三亚大茅应急地下水源地的保障程度分析

王妙云，张航飞，符尤隆，符广卷，余绍文，王晓林

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

随着海南国际旅游岛和海南自由贸易区政策的实施[1]，三亚中心城区生活饮用水和工农业用水需求量增长率接近10%。而中心城区仅福万-水源池和半岭水库两座中小型水库，地表水源保证率不足，旱季水源不足更为明显。三亚地区含水岩组富水性总体为贫乏，特别是块状基岩分布区，无集中供水意义，可作为农村居民及小型农业企业的分散供水。三亚现有的地表水和地下水资源已经不能满足目前生产生活的需要，水资源供需矛盾已成为制约城区发展的瓶颈[2]。据三亚地区环境综合资料成果[3,4]，调查发现三亚大茅地区的碳酸盐岩类裂隙溶洞水的富水性为丰富。在大隆水库水源缺乏时可以启动大茅应急地下水源地对水厂进行供水，对保障大隆水库下游地段拟建设的中部供水工程和提高三亚中心城区供水安全的意义重大，故开展大茅地区应急供水地下水源地论证工作十分必要。

目前对于应急水源地的研究主要集中在应急水源地的概念、选址、保护、应急供水模式等方面[5]。本文从水源地的圈定范围、水质评价、天然补给资源量和可采资源量等方面开展水源地的保障能力分析工作，研究成果对保障三亚市城市供水安全具有重要现实意义和应对区内季节性干旱将起到很好的支撑作用。

1 研究区水文地质条件概况

研究位于三亚市吉阳区大茅村，面积约6.6 km2，距三亚中部水厂约15 km(图1)。研究区为全新统冲洪积平原地区，区内及周边主要赋存第四系松散岩类孔隙潜水、覆盖型碳酸盐岩类裂隙溶洞水和基岩裂隙水。本次选取应急地下水源地论证对象为覆盖型碳酸盐岩类裂隙溶洞水，是水源地主要开采对象。

第四系松散岩类孔隙潜水分布于河流沿岸地区，下伏碳酸盐岩类裂隙溶洞水。含水层顶板标高-1.21～4.41 m，含水层单层厚度3.13～7.56 m，水位埋深一般0.56～3.3 m。富水性中等-贫乏。

碳酸盐岩类裂隙溶洞水主要隐伏于第四系松散岩类孔隙潜水层之下，为覆盖型，具承压性质，含水层为寒武系大茅组(∈2-3d)的灰岩、白云质灰岩等。溶洞和裂隙发育程度受构造控制，裂隙和溶洞发育。裂隙溶洞含水层下伏弱含水带，裂隙和溶洞发育程度较差。钻孔揭露含水层顶板埋深15.5～42.96 m，含水层厚度26.19～160.96 m，推算涌水量1 088.12～7 347.39 m3/d，属水量丰富区。

基岩裂隙水主要分为块状岩类裂隙水和层状岩类裂隙水。块状岩类裂隙含水层风化裂隙较发育，径流模数一般为4.92～5.85 L/s·km2，钻孔推算涌水量136.27～163.58 m3/d，民井推算涌水量一般为134.07～202.01 m3/d，富水性中等；层状岩类裂隙含水层节理裂隙较发育，裂隙为钙质填充，局部地区砾岩中可见孔洞，钻孔推算涌水量一般为100～784.08 m3/d，富水性中等。

图1 三亚大茅地区应急地下水源地水文地质图

水源地范围内碳酸盐岩类裂隙溶洞水主要接受上部第四系松散岩类孔隙潜水垂向补给及周边基岩裂隙水的侧向补给。区内地势较低，为地下水的汇集区，有利于区外地下水的侧向补给。区内有断层经过，具有导水能力和贮水空间能力，地下水径流受地形及断裂控制，地下水总体上由四周向研究区径流，而后向西南或南径流。地下水在山前获得补给后向下游流动，补给基岩裂隙水及部分孔隙含水层，部分排泄到河流及地表水中，最终汇入南海。碳酸盐岩类裂隙溶洞水为承压水，蒸发作用较弱。区内的农业及工业用水均取自地表水，居民主要开采地下水用于生活，开采量很小。

2 水源地边界圈定

从可控源视电阻率反演断面图可以看出(图2)，在上部平均深度30 m以浅，横向分布的低阻带内夹杂相对高阻小圈闭，钻孔揭露岩性主要为第四系全新统冲洪积层的粘土质砂和奥陶系上统干沟村组(O3g)风化残积层的砾质粘土，推测为覆盖层和内部强风化岩石的反映；可控源音频大地电磁测深1号线和2号线平均深度30 m以浅向下延伸至200 m左右，均有不同程度低阻异常，视电阻率小于400 Ω·m，呈不则状，推测异常是岩石中发育节理裂隙引起的，具有较好的导水能力和贮水空间[6]；往下各电性区面积较大，为大规模基岩的反映，其中视电阻率小于400 Ω·m的低阻区反映风化程度或破碎程度相对较高，视电阻率大于1 000 Ω·m的高阻区则说明岩石相对完整。结合周边钻孔揭露到的碳酸盐岩分布与埋藏情况，圈定出了水源地范围(图1)。其中水源地Ⅰ区长3 500 m，宽1 000 m；Ⅱ区长1 750 m，宽1 700 m。

图2 三亚大茅地区1号线和2号物探测线平均反演视电阻率断面图(测线位置见图1)

3 论证结果

3.1 水质评价

地下水质量评价标准采用《地下水水质标准》(DZ/T0290-2015)。选取常规23项指标进行水质评价。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[7]。

本次在水源地及周水文地质钻孔中采集水样5个和民井中采集水样6个。水质样品分析结果显示，水源地及周边地表水及浅层风化带裂隙水水质一般达到Ⅲ类水标准，局部受人类活动影响，地下水呈点状染污，质量等级Ⅳ级，适宜作为生活饮用水水源；而本次水源地拟开采的碳酸盐岩类裂隙溶洞水水质达质量等级Ⅲ-Ⅴ级，超标组分为总Fe、Mn。推测区内碳酸盐岩类裂隙溶洞水超标组分不是来源于地表，可能来源于岩石本身含Fe、Mn，经地下水溶虑作用析出，或沿断裂随地下水的补给使水源地Fe、Mn超标。大茅应急地下水源地碳酸盐岩类裂隙溶洞水的Fe、Mn组分本底值偏高。

水质动态监测取样点分别水源地Ⅰ区的钻孔SK1和水源地Ⅱ区的钻孔SK3。丰水期和枯水期取样分析对比结果显示，地下水水化学类型无较大变化。丰水期，钻孔SK1水质为4类水，pH值超标；枯水期，钻孔SK1水质为5类水，超标项为总Fe，4类超标项为Mn。钻孔SK3在丰水期和枯水期4类水超标均为总Fe，丰水期5类水超标项为pH值。总体上降雨补给对地下水水质有影响不大。故该水源地地下水需经过除铁、锰和煮开后可作为集中式生活饮用水水源[8]。

3.2 水文地质参数

研究区抽水试验基本为单孔稳定流抽水。考虑到抽水井井损较大，利用抽水井3次降深数据，对井损进行计算[9]。经抽水试验数据计算[10,11]，水源地Ⅰ区含水层渗透系数平均值K=5.047 m/d，Ⅱ区含水层渗透系数平均值K=9.739 m/d(表1)。由于本次单孔抽水试验延续时间不长，降深影响范围未到边界，抽水试验可以概化为各向均质无限含水层的定流量抽水，采用非稳定流公式进行给水度(μ)的计算[12]。结果显示(表2)，Ⅰ区含水层给水度(μ)为0.03，Ⅱ区含水层给水度(μ)为0.051。

表1 大茅应急地下水源地钻孔抽水试验成果表

表2 大茅应急地下水源地水文地质参数给水度计算表

3.3 天然补给资源量

大茅水源地四周为剥蚀丘陵区，水源地为山间盆地，是地下水汇集区。根据区内的测流资料，采用径流模数法估算水源地枯季天然资源量[13]；年平均天然资源量为枯季天然资源量乘以水量增大系数β。

天然补给资源量计算公式：Q枯=84.6MF

(1)

Q年=βQ枯

(2)

上述(1)式中Q枯为枯季地下水天然资源量(m3/d)；M为研究区地下水迳流模数(L/s·km2)；F为计算面积(km2)。(2)式中Q年为年平均地下水天然资源量(m3/d)；β为水量增大系数。

根据水源地内测流点TQD1的径流模数(图1)，取水源地径流模数为11.35 L/s·km2；采用Mapgis软件量取水源地(Ⅰ区、Ⅱ区)汇水面积，F总=FⅠ+FⅡ=58 km2；选择雅量水文站1998-2004年观测资料，采用汇水区逐年各月最小流量的多年平均值与枯季平均值之比求得水量增大系数β值为1.66。

计算可得，水源地枯季天然资源量Q枯=86.4×11.35 L/s·km2×58 km2=56 877 m3/d；年平均地下水天然资源量Q年=1.66×3 642 m3/d=94 416 m3/d。

3.4 可采资源量

表3 大茅应急地下水源地分区含水层的水文地质参数

表4 大茅水源地水文地质钻孔涌水量表

表5 大茅水源地裂隙溶洞水不同开采条件下降深试算表

3.4.1 水文地质计算模型概化

本次水源地论证的地下水类型为碳酸盐岩类裂隙溶洞水。根据该地下水类型分布情况、物探解译成果及本次区内钻孔控制，将研究区可开采资源量分两个区分别计算(图1)，分别采用区内控制钻孔计算的水文地质参数。

(1)含水层：假定水源地各分区为均质各向同性，Ⅰ区、Ⅱ区的水文地质参数详见表3。

(2)基于本次水源地钻孔抽水试验及含水层顶板埋深考虑。Ⅰ区水位降深0.24～14.3 m，含水层顶板埋深18.2～35.71 m，基于区内含水层顶板埋深起伏较大，本次推算可采降深取在含水层顶板之上，取15 m。含水层厚度平均值的2/3约为58.97 m；Ⅱ区水位降深3.06～8.91 m，含水层顶板埋深23.45～34.66 m，区内含水层顶板埋深较为均匀，故本次推算可采降深取含水层顶板平均值为30 m，含水层厚度平均值的2/3约为70.84 m。综上分析，水源地设计出水量推算降深为Ⅰ区为15 m，Ⅱ区为30 m(不考虑隔水边界的影响)；实际可采降深，Ⅰ区控制在58 m，Ⅱ区控制在70 m。

3.4.2 研究区可采资源量采用布井法计算

水源地钻孔抽水试验结果显示(表4)，水源地Ⅰ区水位降深0.24～14.3 m，设计钻孔出水量的推算降深为15 m，统一200 mm口径和15 m降深后涌水量1 308.57～8 882.58 m3/d；水源地Ⅱ区水位降深3.06～8.91 m，设计钻孔出水量的推算降深为30 m，统一200 mm口径和30 m降深后涌水量1 876.84～19 071.36 m3/d。故水源地Ⅰ区设计推算降深15 m，取涌水量QⅠ的平均值5 000 m3/d是有保证的；Ⅱ区设计推算降深30 m，取涌水量QⅡ的平均值9 000 m3/d是有保证的。

根据根据泰斯井函数分别试算无限边界条件下不同距离处的降深[14]，计算公式为：

(3)

(3)式中：s为实测降深(m)；Q为抽水流量(m3/d)；K为渗透系数(m/d)；h0为含水层厚度(m)；a为水头传导系数；r为距抽水井距离(m)；t为抽水延续时间(d)；μ为给水度。

本水源地主要服务于季节性干旱期和突发事件期三亚中部水厂、吉阳区及海棠区应急供水。三亚地区旱季一般为6个月[15]，将本水源地应急开采时限设定为3个月。按设计开采量连续开采时间90天，分别验算不同距离处的降深值。

根据试算结果(表5)，在无限边界和按设计开采量连续开采时间90天情况下，水源地Ⅰ区单井开采量5 000 m3/d时，距离其2 600 m处引起的降深约0.12 m，基本可以忽略其影响；距离其1 600 m处引起的降深约0.52 m；距离其600 m处引起的降深约1.95 m；距离其300 m处引起的降深约3.13 m；距离其100 m处引起的降深约5.07 m；在开采井中心引起的降深约17.39 m。可以看出距离拟设井600 m以上，地下水降深及其增率变缓，距离虚拟井600 m以下处引起地下水降深及其增大速率较大。故水源地Ⅰ区布井间距在600 m比较合理，边界范围线呈北东南西向。同理可得，水源地Ⅱ区单井开采量9 000 m3/d时，水源地Ⅱ区布井间距600 m比较合理，边界范围线呈北南、东西向。综合测算表分析，大茅应急地下水水源地Ⅰ区、Ⅱ区布井间距均为R=600 m。

应急地下水源地采用集中布井方式长期开采地下水[16]，在一定范围内容易形在降深较大的降落漏斗，引发环境地质问题，而且由于开采井之间距离较近，水量消减作用较大。同时，水源地开采对象为碳酸盐岩类裂隙溶洞水，含水层特征为岩层溶洞和裂隙发育的地方富水。因此，本水源地建议在物探成果解译基础上，在物探解译溶洞和裂隙发育地段布井，采用网格布井方式，井径200 mm。在距离边界100 m范围内不布井。水源地Ⅰ区布井12口，共2排6列井，距北东、南西边界250 m，北西、南东边界200 m；Ⅱ区布井9口，共3排3列井，距北、南边界250 m，西、东边界275 m(图3)。

表6 大茅应急地下水源地群井抽水与隔水边界水流量折减计算表

根据泰斯直线边界附近的井流公式的反映法原理[17]，水源地Ⅰ区可反映为无限平面上72口同时刻工作的等强度的抽水井，水源地Ⅱ区可反映为无限平面上45口同时刻工作的等强度的抽水井(图3)。考虑隔水边界及群井抽水干扰影响，最终的水源地拟设井试算结果见表6。

水源地Ⅰ区群井开采，设计降深15 m时，由于隔水边界及群井抽水干扰影响，实际修正降深45.76～38.60 m，流量折减系数0.33～0.38，单井涌水量1 664～1 900 m3/d；Ⅱ区群井开采，设计降深30 m时，由于隔水边界及群井抽水干扰影响，实际修正降深38.22～41.08 m，流量折减系数0.33～0.36，单井涌水量3 005～3 230 m3/d。水源地共布置口径200 mm的取水井21口，井群涌水量49 534 m3/d。

图3 大茅地下水源地拟设井设计位置 (水源地范围见图1)

4 讨论

4.1 应急保障程度分析

大茅应急地下水源地设计最大应急时限为3个月，应急期内总开采量为4.46×106m3，其中Ⅰ区应急期内开采量1.91×106m3，Ⅱ区应急期内开采量2.55×106m3。若不考虑应急开采期内降雨补给，开采量主要消耗储存量，对比开采量与储存量，当水源地Ⅰ区地下水位总体下降18.3 m时，释放的储存量为1.92×106m3即可满足开采需要；当水源地Ⅱ区地下水位总体下降16.9 m时，释放的储存量为2.56×106m3即可满足开采需要。若考虑开采层接受降雨补给，根据枯季径流模数法计算的枯季天然补给资源量为56 877 m3/d，较设计开采量多7 343 m3/d；年平均地下水天然资源量为94 416 m3/d，较设计开采量多44 882 m3/d。水源地满足开采量后停采，一个雨季地下水位可恢复至开采前。

综上所述，本次计算得到的大茅应急地下水源地开采量为49 534 m3/d，该设计开采量是有保证的。应急水源地按设计开采地下水，不会引发环境地质问题，停采后可恢复至初始水位，同时能保证周边城镇居民约66万人3个月的应急供水需要(表7)。

表7 三亚大茅应急地下水源地应急保障人数计算表

4.2 开发利用与保护对策

大茅水源地为覆盖型碳酸盐岩区，含水层结构单一，而且含水层埋深较浅。勘探阶段需选取有代表性的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。水源地勘探井、开采井多为150 m浅井，投入的勘探、施工成本低，经济上可行。

如上所述，应急开采时间内一般不会产生环境地质问题，布井位置应根据物探及其他勘查方法确定水源地内岩石溶洞或裂隙发育位置。布井间距太宽出水量达不到最大出水量，布井间距太窄，成本会增大，布井间距建议600 m，距离隔水边界不小于100 m。开采井最大控制降深建议60～70 m。同时，大茅应急地下水源地局部地段含水层顶板埋藏较浅，与地表水体、上部第四系松散孔隙潜水及周边基岩裂隙水水力联系密切，应在水源地汇水面积区重视水源地保护。

5 结语

(1)大茅水源地开采对象主要为覆盖型碳酸盐岩类裂隙溶洞水，地下水需经过处理铁、锰等超标组分后可作为集中式生活饮用水水源，枯季天然补给资源量56 877 m3/d，年平均地下水天然补给资源量为94 416 m3/d。

(2)考虑隔水边界及群井抽水干扰影响，计算得到大茅水源地应急开采量为49 534 m3/d，不会引发环境地质问题，水源地停采后一个雨季地下水位可恢复至开采前。