三亞大茅應(yīng)急地下水源地的保障程度分析

王妙云，張航飛，符尤隆，符廣卷，余紹文，王曉林

(1.海南省地質(zhì)綜合勘察院，海南 ?？?570206；2. 海南省地質(zhì)調(diào)查院，海南 ?？?570206；3. 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局二零七地質(zhì)隊(duì)，四川 樂山 614000； 4.海南省海洋地質(zhì)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 海口 570206；5.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢 430205)

隨著海南國(guó)際旅游島和海南自由貿(mào)易區(qū)政策的實(shí)施[1]，三亞中心城區(qū)生活飲用水和工農(nóng)業(yè)用水需求量增長(zhǎng)率接近10%。而中心城區(qū)僅福萬-水源池和半嶺水庫(kù)兩座中小型水庫(kù)，地表水源保證率不足，旱季水源不足更為明顯。三亞地區(qū)含水巖組富水性總體為貧乏，特別是塊狀基巖分布區(qū)，無集中供水意義，可作為農(nóng)村居民及小型農(nóng)業(yè)企業(yè)的分散供水。三亞現(xiàn)有的地表水和地下水資源已經(jīng)不能滿足目前生產(chǎn)生活的需要，水資源供需矛盾已成為制約城區(qū)發(fā)展的瓶頸[2]。據(jù)三亞地區(qū)環(huán)境綜合資料成果[3,4]，調(diào)查發(fā)現(xiàn)三亞大茅地區(qū)的碳酸鹽巖類裂隙溶洞水的富水性為豐富。在大隆水庫(kù)水源缺乏時(shí)可以啟動(dòng)大茅應(yīng)急地下水源地對(duì)水廠進(jìn)行供水，對(duì)保障大隆水庫(kù)下游地段擬建設(shè)的中部供水工程和提高三亞中心城區(qū)供水安全的意義重大，故開展大茅地區(qū)應(yīng)急供水地下水源地論證工作十分必要。

目前對(duì)于應(yīng)急水源地的研究主要集中在應(yīng)急水源地的概念、選址、保護(hù)、應(yīng)急供水模式等方面[5]。本文從水源地的圈定范圍、水質(zhì)評(píng)價(jià)、天然補(bǔ)給資源量和可采資源量等方面開展水源地的保障能力分析工作，研究成果對(duì)保障三亞市城市供水安全具有重要現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)對(duì)區(qū)內(nèi)季節(jié)性干旱將起到很好的支撐作用。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)條件概況

研究位于三亞市吉陽(yáng)區(qū)大茅村，面積約6.6 km2，距三亞中部水廠約15 km(圖1)。研究區(qū)為全新統(tǒng)沖洪積平原地區(qū)，區(qū)內(nèi)及周邊主要賦存第四系松散巖類孔隙潛水、覆蓋型碳酸鹽巖類裂隙溶洞水和基巖裂隙水。本次選取應(yīng)急地下水源地論證對(duì)象為覆蓋型碳酸鹽巖類裂隙溶洞水，是水源地主要開采對(duì)象。

第四系松散巖類孔隙潛水分布于河流沿岸地區(qū)，下伏碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。含水層頂板標(biāo)高-1.21～4.41 m，含水層單層厚度3.13～7.56 m，水位埋深一般0.56～3.3 m。富水性中等-貧乏。

碳酸鹽巖類裂隙溶洞水主要隱伏于第四系松散巖類孔隙潛水層之下，為覆蓋型，具承壓性質(zhì)，含水層為寒武系大茅組(∈2-3d)的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等。溶洞和裂隙發(fā)育程度受構(gòu)造控制，裂隙和溶洞發(fā)育。裂隙溶洞含水層下伏弱含水帶，裂隙和溶洞發(fā)育程度較差。鉆孔揭露含水層頂板埋深15.5～42.96 m，含水層厚度26.19～160.96 m，推算涌水量1 088.12～7 347.39 m3/d，屬水量豐富區(qū)。

基巖裂隙水主要分為塊狀巖類裂隙水和層狀巖類裂隙水。塊狀巖類裂隙含水層風(fēng)化裂隙較發(fā)育，徑流模數(shù)一般為4.92～5.85 L/s·km2，鉆孔推算涌水量136.27～163.58 m3/d，民井推算涌水量一般為134.07～202.01 m3/d，富水性中等；層狀巖類裂隙含水層節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙為鈣質(zhì)填充，局部地區(qū)礫巖中可見孔洞，鉆孔推算涌水量一般為100～784.08 m3/d，富水性中等。

圖1 三亞大茅地區(qū)應(yīng)急地下水源地水文地質(zhì)圖

水源地范圍內(nèi)碳酸鹽巖類裂隙溶洞水主要接受上部第四系松散巖類孔隙潛水垂向補(bǔ)給及周邊基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給。區(qū)內(nèi)地勢(shì)較低，為地下水的匯集區(qū)，有利于區(qū)外地下水的側(cè)向補(bǔ)給。區(qū)內(nèi)有斷層經(jīng)過，具有導(dǎo)水能力和貯水空間能力，地下水徑流受地形及斷裂控制，地下水總體上由四周向研究區(qū)徑流，而后向西南或南徑流。地下水在山前獲得補(bǔ)給后向下游流動(dòng)，補(bǔ)給基巖裂隙水及部分孔隙含水層，部分排泄到河流及地表水中，最終匯入南海。碳酸鹽巖類裂隙溶洞水為承壓水，蒸發(fā)作用較弱。區(qū)內(nèi)的農(nóng)業(yè)及工業(yè)用水均取自地表水，居民主要開采地下水用于生活，開采量很小。

2 水源地邊界圈定

從可控源視電阻率反演斷面圖可以看出(圖2)，在上部平均深度30 m以淺，橫向分布的低阻帶內(nèi)夾雜相對(duì)高阻小圈閉，鉆孔揭露巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積層的粘土質(zhì)砂和奧陶系上統(tǒng)干溝村組(O3g)風(fēng)化殘積層的礫質(zhì)粘土，推測(cè)為覆蓋層和內(nèi)部強(qiáng)風(fēng)化巖石的反映；可控源音頻大地電磁測(cè)深1號(hào)線和2號(hào)線平均深度30 m以淺向下延伸至200 m左右，均有不同程度低阻異常，視電阻率小于400 Ω·m，呈不則狀，推測(cè)異常是巖石中發(fā)育節(jié)理裂隙引起的，具有較好的導(dǎo)水能力和貯水空間[6]；往下各電性區(qū)面積較大，為大規(guī)?；鶐r的反映，其中視電阻率小于400 Ω·m的低阻區(qū)反映風(fēng)化程度或破碎程度相對(duì)較高，視電阻率大于1 000 Ω·m的高阻區(qū)則說明巖石相對(duì)完整。結(jié)合周邊鉆孔揭露到的碳酸鹽巖分布與埋藏情況，圈定出了水源地范圍(圖1)。其中水源地Ⅰ區(qū)長(zhǎng)3 500 m，寬1 000 m；Ⅱ區(qū)長(zhǎng)1 750 m，寬1 700 m。

圖2 三亞大茅地區(qū)1號(hào)線和2號(hào)物探測(cè)線平均反演視電阻率斷面圖(測(cè)線位置見圖1)

3 論證結(jié)果

3.1 水質(zhì)評(píng)價(jià)

地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用《地下水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(DZ/T0290-2015)。選取常規(guī)23項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方法采用單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)，不同地下水水質(zhì)類別的指標(biāo)限制相同時(shí)，從優(yōu)不同劣，單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)的結(jié)果按最高類別確定[7]。

本次在水源地及周水文地質(zhì)鉆孔中采集水樣5個(gè)和民井中采集水樣6個(gè)。水質(zhì)樣品分析結(jié)果顯示，水源地及周邊地表水及淺層風(fēng)化帶裂隙水水質(zhì)一般達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，局部受人類活動(dòng)影響，地下水呈點(diǎn)狀染污，質(zhì)量等級(jí)Ⅳ級(jí)，適宜作為生活飲用水水源；而本次水源地?cái)M開采的碳酸鹽巖類裂隙溶洞水水質(zhì)達(dá)質(zhì)量等級(jí)Ⅲ-Ⅴ級(jí)，超標(biāo)組分為總Fe、Mn。推測(cè)區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖類裂隙溶洞水超標(biāo)組分不是來源于地表，可能來源于巖石本身含F(xiàn)e、Mn，經(jīng)地下水溶慮作用析出，或沿?cái)嗔央S地下水的補(bǔ)給使水源地Fe、Mn超標(biāo)。大茅應(yīng)急地下水源地碳酸鹽巖類裂隙溶洞水的Fe、Mn組分本底值偏高。

水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)取樣點(diǎn)分別水源地Ⅰ區(qū)的鉆孔SK1和水源地Ⅱ區(qū)的鉆孔SK3。豐水期和枯水期取樣分析對(duì)比結(jié)果顯示，地下水水化學(xué)類型無較大變化。豐水期，鉆孔SK1水質(zhì)為4類水，pH值超標(biāo)；枯水期，鉆孔SK1水質(zhì)為5類水，超標(biāo)項(xiàng)為總Fe，4類超標(biāo)項(xiàng)為Mn。鉆孔SK3在豐水期和枯水期4類水超標(biāo)均為總Fe，豐水期5類水超標(biāo)項(xiàng)為pH值?？傮w上降雨補(bǔ)給對(duì)地下水水質(zhì)有影響不大。故該水源地地下水需經(jīng)過除鐵、錳和煮開后可作為集中式生活飲用水水源[8]。

3.2 水文地質(zhì)參數(shù)

研究區(qū)抽水試驗(yàn)基本為單孔穩(wěn)定流抽水。考慮到抽水井井損較大，利用抽水井3次降深數(shù)據(jù)，對(duì)井損進(jìn)行計(jì)算[9]。經(jīng)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算[10,11]，水源地Ⅰ區(qū)含水層滲透系數(shù)平均值K=5.047 m/d，Ⅱ區(qū)含水層滲透系數(shù)平均值K=9.739 m/d(表1)。由于本次單孔抽水試驗(yàn)延續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，降深影響范圍未到邊界，抽水試驗(yàn)可以概化為各向均質(zhì)無限含水層的定流量抽水，采用非穩(wěn)定流公式進(jìn)行給水度(μ)的計(jì)算[12]。結(jié)果顯示(表2)，Ⅰ區(qū)含水層給水度(μ)為0.03，Ⅱ區(qū)含水層給水度(μ)為0.051。

表1 大茅應(yīng)急地下水源地鉆孔抽水試驗(yàn)成果表

表2 大茅應(yīng)急地下水源地水文地質(zhì)參數(shù)給水度計(jì)算表

3.3 天然補(bǔ)給資源量

大茅水源地四周為剝蝕丘陵區(qū)，水源地為山間盆地，是地下水匯集區(qū)。根據(jù)區(qū)內(nèi)的測(cè)流資料，采用徑流模數(shù)法估算水源地枯季天然資源量[13]；年平均天然資源量為枯季天然資源量乘以水量增大系數(shù)β。

天然補(bǔ)給資源量計(jì)算公式：Q枯=84.6MF

(1)

Q年=βQ枯

(2)

上述(1)式中Q枯為枯季地下水天然資源量(m3/d)；M為研究區(qū)地下水逕流模數(shù)(L/s·km2)；F為計(jì)算面積(km2)。(2)式中Q年為年平均地下水天然資源量(m3/d)；β為水量增大系數(shù)。

根據(jù)水源地內(nèi)測(cè)流點(diǎn)TQD1的徑流模數(shù)(圖1)，取水源地徑流模數(shù)為11.35 L/s·km2；采用Mapgis軟件量取水源地(Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū))匯水面積，F(xiàn)總=FⅠ+FⅡ=58 km2；選擇雅量水文站1998-2004年觀測(cè)資料，采用匯水區(qū)逐年各月最小流量的多年平均值與枯季平均值之比求得水量增大系數(shù)β值為1.66。

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

3.4 可采資源量

表3 大茅應(yīng)急地下水源地分區(qū)含水層的水文地質(zhì)參數(shù)

表4 大茅水源地水文地質(zhì)鉆孔涌水量表

表5 大茅水源地裂隙溶洞水不同開采條件下降深試算表

3.4.1 水文地質(zhì)計(jì)算模型概化

本次水源地論證的地下水類型為碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。根據(jù)該地下水類型分布情況、物探解譯成果及本次區(qū)內(nèi)鉆孔控制，將研究區(qū)可開采資源量分兩個(gè)區(qū)分別計(jì)算(圖1)，分別采用區(qū)內(nèi)控制鉆孔計(jì)算的水文地質(zhì)參數(shù)。

(1)含水層：假定水源地各分區(qū)為均質(zhì)各向同性，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)詳見表3。

(2)基于本次水源地鉆孔抽水試驗(yàn)及含水層頂板埋深考慮。Ⅰ區(qū)水位降深0.24～14.3 m，含水層頂板埋深18.2～35.71 m，基于區(qū)內(nèi)含水層頂板埋深起伏較大，本次推算可采降深取在含水層頂板之上，取15 m。含水層厚度平均值的2/3約為58.97 m；Ⅱ區(qū)水位降深3.06～8.91 m，含水層頂板埋深23.45～34.66 m，區(qū)內(nèi)含水層頂板埋深較為均勻，故本次推算可采降深取含水層頂板平均值為30 m，含水層厚度平均值的2/3約為70.84 m。綜上分析，水源地設(shè)計(jì)出水量推算降深為Ⅰ區(qū)為15 m，Ⅱ區(qū)為30 m(不考慮隔水邊界的影響)；實(shí)際可采降深，Ⅰ區(qū)控制在58 m，Ⅱ區(qū)控制在70 m。

3.4.2 研究區(qū)可采資源量采用布井法計(jì)算

水源地鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果顯示(表4)，水源地Ⅰ區(qū)水位降深0.24～14.3 m，設(shè)計(jì)鉆孔出水量的推算降深為15 m，統(tǒng)一200 mm口徑和15 m降深后涌水量1 308.57～8 882.58 m3/d；水源地Ⅱ區(qū)水位降深3.06～8.91 m，設(shè)計(jì)鉆孔出水量的推算降深為30 m，統(tǒng)一200 mm口徑和30 m降深后涌水量1 876.84～19 071.36 m3/d。故水源地Ⅰ區(qū)設(shè)計(jì)推算降深15 m，取涌水量QⅠ的平均值5 000 m3/d是有保證的；Ⅱ區(qū)設(shè)計(jì)推算降深30 m，取涌水量QⅡ的平均值9 000 m3/d是有保證的。

根據(jù)根據(jù)泰斯井函數(shù)分別試算無限邊界條件下不同距離處的降深[14]，計(jì)算公式為：

(3)

(3)式中：s為實(shí)測(cè)降深(m)；Q為抽水流量(m3/d)；K為滲透系數(shù)(m/d)；h0為含水層厚度(m)；a為水頭傳導(dǎo)系數(shù)；r為距抽水井距離(m)；t為抽水延續(xù)時(shí)間(d)；μ為給水度。

本水源地主要服務(wù)于季節(jié)性干旱期和突發(fā)事件期三亞中部水廠、吉陽(yáng)區(qū)及海棠區(qū)應(yīng)急供水。三亞地區(qū)旱季一般為6個(gè)月[15]，將本水源地應(yīng)急開采時(shí)限設(shè)定為3個(gè)月。按設(shè)計(jì)開采量連續(xù)開采時(shí)間90天，分別驗(yàn)算不同距離處的降深值。

根據(jù)試算結(jié)果(表5)，在無限邊界和按設(shè)計(jì)開采量連續(xù)開采時(shí)間90天情況下，水源地Ⅰ區(qū)單井開采量5 000 m3/d時(shí)，距離其2 600 m處引起的降深約0.12 m，基本可以忽略其影響；距離其1 600 m處引起的降深約0.52 m；距離其600 m處引起的降深約1.95 m；距離其300 m處引起的降深約3.13 m；距離其100 m處引起的降深約5.07 m；在開采井中心引起的降深約17.39 m。可以看出距離擬設(shè)井600 m以上，地下水降深及其增率變緩，距離虛擬井600 m以下處引起地下水降深及其增大速率較大。故水源地Ⅰ區(qū)布井間距在600 m比較合理，邊界范圍線呈北東南西向。同理可得，水源地Ⅱ區(qū)單井開采量9 000 m3/d時(shí)，水源地Ⅱ區(qū)布井間距600 m比較合理，邊界范圍線呈北南、東西向。綜合測(cè)算表分析，大茅應(yīng)急地下水水源地Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)布井間距均為R=600 m。

應(yīng)急地下水源地采用集中布井方式長(zhǎng)期開采地下水[16]，在一定范圍內(nèi)容易形在降深較大的降落漏斗，引發(fā)環(huán)境地質(zhì)問題，而且由于開采井之間距離較近，水量消減作用較大。同時(shí)，水源地開采對(duì)象為碳酸鹽巖類裂隙溶洞水，含水層特征為巖層溶洞和裂隙發(fā)育的地方富水。因此，本水源地建議在物探成果解譯基礎(chǔ)上，在物探解譯溶洞和裂隙發(fā)育地段布井，采用網(wǎng)格布井方式，井徑200 mm。在距離邊界100 m范圍內(nèi)不布井。水源地Ⅰ區(qū)布井12口，共2排6列井，距北東、南西邊界250 m，北西、南東邊界200 m；Ⅱ區(qū)布井9口，共3排3列井，距北、南邊界250 m，西、東邊界275 m(圖3)。

表6 大茅應(yīng)急地下水源地群井抽水與隔水邊界水流量折減計(jì)算表

根據(jù)泰斯直線邊界附近的井流公式的反映法原理[17]，水源地Ⅰ區(qū)可反映為無限平面上72口同時(shí)刻工作的等強(qiáng)度的抽水井，水源地Ⅱ區(qū)可反映為無限平面上45口同時(shí)刻工作的等強(qiáng)度的抽水井(圖3)?？紤]隔水邊界及群井抽水干擾影響，最終的水源地?cái)M設(shè)井試算結(jié)果見表6。

水源地Ⅰ區(qū)群井開采，設(shè)計(jì)降深15 m時(shí)，由于隔水邊界及群井抽水干擾影響，實(shí)際修正降深45.76～38.60 m，流量折減系數(shù)0.33～0.38，單井涌水量1 664～1 900 m3/d；Ⅱ區(qū)群井開采，設(shè)計(jì)降深30 m時(shí)，由于隔水邊界及群井抽水干擾影響，實(shí)際修正降深38.22～41.08 m，流量折減系數(shù)0.33～0.36，單井涌水量3 005～3 230 m3/d。水源地共布置口徑200 mm的取水井21口，井群涌水量49 534 m3/d。

圖3 大茅地下水源地?cái)M設(shè)井設(shè)計(jì)位置 (水源地范圍見圖1)

4 討論

4.1 應(yīng)急保障程度分析

大茅應(yīng)急地下水源地設(shè)計(jì)最大應(yīng)急時(shí)限為3個(gè)月，應(yīng)急期內(nèi)總開采量為4.46×106m3，其中Ⅰ區(qū)應(yīng)急期內(nèi)開采量1.91×106m3，Ⅱ區(qū)應(yīng)急期內(nèi)開采量2.55×106m3。若不考慮應(yīng)急開采期內(nèi)降雨補(bǔ)給，開采量主要消耗儲(chǔ)存量，對(duì)比開采量與儲(chǔ)存量，當(dāng)水源地Ⅰ區(qū)地下水位總體下降18.3 m時(shí)，釋放的儲(chǔ)存量為1.92×106m3即可滿足開采需要；當(dāng)水源地Ⅱ區(qū)地下水位總體下降16.9 m時(shí)，釋放的儲(chǔ)存量為2.56×106m3即可滿足開采需要。若考慮開采層接受降雨補(bǔ)給，根據(jù)枯季徑流模數(shù)法計(jì)算的枯季天然補(bǔ)給資源量為56 877 m3/d，較設(shè)計(jì)開采量多7 343 m3/d；年平均地下水天然資源量為94 416 m3/d，較設(shè)計(jì)開采量多44 882 m3/d。水源地滿足開采量后停采，一個(gè)雨季地下水位可恢復(fù)至開采前。

綜上所述，本次計(jì)算得到的大茅應(yīng)急地下水源地開采量為49 534 m3/d，該設(shè)計(jì)開采量是有保證的。應(yīng)急水源地按設(shè)計(jì)開采地下水，不會(huì)引發(fā)環(huán)境地質(zhì)問題，停采后可恢復(fù)至初始水位，同時(shí)能保證周邊城鎮(zhèn)居民約66萬人3個(gè)月的應(yīng)急供水需要(表7)。

表7 三亞大茅應(yīng)急地下水源地應(yīng)急保障人數(shù)計(jì)算表

4.2 開發(fā)利用與保護(hù)對(duì)策

大茅水源地為覆蓋型碳酸鹽巖區(qū)，含水層結(jié)構(gòu)單一，而且含水層埋深較淺?？碧诫A段需選取有代表性的2～3個(gè)區(qū)段，開展長(zhǎng)期群孔干擾抽水，并同步監(jiān)測(cè)邊界處的水位、水質(zhì)變化情況，以論證資源量和預(yù)測(cè)地下水環(huán)境變化。水源地勘探井、開采井多為150 m淺井，投入的勘探、施工成本低，經(jīng)濟(jì)上可行。

如上所述，應(yīng)急開采時(shí)間內(nèi)一般不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境地質(zhì)問題，布井位置應(yīng)根據(jù)物探及其他勘查方法確定水源地內(nèi)巖石溶洞或裂隙發(fā)育位置。布井間距太寬出水量達(dá)不到最大出水量，布井間距太窄，成本會(huì)增大，布井間距建議600 m，距離隔水邊界不小于100 m。開采井最大控制降深建議60～70 m。同時(shí)，大茅應(yīng)急地下水源地局部地段含水層頂板埋藏較淺，與地表水體、上部第四系松散孔隙潛水及周邊基巖裂隙水水力聯(lián)系密切，應(yīng)在水源地匯水面積區(qū)重視水源地保護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)大茅水源地開采對(duì)象主要為覆蓋型碳酸鹽巖類裂隙溶洞水，地下水需經(jīng)過處理鐵、錳等超標(biāo)組分后可作為集中式生活飲用水水源，枯季天然補(bǔ)給資源量56 877 m3/d，年平均地下水天然補(bǔ)給資源量為94 416 m3/d。

(2)考慮隔水邊界及群井抽水干擾影響，計(jì)算得到大茅水源地應(yīng)急開采量為49 534 m3/d，不會(huì)引發(fā)環(huán)境地質(zhì)問題，水源地停采后一個(gè)雨季地下水位可恢復(fù)至開采前。