上海市地下水應急水源地規劃戰略研究

張月萍，劉金寶，俞俊英

(1.上海市水文總站，上海 200232;2.上海市地質調查研究院，上海 200072)

現階段城市安全供水存在一定隱患，尤其在遭受戰爭、恐怖襲擊、地震、海嘯、火災、潮災、旱災、水質污染及公共衛生事件、大面積長時間停電等突發性災難導致城市自來水供水水源遭受嚴重破壞無法正常供水時，該問題尤為突出。

解決城市應急狀態時的供水問題，是一項關系到國計民生的大事，一定程度上左右著城市的階段性發展，而優質、豐富的地下水資源，具有易保護、易儲存、不易受污染等特點，是應急狀態下最為理想的供水水源。因此，地下水應急水源地作為緊急啟用的暫時性后備供水水源地，涉及到城市的供水安全問題，不容忽視［1－2］。

上海作為國際大都市，地處東海之濱，黃浦江、長江等地表水作為自來水水源，但現階段存在較為嚴重的污染現象，目前上海已進入水質型缺水城市行列，更應重視城市地下水應急水源地建設。區內地下水主要賦存于松散巖類孔隙介質中，其次賦存于碎屑巖類孔隙、碳酸鹽巖類裂隙溶洞和基巖裂隙中，地下水的賦存與分布受控于區域地貌、地層巖性、厚度及地質構造等因素。松散巖類孔隙水是區內主要的地下水類型，蘊含豐富的地下水資源，按其成因類型、時代、礦化度和水化學類型，以及彼此間的水力聯系密切程度，可將松散巖類孔隙水劃分為各具特點的三個含水巖組和七個含水層。分別為全新統潛水含水巖組，包括潛水含水層和微承壓含水層;中、上更新統承壓含水巖組，包括第一、二、三承壓含水層;以及下更新統承壓含水巖組，包括第四、五承壓含水層［3］。其中第二、三、四、五承壓含水層中大量淡水資源分布區，具有集中開采價值，可作為供水水源，是地下水應急水源地建設主要考慮地區。

1 地下水應急水源地規劃

1.1 地下水應急水源地調查

根據應急供水的需求類型、地理位置、城市規劃功能區，上海市應急水源地建設規劃可分為三大類:

第一類為島嶼，該地區因特殊地理位置，規劃重點是應對以咸潮時間過長、地表水源受污、發生嚴重干旱等事件為主的應急地下水供水水源地，重點解決分散島嶼居民的生活用水和部分特殊工業用水，水源地供水時間相對較長。該地區第五含水層具備應急水源地建設水量與水質條件。

第二類是城市重點地區，主要指中心城，規劃重點是確定大(中)型應急地下水水源地，以應對各種可能發生的供水中斷或不足的危機。重點解決緊急狀態下城市居民的生活用水和特殊工業用水。對這類水源要求供水量大、集中，供水時間較短。該地區第二、三、四、五含水層具備應急水源地建設水量與水質條件，局部地區第二、三含水層為微咸水。

第三類為城市規劃新城區，規劃重點是應對各種原因引發的應急供水事件，建立中小型應急供水水源地。重點是解決中小城鎮居民生活用水。該地區第二、三、四、五含水層除基巖殘丘地區或古潛山淺埋地區基本缺失外其余地區廣泛發育，但地下水質量在不同地區差異較大，但地下水質量在不同地區差異較大，有一層或多層地下水滿足應急地下水水源質量和供水量要求。

1.2 地下水應急水源地圈定

根據上述不同區域人口分布、地區重要性、地下水開采現狀與規劃、地下水資源分布等情況綜合分析，圈定集中與分散相結合、大型(日取水量大于等于5萬 m3)和中型(日取水量界于1～5萬 m3)相結合的地下水應急水源地，共14處應急水源地，分布于上述三類主要地區(表1)。

表1 含水層地下水應急水源地一覽表

中心城為城市人口密集、工程建設程度強烈、地面沉降重點防治地區，地下水應急水源地建設充分利用中心城現有供水管路及現有取水設施，滿足應急狀態下城市經濟建設順利開展、大量居民正常供水，圈定為大型地下水應急水源地。

三島地理位置相對獨立，考慮應急狀態下取水便捷，并能充分利用各島現有供水管路及現有取水設施，分別圈定崇明島重點發展的城橋新城、陳家橋新城，長興島、橫沙島為中型地下水應急水源地。

其余分散分布于寶山、嘉定、青浦、松江、奉賢、南匯、金山等郊區重點發展的新城區，將形成產業發展的新型都市，人口密集，一旦出現供水問題，將在短時間內需要大量的水資源，來滿足經濟發展、受災人口的生活用水所需，這些重點發展的新城區同樣圈定為中型應急水源地。

2 應急供水方案制定

2.1 地下水環境容量

應急供水方案除考慮人口、經濟要素外，還應考慮到區域地質環境的承受能力，開采后是否產生嚴重的地面沉降問題(或應急期間有產生嚴重次生災害的可能)，與地下水環境容量密切相關，因此在制定應急供水方案前首先要確定地下水環境容量。

由此建立了三維變系數地下水滲流－一維地面沉降非線性耦合數學模型，考慮土體的粘彈塑性變形特征，采用適應上海大區域三維問題求解的多尺度有限元法對研究區數值模型進行求解［4］。在此基礎上應用“臨界水位”研究成果［5］，設定地面沉降與地下水位約束條件，第二、三、四、五承壓含水層最低地下水位分別不低于 －3 m、－5 m、－20 m、－25 m，地面沉降速率不大于5 mm/a，考慮水質問題，采用罰函數法與變尺度法相結合的途徑進行優化反演分析，得出現階段地下水環境容量總量為2 500萬 m3/a，并對現階段的開采布局進行了優化［6］。

2.2 應急供水方案

在地下水環境容量前提下，結合上述不同區域人口分布、地區重要性、地下水開采現狀與規劃、地下水資源分布等情況綜合分析，圈定集中與分散相結合、大型(日取水量大于等于5萬 m3)和中型(日取水量界于1～5萬 m3)相結合的地下水應急水源地(表2)。

3 環境地質問題預測評估

在應急供水情況下，以確保應急供水量為主要目的，但由于短時間內集中、高強度的地下水開采，可能產生一定程度的地面沉降，為及時了解應急開采地下水過程中地面沉降發展趨勢，避免應急供水期間因產生嚴重的地面沉降而引發其它次生災害或使影響程度盡可能地降低至最小限度，需對應急供水情況下可能引起的環境地質問題進行預測評估。

利用上述建立的地面沉降數學模型，對應急開采方案下的地面沉降進行預測。以采用上述應急開采方案開采90天為例，地面沉降預測分布情況如圖1所示。中心城應急水源地因應急開采量為其它水源地的10倍，產生的地面沉降現象比較明顯，且呈微量增加態勢。金山新城應急水源地，因含水層水文地質條件相對較差，且其東部基巖隆起含水層側向補給條件明顯削弱，補給條件較差，易產生地下水位下降及地面沉降。惠南新城、臨港新城、松江新城、青浦新城、浦東國際機場、奉賢海濱農場區，在實施應急開采方案后，有微量的地面沉降產生，并隨著時間的推移， 下降趨勢不甚明顯。其余應急水源地地面沉降現象總體不甚明顯。

表2 水源地應急供水方案一覽表

4 結語

在城市發展過程中，應急水源地建設至關重要，關系到人民生命安全和社會安定團結，通過上海市地下水應急水源地規劃戰略研究，得出如下結論:

(1)在地下水應急水源地調查基礎上共圈定了14個地下水應急水源地，圈定的大型、中型地下水應急水源地數量及布局合適。

(2)制定的應急供水方案考慮了地下水環境容量的限制，并對可能產生的環境地質問題及可能進一步引發的次生災害進行了預測分析，注重地下水可持續開發利用，避免因地下水的過度開采造成含水層的破壞或不可恢復。

［1］史正濤，劉新有.城市水安全與應急水源地建設——以昆明市為例［J］.城市問題，2008，2:24～28.

［2］葉勇，謝新民，柴福鑫等.城市地下水應急供水水源地研究［J］.水電能源科學，2010，28(1):47～49.

［3］魏子新，楊桂芳，俞俊英.上海市承壓含水層系統應力－應變特征及地面沉降防治對策［J］.中國地質災害與防治學報，2005，16(1):5～8.

［4］薛禹群，葉淑君，謝春紅，張云.多尺度有限元法在地下水模擬中的應用［J］.水利學報，2004，7:7～13.

［5］魏子新.上海市第四承壓含水層應力應變 －分析［J］.上海地質，2002(1):1～4.

［6］劉金寶，張月萍，吳建中.上海地下水環境容量評價及在地面沉降控制中的應用［J］.上海地質，2010(4):24～28.