张念龙

(山西省运城市涑水河河务局，山西 运城 044000)



运城市城区水源地可采资源量评价与封井限采试验研究

张念龙

(山西省运城市涑水河河务局，山西 运城 044000)

[摘要]运城市城区水源地中深层承压水，由于持续过量开采形成了100 km2的地下水位下降漏斗。通过对城区水源地含水系统的分析，把水位升降值看作是大气降水入渗和人工开采对含水系统输入激励的响应输出，采用数理统计分析方法建立线性时不变集中参数系统输入响应数学模型评价可采资源量。对地下水漏斗水位恢复进行初步预测，并对已实施的两次封井限采使漏斗中心水位回复效果进行分析。针对近年城区水源地承压水水位动态变化，结合现状开采状况，提出今后封井限量开采的建议，指出封井限采措施在以地下水为主要水源的北方中小城市推广应用有着重要的社会效益和生态环境效益。

[关键词]沉积；卤水

运城市位于山西省西南端，与河南、陕西以黄河为界，是晋南的经济文化中心。运城市城区水源地属于涑水盆地的一部分，是以运城市区为中心，面积约20 km2。由于盆地特殊的地理气候环境和水文地质条件，浅层地下水是咸水，矿化度高，硬度大，氟、硫酸、氯等离子严重超标，不能作为城市的生产和生活用水水源，因而中深层承压水早在上世纪五六十年代已被开发，年开采量约10万 m3，七十年代年开采量逐渐增大约130万 m3，八十年代开始大量开采，1987年开采量已达1 013万 m3，以后随着城市工业生产发展及人口的增加，地下水开采量逐年增大，到1997年城区开采量已达到1 491.4万 m3，中深层承压水也形成面积约100 km2的区域下降漏斗。八、九十年代随着城区水源地中深层地下水开采量持续加大，城区承压水水位下降速率为每年2～5 m，一直到2002年城区承压水降落漏斗中心位降累计幅已达到122.18 m。为了控制城区地下水位的持续下降，于2005年开始实施封井限采，水位逐渐开始回升，且效果明显。本文就运城市城区水源地可采资源量进行了计算，并就中深层承压水限量开采和降落漏斗水位回升预测进行了探讨研究。

1运城城区水源地含水系统分析

运城市城区水源地含水系统属于涑水盆地地下水流动系统一部分，含水层岩性及结构与涑水盆地一致，大致可分为浅、中、深三个含水层组和两个弱透水层，构成一个五层结构越流含水系统。

浅层水含水层岩性以亚粘土、亚砂土为主，偶见粉细砂，含水层厚约10～30 m，水位埋深为2～30 m，直接受降水入渗补给，径流方向由北向南，主要排向盐湖，部分靠潜水蒸发或形成地表积水再蒸发排泄。在开采中深层水的条件下，通过下伏弱透水层向中深层越流排泄。

中层水含水岩性以细砂、中细砂为主，顶板埋深在70～130 m之间，含水层厚度20～50 m。在天然状态下，向盐湖通过向上越流而排泄，补给来源主要靠盆地两边山区及黄土岗地降水人渗径流补给。原水头高于地面(高程约360 m)7～10 m．开采后形成降落漏斗，水位埋深在70 m左右，其补给来源靠浅层水通过弱透水层越流补给以及漏斗周围径流补给，排泄方式主要是开采和向深层水越流。

深层水含水层岩性主要由粉细砂、中粗砂以及砂砾石组成，总厚度20～60 m不等。补径排与中层水相似，只是在开采条件下水头埋藏较深，在80～100 m之间。

总的来说，作为运城城区水源地的中深层孔隙水补给来源主要是靠垂直渗入补给以及侧向径流补给，排泄主要是人工开采。

2运城城区水源地可采资源量评价

2.1可采资源量计算方法选择

一个水源地可开采资源量多少取决于开采条件下的补给量，也与开采的技术经济条件和开采方案有关。由于一个水源地的水文地质条件、水文地质研究程度、资料的丰富程度、供水量的大小、评价的精度不同，以及采用的方法不一致，其结果相差甚大，其中起决定作用的是水文地质条件。在一定水文地质条件下选择计算方法不当，必然导致结果有误。目前，对水源地可采资源量计算方法主要有开采试验法、解析法、数值法以及数理统计分析法等。

开采实验法及解析法一般适用于水源地具有定水头边界，水文地质条件清楚，但可根据抽水量能否满足供水要求，分别采用开采实验法或解析法；数值法适用于一个水源地是一个完整的水文地质单元、边界条件清楚、地下水动态观测系列较短；而数理统计分析法则适用于水源地不是一个完整的水文地质单元，且边界条件不清，但须具有系列较长的降雨、开采等补给、排泄项和水位动态观测资料。

运城城区水源地面积20 km2，范围较小，属于涑水盆地地下水流动系统的一部分，不是一个完整的水文地质单元，而且城区水源地的边界也没有设置专门地下水观测网，边界条件不清，但水源地内有系统的降雨、水位观测资料和历年开采量统计资料，因此，可采资源量计算适合采用数理统计分析法。

2.2可采资源量计算

运城城区水源地中深层孔隙水补给来源主要是靠垂直渗入补给以及侧向径流补给，排泄主要是人工开采。因此，可将水位升降值看作是大气降水入渗和人工开采对含水系统输入激励的响应输出。所以对城区水源地可开采量的评价，采用数理统计分析法建立线性时不变集中参数系统输入响应数学模型，若以月为计算时段，则数学模型可表示为：

(1)

式中：△H(t)为t时段的水位升降值，m；P(t-Z1)为t-Z1时段降水量，mm；Z1为降雨人渗补给延迟时间，Z1=0，1，……；W(Z1)为Z1时段的权系数；Q(t-Z2)为t-Z2时段的开采量，m3；Z2为开采影响延迟时间，Z2=0，1，……；W(Z2)为Z2时段的权系数；ξ(t)为除当地降雨人渗补给和人工开采以外的其它变量及各种误差对水位影响的总贡献。

在(1)式中，右边是延迟时间为Z1的以前历月降水量P(t—Z1)以不同权重W(Z1)作用的叠加值，延迟时间不同，其权重也不同。第二项延迟时间为Z2的以前历月的开采量Q(t—Z2)以不同权重W(Z2)作用的叠加值。同样道理，延迟时间不同，其权重也不同。一般来说，随着延迟时间的增加，权重逐渐变小，当延迟时间增大至某一数值时，此时的降水量、开采量对水位变化的贡献已小到忽略不计，这时，(1)式可截断为：

(2)

式中：K1、K2为截断的月份，其它符号同前。

这是一双输入单输出系统的数学模型，利用地下水位变化值、月降水量以及月开采量资料，采用最小二乘法，求得模型中各项权系数，便可进行可开采量的计算。

为了利用数量统计分析法计算城区可开采量，对地下水位升降值采取滤波处理，即采用滑动平均求得数据的均值；开采量采用了月开采量分配系数，降水量月有效值采用延迟补给权系数法进行处理。代人(2)式，分别求得延迟5个月、7个月、9个月以及1 1个月的数学方程、复相关系数(R)及剩余标准差(s)，进行显著性检验以及复相关系数比较，选出降雨延迟补给时间为9个月的方程式为预测方程。即:

△Ht=0.001 61Pt-0.001 06Qt-1-0. 002为75Qt+0.173 51

(3)

运城市城区水源从五十年代开采到1990年已形成区域下降漏斗，漏斗中心水位累计降幅已达到48.53 m，随着持续的过量开采，2000年漏斗中心水位累计降幅已达到118.85 m，说明开采量严重超过了可开采量。若要控制水位不出现持续下降，只要多年平均水位升降值为0，即∑△H(t)=0。这时的开采量即为所求的可开采量。

从多年平均角度来说，以年为计算单位，(3)式中写为：

式中从多年平均角度来说：

因此得：

(4)

本次利用1956-2000年进行多年平均可采资源量的计算，把以后的2001-2014年作为预测和限采效果检验年。因此，根据1956-2000年45年降水量的平均值Py=538.94 mm，

代入(4)式得： Qy=774. 23×104m3。

即运城市城区地下水可采资源量为774.23×104m3/a。这个可开采量即为在多年地下水位变化值为0时的开采量，理论上来说，只要年开采量控制在此范围内，运城城区地下水位不会出现持续下降。

2.3封井限采使承压水漏斗中心水位回升预测

老巴在急救室门口只坐了一会儿，医生便走了出来。医生平淡地说：“人已经完了。心肌梗死。”半小时后，阿里的母亲便被送到了太平间。阿里的弟弟阿东赶到医院时，老巴蹲在太平间门口，他已经悲伤得嗓子发不出声音。罗四强和李丽红都在劝他先回家去。

运城城区水源地地下水可采资源量为774.23×104m3/a，这一可开采量是按45 a平均降水量计算出来的，若按丰水年(保证率25%)降水量611.65 mm计算，保持此开采量地下水位每年将回升0.12 m；若按枯水年(保证率80%)降水量454.5 mm计算，保持此开采量，每年水位将下降0.15 m。若年开采量减至365×104m3/a，在平水年水位回升1.54 m/a，在丰水年水位回升1.66 m/a，在枯水年水位回升1.40 m/a。若平均每年回升1.5 m/a计算，要使地下水位下降漏斗恢复到50年代水平(360 m)需要95 a。若不能实施限量开采措施，开采量得不到控制，中深层承压水漏斗中心水位将持续下降。

3运城城区水源地地下水限量开采实施

3.1外调水源入城是限量开采的前提条件

八十年代末期及九十年代，运城市城区工业生产和城市规模不断扩大，人口也逐年增加，用水量也不断的扩大，导致城区地下水持续过量开采，地下水位不断下降，供需矛盾日益尖锐。为了解决运城市城区供水日益增加的需水量，以及缓解地下水位的不断下降，运城市政府决定从区外调水入城。随着“引泗济运”和“引黄济运”两大调水工程于1993年把夏县泗交水、1999年把永济黄河滩蒲州水源地水调入城区供水管网后，才使得城区地下水限量开采的实施成为可能。

多年来，城区供水公司外调水源对城区用户的供水量也逐年增加，2004年供水量697万 m3，2010年城区供水量1 039万 m3，2014年城区年供水量1 370万 m3。目前，供水公司的供水能力完全有保障在城区水源地范围内对中深层承压水继续实施封井限采。

3.2限量开采的实施

为了控制城区地下水漏斗的不断扩展和地下水水位的以每年2～5 m的速度的下降及其引起的咸水倒灌等环境问题，于2005年开始实施封井限采措施。

第一次封井限采：封井工作于2005年4月—2008年12月实施，共封深井78眼，城区新增用供水公司户3 508户，限采中深层地下水176万 m3。

城区水源地以上两次共封井581眼，限采地下水258万 m3。

3.3限量开采实施前后的漏斗中心水位回升效果分析

运城城区水源地地下水可采资源量为774.23×104m3/a是按45 a(1956—2000年)平均降水量计算出来的。在限采之前的2001-2004年降雨量、开采量、漏斗中心水位见表1。

表1　限采前后地下水位变化对比表

从表中可以看出，封井限采(2005年)以前因开采量一直在1 000万 m3以上，且降水量较少，漏斗中心地下水位一直处于下降状态；2003年降水量增大，开采量也相对减少，漏斗中心地下水位回升也较大。

第一次封井于2005年4月—2008年12月实施，之前的2004年城区地下水开采量1 148.6万 m3，城区漏斗中心水位为217.82 m，与五六十年代相比累计降幅已达103.1 m。封井后的2006年城区地下水开采量908.3万 m3，城区的地下水漏斗中心水位257.17 m。封井前后地下水位回升20.27 m。

第二次封井于2011年5月—2011年12月在全城开始实施，封井后的2012年城区地下水开采量728.5万 m3，城区的地下水漏斗中心水位254.84 m，虽然与封井之前的2010、2011年地下水位264.24 m和266.63 m相比水位下降，这主要由于2012年降水量仅有384 mm ，远小于2010年的568.6 mm和2011年的714.9 m所致,而并非第二次封井限采没有作用。

总的来讲，城区水源地实施封井限量开采，使地下水位漏斗中心水位回升效果明显。

3.4今后限量开采实施意见

3.4.1现状开采量

2014年城区水源地范围内还有深层承压水开采井80余眼，均为工业及城市生活用水井，开采量仍达729.54万 m3，主要集中在南城区开采量为296.6万 m3，占总开采量的40.66%；北城区开采量为150.45万 m3，占总开采量的20.62%；西城区开采量约为145.21万 m3，占总开采量的19.90%；东城区开采量最小，约为137.28万 m3，占总开采量的18.82%。年内6-9月开采量较大，为313.4万 m3，占总开采量的43.00%。

3.4.2今后限采量的确定

根据2000年以后的运城城区降雨系列资料，2001-2014年的年降雨量平均为481 mm,仍达不到1956—2000年的平均降水量538.1 mm和平水年(50%)的降水量516.1 mm，只比枯水年(80%)的降水量454.5 mm多26.5 mm。因此，今后再继续实施限量开采，必须按枯水年(80%)的降水量454.5 mm来考虑限采，即把年开采量将至365×104m3/a，在枯水年水位可回升1.40 m/a。若平均每年回升1.4 m/a计算，要使2014年地下水位区域下降漏斗(2014年中心水位255.05 m)恢复到50年代(水位360 m)水平，仍需要75 a。

3.4.3具体限采方案的实施意见

因此，在运城城区仍需加大封井限采的力度，把年开采量逐步降低，争取使开采量保持在365×104m3/a。具体限采方案是对南城区采取封井限采150万 m3，北城区封井限采70万 m3，西城区限采70万 m3，东城区限采70万 m3。

封井限采虽然对城区地下水位回升及改善整个涑水盆地的水环境大有好处，但由于会触及到自备水源井用户的既得利益，必然会阻力重重、困难较多，因此，必须由市政府牵头，供水公司和水资源管理部门制定城区封井方案逐年实施。同时，要采取经济杠杆作用和严厉的地下水资源超采处罚政策来限制城区中深层地下水的开采。

4封井限量开采地下水研究的意义

随着封井限采措施的实施，运城市城区水源地范围内地下水位逐年回升，也将使因地下水位严重下降引起的一系列环境水文地质问题，如盐湖咸水倒灌问题、浅层咸水越流补给中深层地下水问题、地裂缝等问题逐步得到改善。因此，封井限采地下水措施在以地下水为主要水源的北方中小城市推广应用，有着较好的社会效益和生态环境效益。

参考文献

[1]李世忠，等.地下水资源调控与管理.

[2]盐湖区水资委，等.运城城区水源地2014年地下水动态分析报告.

[收稿日期]2015-03-14

[作者简介]张念龙(1964-)，男，山西运城人，高级工程师，主要从事水资源开发利用工作。

[中图分类号]TV211.1

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)01-0063-03