上海市地下水環境容量評價及其在地下水資源管理中的應用

張月萍，劉金寶

(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)

上海市地下水環境容量評價及其在地下水資源管理中的應用

張月萍1，劉金寶2

(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)

通過在分析上海市地下水環境特征及地下水資源開發利用產生的環境問題，依據地下水位及地面沉降多年監測數據，確定了地下水位及地面沉降控制指標，并對地下水環境容量模型計算結果進行評價，在將其地下水資源管理應用中，取得較好成效。

地下水環境容量;地下水采灌方案;地下水資源管理

上海是一座水質型缺水城市，水資源短缺及水環境污染將是21世紀面臨的重要問題，地下水作為潔凈、方便的水源，多年來已為上海市城市居民生活以及工農業發展提供了豐富的淡水資源，但長期過量開采地下水引起了一系列生態環境問題，如地下水資源枯竭、地下水位持續下降、地下水水質惡化、海水入侵、地面沉降等，引起了社會各界的廣泛關注和重視。

上海與許多現代大都市一樣，面臨著這樣的困境，一方面是不斷增長的物質財富支撐著現代化的生活方式，另一方面則是環境惡化且有無可挽回的危險［1］。隨著水資源需求的不斷增加，地下水資源的保護以及地下水環境問題的控制、治理等相應變得越來越重要，地下水資源的科學管理成為一個極為復雜的問題。上海地下水資源可持續開發利用歷來是上海市政府極為關注的問題，是《上海市水資源綜合規劃》中重點部署、研究、解決的任務之一。

鑒于此，有必要對上海市地下水資源量進行科學的評價，才能夠對有限的地下水資源進行合理的分配及最大限度的利用，達到科學管理的目的，促進城市的可持續發展［2］。

1 地下水環境容量評價

1.1 地下水環境特征

上海市地處長江三角洲東緣，太湖流域下游。境內除西南部有少量丘陵山脈外，全為坦蕩低平的平原，是長江三角洲沖積平原的一部分。區內地下水主要賦存于松散巖類孔隙介質中，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。

其中具有集中開采價值的、可作為供水水源的第二、三、四、五承壓含水層中分布有大量的淡水資源，蘊含豐富的地下水資源，幾十年來一直作為城市供水補充資源長期被開發利用。據系統監測資料顯示，1961年～2009年間，共開發利用地下水資源50.66億 m3，其中第二、三、四、五含水層地下水開采量分別為8.61 億 m3、10.99 億 m3、24.27 億 m3、6.79億 m3。地下水人工回灌總量為7.45億 m3。60年代初及90年代是地下水開采強度最大的時期，年度平均凈開采量大于1億 m3，而60年代末至80年代是地下水開采強度最小的時期，年度凈開采量介于 0.5～0.7億 m3。

圖1 上海市地下水開采與人工回灌、地下水位和地面沉降歷時變化圖

由于地下水長期的開采，伴隨著多種地質災害也相繼產生，其中最主要的是地下水位持續下降和地面沉降。其中第四承壓含水層地下水位漏斗中心大場地區地下水位由－7 m降低至－45 m，第五承壓含水層地下水位漏斗中心華漕地區地下水位由－15 m降低至－75 m。地下水位下降引起的最直接地質災害是地面沉降，20世紀60年代是地面沉降災害發展最為嚴重的時期，1921—1965年市區平均地面沉降達1.69 m。上海地面沉降經歷了發生—不斷加速—回彈—微量下沉—再次增速—微量下沉的演變過程，中心城區地面沉降的發展速率表現出非線性變化的規律(圖1)。近年來地面沉降在空間上也不斷地擴展，已從中心城區為主演變成區域性的地面沉降，隨著城市化進程加速，近遠郊地區特別是新興城鎮，其地面沉降有明顯增長。

1.2 地下水環境容量評價指標

1.2.1 地下水位約束條件

含水層壓縮變形具有普遍的非線性特征，不同地下水位條件下的變形速率可能相差數倍—數十倍。由于承壓含水層演化過程中前期最大固結壓力的存在，當地下水位下降、含水層承受的附加應力增加至前期固結壓力時，含水層結構無法承載當前有效應力作用，需要通過含水層砂體結構調整和重構以適應當前有效應力狀態，在此過程中承壓含水層固結變形速率會顯著增大，表現為持續的固結壓縮。通過對上海市各含水層地下水位變化及變形特征的分析，存在著季節性高水位期土層回彈逐漸減小并向土層持續性壓縮發展的突變點，此時所對應的年度最低水位就是土層變形的臨界水位，以此作為地下水環境容量評價的地下水位控制目標。

根據地下水位與臨界水位的關系，含水層表現出彈性、彈塑性、塑性三種不同的變形特征，含水層的變形速率存在較大差異，并不與地下水位的下降幅度成完全的對應關系，其中臨界水位所對應的土層變形狀態處于彈塑性變形階段，因此臨界水位可利用含水層變形特征的變化來求得［3－4］。

1)第二承壓含水層

第二承壓含水層應力應變特征分析顯示出較好的彈性特征(圖2)，1990年以后殘余變形量略有增大，應力應變曲線表現為斜率略有變化的兩簇，總體來說處于彈性變形范圍內，因此為維持這一彈性變形特征，根據以往經驗推斷其臨界水位為－3 m，以此作為地下水環境容量計算的第二承壓含水層地下水位約束條件。

圖2 上海市第二承壓含水層應力應變特征

2)第三承壓含水層

第三承壓含水層應力應變特征分析顯示大部分監測點表現出與第二承壓含水層相似的彈性變形特征(圖3)，但當地下水位降至－6.5 m時含水層變形軌跡發生變化，殘余變形略有增加，因此從偏安全角度出發，第三承壓含水層取－5 m，當地下水位高于該水位時，含水層能夠保持彈性變形特征，以此作為地下水環境容量計算的第三承壓含水層地下水位約束條件。

圖3 上海市第三承壓含水層應力應變特征

3)第四承壓含水層

第四承壓含水層應力應變曲線呈現典型的彈性－彈塑性－塑性變形的軌跡，由圖4可以看出，含水層由彈性階段向彈塑性變形階段過渡時，年度低水位一般位于－20～－25 m之間，當年度低水位降至臨界水位時，高水位期回彈量逐漸減小，低水位期沉降逐漸增大，直至土層表現為全年度的持續壓縮，因此可認為該監測點臨界水位位于－20～－25 m，綜合統計上海所有監測點第四承壓含水層的應力－應變特征統計臨界水位，取保守值－20 m，當地下水位高于該水位時，含水層能夠保持彈性變形特征，以此作為地下水環境容量計算的第四承壓含水層地下水位約束條件。

圖4 上海市第四承壓含水層應力應變特征

4)第五承壓含水層

由于對第五承壓含水層應力－應變歷史監測資料不完整，現階段應力應變分析中，基本位于“塑性”變形向“彈塑性”變形轉化的過程中(圖5)，由此推測臨界水位應比現階段水位要高，但其沉積年代早于第四承壓含水層，理論推測臨界水位應比第四承壓含水層要低，結合以往經驗，取－25 m作為地下水環境容量計算的第五承壓含水層地下水位約束條件。

圖5 上海市第五承壓含水層應力應變特征

1.2.2 地面沉降控制目標

隨著地面沉降災害的不斷發展，其對城市防汛的影響程度不斷加重，中心城部分地區已低于黃浦江外灘地區平均高潮位(吳淞高程3.2 m)。同時，近年來軌道交通、磁浮列車等現代化基礎設施投入運營，不均勻地面沉降對其安全運營影響十分顯著。因此，地面沉降在上海城市發展的不同時期，對城市安全影響表面出不同的方面，而且城市安全對地面沉降發展速率和累積程度的承受限度也是不斷降低的。

綜合分析上海地面沉降發展歷史與現狀，城市防汛及軌道交通、磁浮列車、高架橋梁等生命線工程安全管理對地面沉降要求，結合當時經濟社會發展狀況，綜合確定地下水環境容量計算地面沉降控制目標為5 mm/a。

1.2.3 地下水質約束條件

在現有經濟技術水平下，礦化度小于3 g/L的地下水具有開采價值。因此，將礦化度小于3 g/L作為地下水開開采區域的約束條件，礦化度大于3 g/L的區域地下水資源除特定用途外不予開采。

1.3 地下水環境容量計算模型

地下水環境容量實際上是一個復雜的約束優化問題，分為數學模型和優化模型兩部分。首先根據上海市水文地質條件，將整體地下含水層作為一個地下含水系統來綜合考慮，建立三維地下水滲流模型，同時考慮含水層的塑性變形和蠕變，建立非線性區域地面沉降模型，并將地下水滲流和地面沉降計算中有關參數進行非線性耦合，與時間密切相關，最終建立了地下水環境容量計算的數學模型［5］。然后在數學模型基礎上，通過分析實際資料和試算確定約束條件，根據開采量、地下水位和地面沉降之間的相關關系，采用罰函數法與變尺度法相結合的途徑建立優化模型，進行優化反演分析。

輸入初始井流量，調用數值模型進行正分析，計算得出各剖分節點上的地下水位和地面沉降值，代入目標函數并計算函數值:

式中:Si為各剖分節點上的地下水位或地面沉降值，S允許為各剖分節點上的地下水位或地面沉降控制條件，n為總剖分節點數。

將計算得到的目標函數值代入收斂判別式，若滿足判別式，則輸入的井流量總和即為滿足地面沉降控制條件的地下水環境容量;若不滿足，則根據計算值與控制條件的差異情況，調整開采量，代入模型迭代計算，直至滿足條件為止。

1.4 地下水環境容量評價

以上海市2005年地下水開采格局作為地下水環境容量計算的初始條件，其最終評價結果為2 500萬 m3/a，并將該最佳開采方案代入模型進行預測至2010年，預測結果如圖6(以第四承壓含水層為例)所示，整體地下水流場較平緩，以金山西部楓涇地區最低，主要是受相鄰邊界浙江地區的地下水開采影響所致，與江蘇交界的嘉定北部也存在小面積的地下水位漏斗，區內開采對水位的變化影響只起到次要作用，因此控制上海相鄰邊界的開采量尤為重要。

圖6 上海市第四承壓含水層地下水位預測分布圖

地面沉降預測如圖7所示，地面沉降得到較大緩解，除存在少量局部零星點達到5 mm/a的沉降漏斗(主要分布于上海與江、浙兩省的交界處)外，大部分地區的年均沉降量均小于5 mm/a，基本位于2～3 mm/a以內，達到設定控制要求。

圖7 上海市2006－2010年累計地面沉降預測分布圖

2 地下水環境容量在地下水資源管理中的應用

2.1 地下水開采與回灌方案編制

為保護地下水資源，防治地面沉降，上海地區不斷加強地下水資源管理力度，每年在深入分析上年度開采與回灌方案執行情況的基礎上，基于當前地下水開采與回灌格局、地下水位及地面沉降情況，依據地下水環境容量評價成果，綜合編制下年度地下水開采與回灌方案，并提出實施措施和建議。

地下水開采與回灌方案的制定主要從兩方面著手:地下水開采與回灌總量控制和地下水開采布局規劃。根據地質環境容量評價成果逐步調整地下水凈采量至地下水環境容量評估值(包括逐步壓縮地下水開采量并穩步增加地下水回灌量);在綜合確定全市地下水開采與回灌總量的基礎上，根據上年度地下水位和地面沉降空間格局調整地下水開采與回灌布局規劃，制定各區縣、各含水層地下水開采與回灌目標，進而具體到每口井的開采回灌量的分配。利用地下水環境容量計算模型，按照地下水開采與回灌的規劃條件對研究區進行預報，預報期初始水位(包括含水層水位和弱透水層水位)為上一年度年末的水位，預測下一年度地下水位和地面沉降的發展趨勢，預測結果與地下水位和地面沉降控制目標進行比對，若未達到控制目標則繼續調整地下水開采與回灌總量和布局規劃，直至達到控制目標。

2.2 地下水資源管理

為保證地下水開采回灌方案的執行，建立了行之有效的地下水資源管理工作機制，主要有以下幾個方面。

數據共享機制取得的地下水管理及地面沉降監測資料，包括深井基本資料、地下水月采灌量資料、深井使用狀況資料、地面沉降監測成果資料等，實現工作部門之間的數據共享，并建立了數據發布制度，定期向社會公布地下水資源管理和地面沉降防治工作成果。

過程監督機制:為保障地下水開采回灌方案的貫徹執行，建立了地下水開采回灌方案的過程控制機制，每月核查各深井水表，保證各深井按照年度開采回灌計劃執行并根據每月地下水位動態監測成果驗證地下水開采回灌方案的執行情況，達到地下水開采回灌方案執行的全過程控制。

會議機制:開展不同層面的會議，促進各工作部門的意見交流與會商，共同保障采灌方案的合理制定和有效實施。

保障機制:為積極推進地下水資源管理工作的開展，從法規建設、技術保障、規劃制定等方面建立了完善的保障機制，如“地下水開發利用規劃”、“地下水功能區劃”、“回灌井建設規劃”等，明確了地下水資源管理的目標和任務，為進一步推動地下水資源保護奠定了基礎。

3 結語

通過地下水環境容量的分析計算，上海市現有經濟、環境條件下每年可供開采的地下水資源量為2 500萬 m3，以此為基礎尋求資源可持續開發利用與環境影響的平衡點，編制上海市地下水年度開采與回灌方案，并制訂一系列政策與措施加強地下水管理。

［1］陳華文.關于上海地質工作發展的思考［J］.上海地質.2008(3):1～2.

［2］邢立亭，武強，徐軍祥等.地下水環境容量初探——以濟南泉域為例［J］.地質通報.2009，28(1):124～129.

［3］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.

［4］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.

［5］薛禹群.中國地下水數值模擬的現狀與展望［J］.高校地質學報.2010，16(1):1 ～6.

TV211.1+2

B

1004－1184(2012)03－0061－03

2011－12－21

張月萍(1981－)，女，江蘇太倉人，碩士，主要從事水文水資源計算和水資源開發及保護研究。