地下水资源战略储备评价与应急利用——以武汉市为例

吴庆华，汪 啸，崔皓东，范 越，张 伟，王金龙，肖 利

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

由于人类活动加剧及极端干旱气候发生频率呈现上升趋势[1]，以地表水为主的供水体系正在遭受严重挑战，水安全隐患突出。同时，地表水体因突发性污染事件发生时，可能无法满足供水需求，将会严重影响社会运行[2]。如1986年莱茵河污染事件，导致大量有毒物质进入河流，使下游瑞士、德国、法国的沿河自来水厂全部关闭[3]。在地下水资源相对丰富的地区，可储备地下水资源，有效应对城镇突发事件。

美国自19世纪末开始了地下水储存与回采技术(Aquifer Storage and Recovery，ASR)研究，截至目前已建设了204处地下水储备地，并开展应急利用，解决了城镇应急缺水问题，提高了地下水的调蓄能力。美国德克萨斯州在18 a内利用ASR技术向地下含水层储存地下水0.7×108m3。Jeong等[4]总结了ASR运行过程中主要存在淤堵和水质污染问题。Brown等[5]提出了含水层恢复指数、综合参数和注水率共3个无量纲参数评价了ASR场地的适宜性。Owusu等[6]利用遥感和地理信息系统(Geography Information System，GIS)技术评价了ASR地下水储备的可行性。为了减少地表水蒸发和抵御暴风雨影响，在河床筑坝将地表水储存于地下水含水层以应对干旱等极端事件[7]。对地下水资源战略储备的研究，国内还处于探索阶段。吴爱民等[8]系统阐述了地下水资源的水安全重要性，提出了地下水战略储备在应对突发性事件中的不可替代作用。曹佳[9]认为上海市地表供水系统难以应对极端缺水事件，可利用巨大的地下空间储存战略水资源。斯小君等[10]根据杭州市水文地质条件确定了13个不同类型的地下水战略储备地。杨齐青等[11]从水文地质条件、地下水开发利用情况与地下水采补平衡等角度，拟选了85处地下水战略储备区，可提供应急供水量达786×104m3/d。蔺文静等[12]从地下水资源属性、应急供水属性、水源地建设条件及环境影响等方面，建立了北方城市地下水应急供水水源地评价指标系统。刘金峰[13]从地下水储量、水质、应急距离、抗环境干扰能力、地质环境以及经济等方面提出了地下水应急供水储备区选址原则。李志强等[14]从地下水调蓄角度，建议利用地下巨大空间，采用“以丰补欠”，应对连续干旱、突发事件等事件。郑凡东等[15]开展北京市西郊地区地下水战略储备关键技术研究，基于水文地质条件，利用数值模型初步制定了地下水资源储备及利用方案。

戴长雷等[16]提出了4种应急供水方案，利用数字模型对每种应急供水方案的可持续供水时间进行了研究。冯创业和崔秋苹[17]根据石家庄市含水层富水性与开采潜力，选择正定南化、新乐曲都和新乐西五楼水源地为应急储备水源地，并对不同开采量条件下水源地自身供水安全以及对农业用水产生的影响进行了分析，提出了最优应急开采方案。张月萍等[18]圈定了上海市大型、中型地下水应急水源地数量及空间布局，结合地下水环境容量评价成果制订了应急开采方案，并对各水源地应急开采方案条件下可能引发的环境地质问题进行了预测评估。邹友琴等[19]根据水文地质条件，选择南昌市地下水极丰富的尤口、谢埠和桃花作为城市应急供水水源，采用GIS软件模拟日应急量为69.3×104m3/d、应急时间为3个月的情况，结果表明含水层的供水能力满足应急要求。杨林等[20]针对北海市可能遭遇突发事件且地表水无法满足需求时的潜在供水危急，提出了可行的地下水应急开采方案。杨国强等[21]从地下水赋存条件与合理开发角度，提出“沟谷型潜水”“封存型承压水”与人工水库相结合的方式，为宁波市地下水应急利用提供了解决方案。

目前，对地下水战略储备与应急利用的研究主要集中于地下水储存及其可能带来的水环境影响等方面，且在国际上有了较好应用和推广，但在国内主要是针对北方水资源严重缺乏的地区尝试性开展地下水资源战略储备，在地下水资源总量相对丰富的长江流域，尚未开展系统研究，特别是缺乏如何建立适宜于长江流域的地下水战略储备选址指标体系；对地下水应急利用更是少有报道，难以适应长江经济带日益增加的极端干旱与污染风险需求，供水安全存在明显短板。因此，本文针对长江中下游地下水相对丰富的地区，开展地下水战略储备选址评价指标体系及应急利用方案研究，为长江经济带水资源供给安全提供技术支撑。

2 研究区概况

本文以长江流域武汉市为研究区，开展地下水战略储备区评价及应急利用研究。根据武汉市1∶50 000水文地质图，从含水层富水程度与分布初步圈定了Ⅰ—Ⅴ区5个地下水战略储备靶区(图1)，分别用于东西湖、汉口、长江新城、武昌和青山等人口密集区应急供水，占地面积分别为225.0、96.5、15.7、32.8、45.4 km2。

图1 地下水资源战略储备与应急利用拟选靶区Fig.1 Target regions of groundwater strategic reserve and emergency use

研究区位于江汉平原东部边缘，地形地貌主要为剥蚀堆积平原和堆积平原，高程<200 m。属亚热带季风性湿润气候区，年均降雨量1 238 mm，主要集中于初夏梅雨季节，区内分布长江、汉江和府河等河流，以及东湖、梁子湖等湖泊。区内第四系孔隙潜水含水岩组主要分布于长江、汉江一级阶地或河漫滩、心滩等，岩性为亚砂土、粉细砂及砂砾石等。含水岩组厚度1～8 m，水位埋深0.05～5.00 m，单井涌水量<100 m3/d，受大气降水入渗补给，在临江河和湖泊分布区地下水与地表水联系密切；第四系孔隙承压含水岩组分布于江河一、二级阶地，岩性自下而上为砂(卵)石—中粗砂—粉细砂层，接受相邻含水岩组的侧向径流补给以及上覆含水岩组的越流补给，近河傍江地段含水层顶板被切割时，与地表水发生水力联系。

3 研究方法

利用层次分析法，建立地下水资源战略储备区选址指标体系，以评价目标区地下水资源战略储备的适宜性。从地下水储备区供水能力、应急利用影响、社会经济发展、环境灾害影响等方面识别主要影响因子，采用专家打分法，确定各影响因子权重，并通过评价区各影响因子赋值计算各自得分，再分别乘以影响因子权重，获得各影响因子得分，最后将全部影响因子得分相加，即为评价区地下水战略储备选址适宜性评价总得分。根据适宜性等级表确定地下水战略储备选址的适宜性评价结果。在此基础上，选择适宜于地下水战略储备区，考虑应急等级、应急时间、应急需水量等需求，利用数值模拟方法，开展地下水应急利用方案优化研究。

4 地下水战略储备区选址适宜性评价指标体系

从地下水储备区供水能力、应急利用影响、社会经济发展、环境灾害影响共4个方面识别16个主要影响因子，构建了地下水资源战略储备选址适宜性评价体系[22]。经专家打分，通过指标判断矩阵进行一致性检验，确定地下水储备区供水能力(B1)、地下水应急利用能力(B2)、社会经济能力(B3)和环境灾害影响(B4)的权重分别为52.54%、30.09%、11.04%、6.34%。影响因素Ci(i=1，2，3，4，5)对地下水战略储备选址适宜性评价的权重为Ci对属性层B1的权重与属性层B1对目标层A的权重之积，其他影响因素的综合权重以此类推获得，如图2所示。

图2 地下水资源战略储备选址影响因子权重Fig.2 Influence factor weights of suitability evaluation for groundwater strategic reserve

从图2可知，含水层储水能力所占权重最大(0.213 8)，其次为应急供水时间(0.153 0)和地下水补给能力(0.129 5)。根据各影响因素取值与赋值情况[22]，赋值越高说明其对适宜性评价结果影响越大。根据拟评价区水文地质等数据，分别获得每一评价单元各个因子分值，构建研究区各因子的评分值图，再依据图2各个因子的相对权重值进行图层叠加，最终形成各单元的地下水资源战略储备选址适宜性分区图，其分级情况见表1。

表1 地下水资源战略储备选址适宜性分区标准

5 地下水资源战略储备适宜性评价

表2为拟圈定的地下水战略储备靶区的16个影响因素赋值情况。采用所建立的指标评价体系对5个靶区的地下水战略选址适宜性进行评价，其结果见表3，表明：地下水战略储备区的适宜性评价总得分介于7.13～7.94之间，均为适宜性较强。

表2 拟选靶区参数取值与赋值

表3 地下水资源战略储备适宜性评估结果

6 地下水战略储备区地下水应急利用

6.1 应急利用方案

地下水应急利用应符合应急利用、生活用水优先性、可超采性和应急响应等级化等原则。以III区为例，考虑特别重大突发事件(Ⅰ级)的极端情况(武政办〔2014〕205号)，应急供水量110×103m3/d，共需30眼井(图3，单井供水量3 600 m3/d)。为了减少抽水井之间相互干扰，则抽水井之间的距离≥500 m。同时，抽水井与长江距离≥500 m，且远离居民房屋，抽水井平面布置如图4所示。根据目标供水区应急缺水情况，开启一定数量的抽水井以满足供水要求。

图3 示范区抽水井平面布置Fig.3 Layout of pumping wells in the demonstration area

地下水应急利用方案如表4所示。为了简化模拟方案，仅考虑应急等级为Ⅱ级时(人口30万，日需水量30×103m3/d，10眼井启用)，通过Fefelow 7.0数值模拟软件研究图4中的4种抽水井布置方案、3个典型应急时间(10、60、180 d)情况下的地下水动态，提出最优开采方案。

表4 地下水应急利用方案

6.2 应急利用数值模拟

6.2.1 水文地质概念模型

地面高程为25 m，河床高程5.0 m。0～52 m为粉细砂，52 m以下为砾岩。含水层为潜水含水层。评价区四周为长江，定水头边界。由于模拟长江遭受连续极端干旱条件(长江水位低于最低通航水位9.62 m)，假设长江水位高程为8.0 m(3.0 m深水，已不能作为地表水水源提取)。应急取水初始时刻，地下水与江水位基本持平，高程为8.0 m。

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

6.2.2 数学模型

根据概化模型，取坐标轴和含水层各向异性主渗流方向一致，建立地下水非稳定渗流三维数学模型为

(1)

式中：Kxx、Kyy、Kzz分别为沿x、y、z坐标轴方向渗透系数(L/T)；H为水头(L)；Ω为模型范围；ε为源汇项(L3/T)；μ为潜水含水层给水度；t为时间(T)；H0为初始水头(L)；Γ1已知水头边界。

6.2.3 数值模型

对水文地质概念模型采用GridBuilder算法进行离散。模型按评价区Ⅲ外轮廓实际尺寸进行剖分，考虑到水位条件单一，且抽水井为完整井，将模型分为2层进行数值模拟。平面上采用四边形单元剖分，对抽水井区域进行三角形加密剖分，形成混合单元，每层单元31 866个、节点22 212个(图5)。

图5 模型网格剖分Fig.5 Model grids

假设模型初始地下水位为江水位，即8.0 m。模型四周均为定水头边界，水头值为8.0 m。模型中共有30眼完整井，单井抽水量3 600 m3/d，根据应急利用方案启动供水井。粉细砂渗透系数为24 m/d，给水度为0.25；砾岩渗透系数为8.64×10-8cm/s，给水度为0.027。

6.2.4 数值模拟结果

图6为方案1—方案12不同应急供水时间时地下水影响范围。表5为应急开采条件下地下水动态变化关键参数。从图6可知，随应急时间增加、抽水间距减小，各抽水井水位下降幅度越大，各井形成的降落漏斗相互影响与叠加，加剧了区域地下水下降，可能会引发一定程度的地面沉降等环境地质问题。

图6 方案1—方案12地下水影响范围Fig.6 Affected scope of groundwater in scheme 1-scheme 12

分析上述结果可知：

(1)应急时间为10 d时，各抽水井的降深及降深为1 m的范围与最大降深均相同，表明应急时间较短时，抽水井(间距≥500 m时)布置方案对评价区地下水动态影响较小。

(2)应急时间为60 d时，方案2和方案11抽水井最大降深(7.18 m和7.06 m)、降深超过1.0 m的影响范围(2.24 km2和2.29 km2)与恢复时间(150 d和150 d)明显大于方案5和方案8，表明：应急时间较长时，抽水井布置方案对评价区地下水影响显著，抽水井间距越大，地下水下降幅度越小，且地下水下降幅度较大区域面积相对较小，但由于井间距大，地下水下降幅度较小的区域面积相对偏大。

(3)应急时间为180 d时，方案3和方案12抽水井最大降深(8.00 m和8.37 m)、降深超过1.0 m的影响范围(5.03 km2和4.62 km2)与恢复时间(>180 d)明显大于方案6和方案9，表明：应急时间较长时，抽水井布置方案对评价区地下水影响显著，抽水井间距越大，地下水下降幅度越小，且降深影响较大的范围较小，但降深较小的影响范围较大。

表5 应急开采条件下地下水动态变化关键参数

抽水井布置方案相同，抽水井最大降深、影响范围与恢复时间均明显随应急时间增加而增加，且抽水井布井方案(b)和(c)的随时间增加的幅度明显小于抽水井布井方案(a)和(d)。

综上所述：应急时间较短时，抽水井布井方案对地下水动态影响较小，而应急时间较长时，抽水井布井方案对地下水动态影响较大；随应急时间的增加，抽水方案对地下水动态影响越显著，但影响程度随抽水井间距增加而减小。抽水井布置方案(b)和(c)最优。

7 结 论

结合长江流域地下水资源分布特点，从地下水储备区供水能力、应急利用影响、社会经济发展、环境灾害影响共4个方面识别了16个主要影响因子，统筹考虑地下水战略储备区选址的原则，采用层次分析法构建了长江流域中下游地下水战略储备选址适宜性评价指标体系。主要结论如下：

(1)采用了本文提出的地下水战略储备选址适宜性评价指标体系，对武汉市5个典型区域进行评价，结果表明所评价区域的地下水战略储备适宜性均为较强。

(2)从战略地下水资源利用的应急性、生活用水优先性、可超采性和应急等级等角度，采用数值模拟方法，对不同开采井布置方案和应急时间开展地下水应急利用方案分析，结果表明：应急开采条件下，对地下水动态的影响程度随应急时间延长而增加，随抽水井间距增加而减弱。

(3)采用层次分析法进行地下水战略储备选址适宜性评价，是基于专家打分等主观经验判别的基础上展开的，存在一定的主观性。可进一步对比投影寻踪、模糊优选等方法的评价结果，优化地下水战略储备选址适宜性评价结果。同时，本文研究结果，需通过具体实际工程应用示范验证。