流的有效回补，实现盆地水资源合理高效调蓄的功能。

为便于计算，按地下水类型，在图2中进行富水性分区。根据全区钻孔资料(表2)各项水文地质参数情况，重新规划的适宜开采区处于分区Ⅱ中。按照开采区面积37.38 km2与分区Ⅱ面积47.79 km2比例得到该岩溶区地下水库的有效库容为1.362×107m3，通过地下水位变化幅度、含水层分布面积及其给水度确定可调蓄库容约为8.03×106m3。应用Visual Modflow软件对圈定的适宜开采区进行数值模拟得到可开采资源量为40 619.45 m3/d，年可开采资源量1.482 61×107m3。模拟区基本对应坑边、虾蛤、清水池计算区，经水文分析方法计算可知，地下水可开采资源量36 957.48 m3/d(表3)，年度可开采资源量1.348 95×107m3。综合考虑有效库容及调蓄库容，为安全保险起见，最终可开采量取相对小的水文分析结果，即1.348 95×107m3/a。

表2 研究区水文地质参数

表3 适宜开采区地下水可开采资源量

由于永安-大湖地区以往存在的岩溶塌陷现象以及地下水污染问题，虾蛤地区水位最大允许降深为10.91 m，超过此值，河水会倒灌污染地下水，其他地区水位降深不能超过既定井结构吸水管下置的最大深度，据以往资料表明不超过39.68 m。据数值模拟结果，现有开采量不会对环境造成危害。根据《城市居民生活用水量标准》(GB/T 50331—2002)，永安市地域分区为三，城市居民基本生活用水量标准为120～180 L/(人·d)，釆用人均日用水量方法进行预测，可应急30万左右城市居民日需基本生活用水。同时还可通过人工回灌、雨洪资源化等方法增大地下水的可开采资源量，从而有力地保障当地社会经济环境的可持续发展。

4 控灾科学开采

地下水资源的高效开采，不仅要考虑地下水资源量和调蓄空间的大小，还要考虑拟开采区环境地质灾害的影响。对于永安-大湖盆地而言，研究区部分地区地下水受到污染，地表防污性能弱，易发生地面塌陷或已经存在岩溶塌陷等环境地质灾害。为达到供水和环境的最佳效益，对永安-大湖盆地地下水资源进行合理规划，提出集中科学开采方法，以实现水资源的协同高效开采。

4.1 分区开采

岩溶塌陷一般指岩溶地区土层的塌陷、基岩的塌陷和上覆土层同下伏基岩一起坍塌的统称。岩溶地面塌陷多在裸露型和第四系覆盖型岩溶区，但当覆盖层包含基岩和碳酸盐岩埋藏深度大于15 m时，岩溶地面塌陷甚少发生。据此，在碳酸盐岩埋藏深度大于15 m的地区，加大中深层含水层的开采量，避免浅层含水层直接受扰动，从而避免岩溶地面塌陷等环境地质灾害，从而实现水资源的合理分区开采。

4.1.1 集中开釆区

把清水池-虾蛤、坑边地带定为集中开采区。该地区大部分为埋藏型岩溶含水层，顶板厚度大，稳固性好，不易产生地面塌陷等不良地质现象，地质环境好。此外，岩溶裂隙较发育，水量丰富，单井出水量大于500 m3/d，可作中小型水源地，利于集中开采。

4.1.2 控制开釆区

把岭干、大湖地带定为控制开采区。该区主要为覆盖型岩溶含水层分布区，较易产生岩溶塌陷，岩溶区“通天”溶洞发育，富水性强，连通性好，岩性结构松散，粘结性和穏定性差。在大量抽取地下水或者其它人类活动的影响下，破坏了含水层的水力平衡和覆盖层岩性结构，局部已经产生岩溶塌陷。上覆的松散岩类孔隙水含水层易遭受生活垃圾、污水及施用化肥等污染，浅层地下水中的微生物及三氮含量较高。因此，在该区开采时要控制地下水开采量和下降速度，防止突然涌水，建立地面塌陷监测网，必要时可采取工程手段，进行塌洞回填、局部灌浆等，同时开采时应防止上层水进入水井中造成污染。

4.1.3 分散开采区

大湖、坑边等地局部分布有泉水，可作为分散开采区，生活在该区的居民，生活用水可以引用泉水，有条件的地段也可以打井抽取地下水。

4.2 分质供水

总体来说，永安-大湖盆地地下水水质较好，虽然局部地段水质变差，造成水质不好的原因主要在于铁、锰、氟、氨氮等严重超标，铁、锰严重超标与地层形成的水文地质化学环境有关，氨氮、亚硝酸盐氮、高锰酸盐指数等超标与人类活动有关，即地表水污染是主要原因之一。因此，建议采用“分质供水”管理手段，将Ⅱ类优质水源作为城市供水的水源，将Ⅲ、Ⅳ类水源提供工业用水、农业灌溉和城市绿化及消防用水，促进水资源的高效利用。

4.3 雨洪资源化

永安-大湖盆地年降水量丰富，呈季节变化，夏季降水丰富，冬季降水较少。因而，可大力发展集雨工程或人工蓄水塘，加大对地表径流的拦截，增加地表径流或蓄水塘以对流域地下水进行补给，增加地下水储存资源，减少雨洪灾害和水污染。开展雨水利用工作，收集的雨水可用于小区浇洒绿化、生活杂用水等。

4.4 节约用水

居民生活用水可通过合理调整水价、推广节水器具和设备实现节约用水。工业节水可通过强化节水技术、开发节水设备、调整产品结构、改进生产工艺达到节约用水。农业节水可通过提高旱季农作物灌概效率，进行限水灌溉、局部灌溉、控制性根系交替灌溉技术实现节水。此外，还可进行污水再生利用、中水回用、城市污水集中处理回用等，实现经济效益和环境效益双丰收。

5 讨论

水资源是经济社会发展的战略资源和经济资源，水资源对于经济社会发展起到重要作用。永安-大湖盆地水质较好，地下水资源丰富，因而是良好的地下水应急水源地。利用地下水库对水资源进行调蓄，可以调节河流的流量，控制地下水位，丰蓄枯采，最大限度利用水资源，通过优化水库调度还可以提高水库的抗洪能力，兼顾防洪和兴利，维护社会安定，具有极大的社会环境效益。地下水水位的控制有利于农作物和植被的生长，可以防止水土流失、减少地下水污染现象，保持生态平衡。合理规划、分区控灾科学开采，可减少每年因岩溶塌陷现象而产生的1 000～2 000万元工程治理费用，除此之外，还可向工业企业和自来水公司提供水资源，带来一定的经济效益。根据三明市人民政府2017年公布的永安地区民用水价为1.4元/m3，参考往年开采量及地下水库调蓄量8.03×106m3/a计，每年可产生经济效益约1 124.2万元，大大加快城市发展的进程。

本文以福建永安-大湖盆地为研究对象，对该地区作为应急水源地的可开采资源量进行计算，以解决该地区因特殊干旱年、地表水受极端事件(如严重污染)影响等特殊条件下的应急供水水源问题。数值模拟法计算结果略大于水文分析法的原因在于区域划分时，数值模拟范围包括了计算区外的少量沙溪河南部东坡区域。2018年度，适宜区开采量为4.303 6×106m3/a，占可开采资源量的31.90%。据现有资料显示，各水源地无超采现象，降落漏斗基本稳定，地下水尚有开釆潜力。

若日常生产、生活长期使用地下水资源是否适用未得到验证。对于其他北方干旱岩溶地区是否可用相同优化方法进行优化未做深入对比研究。

由于详细资料缺乏以及作者水平有限，在运用Visual Modflow软件的时候对边界水头、地下水补给来源处理时做了简化处理，将沙溪河视为定水头边界处理，怱略了基岩裂隙水对地下水的补给，对计算结果可能有一定的影响。

6 结论

本文研究了福建永安-大湖盆地地下水资源协同调度和高效利用，结论为：

1)永安-大湖盆地区域内溶洞发育，在垂直方向上多呈层状分布，地下水动态主要受降雨因素影响，具有明显的季节性变化特征，可利用盆地内部溶洞联合地表径流对地下水进行储存调蓄，动态调节区域内地下水位，同时改善地下水质。

2)研究区存在地下水污染、水土流失、岩溶塌陷等环境地质问题，为规避这些问题，将永安-大湖盆地进行重新科学圈划适宜开采区。工程地质调查结果表明，全区可利用库容为2.400×107m3，适宜开采区可利用库容为1.362×107m3；全区可调蓄水量为1.168×107m3，适宜开采区可调蓄水量为8.03×106m3。数值模拟计算得到适宜开采区可开采资源量约为40 619.45 m3/d，而水文分析方法的结果为36 957.48 m3/d，两者基本一致。

3)据现场调查，分析已存在及潜在的环境地质问题，根据评价的岩溶地下水资源量和水质特征提出了分区开采、分质供水、雨洪资源化、节约用水4种水资源高效利用方案，以最大化地实现社会经济及生态环境的协调健康发展。