煙臺大沽夾河地下水水源地評價研究綜述

陶志斌，于林弘，楊寧，張生海

(山東省第三地質礦產勘查院，山東 煙臺 264004)

0 引言

大沽夾河歷來被煙臺民眾譽為“母親河”，蘊藏著豐富的水資源，是維系大沽夾河流域范圍內城鎮居民正常生產生活和社會經濟發展的“水源命脈”[1]，同時大估夾河流域又是“煙臺蘋果”、“煙臺大櫻桃”等煙臺特色農副產品的重要產地。煙臺大沽夾河地下水水源地分布有煙臺市南上坊廠、煙臺市西牟水廠、福山區芝陽水廠、煙臺市東陌堂水廠等水源地[2]，是煙臺市重要的城市供水水源地。

煙臺大沽夾河地下水水源地自20世紀60年代底勘查，至今已有60余年，2016年山東省國土資源廳組織對煙臺市境內水源地進行調查評價，至今已開展2年，因此現階段對水源地的情況進行分析，總結存在問題，提出下一步對策和工作建議是十分必要的。

1 水源地概況

1.1 水源地水文地質特征

煙臺大沽夾河地下水水源地以第四系沖積—沖洪積砂及砂卵礫石層孔隙為主要蓄水空間[3]，水源地范圍南邊界為內夾河門樓水庫大壩、外夾河道以南，北邊界為地下截滲壩[4]，即宮家島—永福園—鹽場—朱甲山一線，兩側以主含水層尖滅線為界，地下水水源地總面積63.3km2[5](圖1)。

大沽夾河地下水水源地下游沖洪積平原區北起壩體，南到玉樹莊、崇義，長5～7km，寬2～4.5km，第四系厚度一般20～35m，最厚達44.5m，地層呈三元結構，頂部2～7m，巖性為粉細砂、粉土，局部中砂，賦存孔隙潛水；中間相對隔水層巖性為淤泥質砂土和粉土層，厚5～10m；下部承壓含水層巖性以砂、砂礫石及卵礫石為主，層底標高-20m～-35m。其單井涌水量均大于1000m3/d[4,6]。

該區地形呈南高北低、東西高中間低的特點。高處為基巖裸露的低山丘陵區，賦存基巖裂隙水和碳酸鹽巖溶裂隙水。第四系松散巖類孔隙水除接受大氣降水入滲補給外，還有基巖裂隙水的側向徑流補給和河水的滲漏補給[6]。地下水主要由南向北徑流，地下水的排泄主要為人工開采，次為蒸發和地下徑流[7]。

1—松散巖類孔隙水、單井涌水量1000～3000m3/d；2—松散巖類孔隙水、單井涌水量500～1000m3/d；3—松散巖類孔隙水、單井涌水量<500m3/d；4—碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、單井涌水量<500m3/d；5—碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、單井涌水量<1000m3/d；6—基巖裂隙水、單井涌水量<100m3/d；7—以粉細砂、粉土為主的第四系含水層；8—以淤泥質砂土和粉土為主的隔水層；9—砂、砂礫石及卵礫石為主的含水層；10—涌水量(降深) ；11—上升泉；12—下降泉；13—允許開采量-現狀開采量(萬m3/d )及主要取水層時代；14—防滲壩； 15—地下水水源地范圍圖1 煙臺市大沽夾河地下水水源地水文地質圖

由于所處地形地貌、地層巖性、徑流條件及離海距離的不同，區內地下水水質呈明顯的分帶性。自南向北及夾河下游地帶由兩側至河床，水化學類型由HCO3—Ca·Mg型水變化為Cl—Na型水，溶解性總固體由<0.5g/L變化為>1.0g/L[8]。

1.2 水源地開采現狀

(1)煙臺市南上坊水廠：該水源地位于芝罘區只楚鎮南上坊以西的外夾河東岸，面積29.6km2。地下水類型屬潛水、微承壓水，含水層屬第四系砂卵礫石孔隙水含水層[8]。共有開采井12個，主要供發電廠生產冷卻用水和環境衛生用水。2017年實際開采量4.11萬m3/d。

(2)煙臺市東陌堂一水廠：該水廠的開采井位于福山區兜余鎮東陌堂外夾河東岸，面積15.31km2，主要開采層為下部沖積層的孔隙水。1986年以前開采10m以內的淺層地下水，1986年擴建后，井深20m左右，下部至基巖，主要開采下部深層承壓水，由煙臺市自來水公司進行開采，共有開采井17個，用于煙臺市居民生活用水和部分工業用水。2017年實際開采量2.46萬m3/d。

(3)煙臺市西牟五水廠：西牟五水廠位于芝罘區只楚鎮西牟村西，外夾河東岸河流沖積平原上，面積5.0km2。地下水類型屬第四系沖洪積層潛水—微承壓水。共有開采井11個，用于芝罘區的生活用水以及部分工業用水。近幾年開采量較少，2017年實際開采量2.33萬m3/d。

(4)福山區芝陽水廠：芝陽水廠位于福山區芝陽村南約1km的內夾河東岸，面積5.35km2。地下水類型屬潛水、微承壓水，含水層類型為第四系砂礫孔隙含水層。共有開采井13個，主要用于供給福山區城市居民生活用水。2017年實際開采量1.64萬m3/d。

(5)煙臺市合成革水廠：該水源地位于福山區門樓鎮大屋村北內夾河沿岸，面積25.0km2。地下水類型屬潛水、微承壓水，含水層類型為第四系砂礫石孔隙含水層。共有開采井15個，主要用于合成革總廠生產和生活用水，2017年實際開采量4.66萬m3/d(圖2)。

2 地下水動態特征

2.1 開采動態特征

煙臺市大沽夾河水源地的主要地下水供水水源地分布在河流兩岸的地下水排泄區，開采地下水類型為第四系松散巖類孔隙水，目前主要有5個水源地集中開采[4](表1)。

2.2 地下水水位動態特征

地下水補給來源主要為大氣降水，主要排泄方式為人工開采。人工開采具有以下特征：一是城市供水開采的長期性與連續性，二是季節性農灌開采與強烈的蒸發同步性[9]，表現在水位時空變化上具有如下特征：

1—地下水水位動態曲線圖；2—地下水水位動態趨勢線；3—降水量柱狀圖；4—平均降水量；5—開采量柱狀圖；6—降水量均值離差曲線圖2 合成革水廠1987—2017年孔隙潛水地下水動態曲線圖

水源地名稱位置控制面積(km2)所屬單元允許開采量(萬m3/a)年份降水量(mm)開采量(萬m3/a)年均水位(m)水位埋深(m)煙臺市南上坊廠29.6大沽夾河流域構造盆地及丘陵谷地水文地質地段1143.911989353.2322-9.6716.142011824.2700.8-8.7615.232012764.893.44-8.4514.922013799.4350-8.3514.822014573528-10.617.072015623.6680-12.4618.932016508.11500-11.7518.222017609.21500-13.3619.83煙臺市東陌堂一水廠15..31大沽夾河流域構造盆地及丘陵谷地水文地質地段14601989353.28986.3217.522011925.3313.911.2512.592012663.480010.5613.282013813.991010.413.442014569.21.49.3314.512015623.6400.949.7514.092016547.4694.349.7014.142017615.890012.0611.78煙臺市西牟五水廠5大沽夾河流域構造盆地及丘陵谷地水文地質地段10951989353.2551-5.8213.292011824.2233.02-2.129.592012764.8350-1.719.182013799.4420-1.749.212014573420-2.139.62015623.6430-3.2710.742016508.1850-3.2810.752017609.2850-7.7115.18福山區芝陽水廠5.35大沽夾河流域構造盆地及丘陵谷地水文地質地段813.951989336.8900-7.1214.692011925.3430.7-0.087.652012663.44002.285.292013813.95200.397.182014569.2343.8-2.8510.422015498.7500-9.6117.182016547.4650-9.5417.112017609.2650-12.6520.22煙臺市合成革水廠25大沽夾河流域構造盆地及丘陵谷地水文地質地段1262.91989336.87945.668.642011925.31051.26.278.032012663.4120.966.427.882013813.9315.366.198.112014569.2180.96.148.162015498.7877.206.657.652016547.415006.377.932017609.217002.6511.65

(1)降水入滲補給量約占地下水資源量的90%以上，因而地下水資源量主要隨著降水量的變化而變化。在一個水文年中，自然狀態下，地下水位因季節性變化明顯，7—10月份為豐水期，地下水位回升，之后隨降水減少及徑流和蒸發排泄，水位緩慢下降；11月至翌年2月，蒸發量減少，地下水位持平后緩慢回升；3—6月干旱少雨，蒸發量增大伴隨春灌用水，地下水位急劇下降呈低谷。

(2)年際間隨降水量相差懸殊，地下水位表現為連枯年份持續下降，遇豐水年或平水年迅速回升。在自然狀態下，最低與最高水位在一年內出現，而在開采狀態下，最高水位往往出現于翌年初。

(3)人為連續的和季節性的開采加大了地下水變幅，甚至改變其起伏趨勢。年度內1—3月開采量小，水位一般較高且變化平緩；4月前后由于春灌開采量逐漸變大，水位再次下降；至汛期時，隨降水量增大，水位迅速回升；隨后進入秋灌季節，水位再次下降，變化平緩到年末與翌年相連。

(4)地表徑流與地下水位變化關系也很密切，地表水位的高低、徑流持續時間長短、距河床遠近等都有影響[10]。

如合成革水廠是煙臺市萬華企業用水，自1987年開始監測，該水源地水位相對穩定，但受氣象因素影響也曾出現兩次大的波動，1999—2000年，受歷史罕見旱災的影響，水位由1999年7月的7.54m降至2000年8月份的-3.04m，降幅達10.58m。2001—2008年，地下水水位大幅度上升，之后水位基本穩定，2016年在降水較少的情況下，增大了開采量，水位出現大幅下降，之后豐水期又有所回升。2017年降水增加，水位恢復，在雨季之后，降水減少，水位又開始下降。因此該水源地受降水影響較大。

2.3 地下水水質動態特征

3 地下水水源地評價

3.1 計算允許開采量

該次運用補償疏干法[12]確定區內地下水資源允許開采量[13-14]復核，通過計算成果與以往搜集資料的允許開采量進行對比分析，為使開采量可以得到保證，選取計算成果中較小的數值作為該地段的地下水允許開采量，具體計算如下：

通過旱季開采求的單位存儲量uF，由于旱季沒有任何補給來源，完全靠疏干存儲量來維持抽水。由于含水層范圍有限，抽水時的降落漏斗極易擴展到邊界，所以抽水時的均衡式[15]為：

式中：uF—單位存儲量；Q旱—旱季開采量(m3/d)；t0—旱季水位開始平穩下降的時間(d)；t1—旱季末時刻(d)；S0—旱季水位開始平穩下降時對應水位(m)；S1—旱季末時對應水位(m)。

根據含水層厚度[16]和取水設備的能力，給出最大允許下降至Smax，查明整個旱季的時間t旱，則可計算最大開采量(Q開)。

煙臺市在歷經2013—2016年4個枯水年后，2017年枯水期水位降至低值，2016—2017年內夾河、外夾河基本干涸，缺少了河流的滲漏補給，加之無有效降水補給地下水，因此以2017年旱年水位動態監測[17]資料，選取該次計算的t0,t1,S0,S1，Q旱為水源地實際開采量，計算大沽夾河地下水水源地的uF值，再根據含水層厚度為限制條件(表3,圖4,圖5)，得出Smax，旱季時間選取除了4個月的雨季外的所有時間，最終計算保證整個旱季可持續開采的最大開采量(表4)。

表2 煙臺市供水水源地地下水水質多年分析結果

圖3 南上坊水廠孔隙潛水地下水質動態曲線圖

位置監測點t0(年/月/日)t1(年/月/日)Δt(d)Q旱(萬m3/d)S0(m)S1(m)ΔS(m)uF(m3/m)外夾河上游東陌堂水廠2017/2/112017/3/26432.471.93.111.2187.78外夾河下游南上坊-西牟水廠2017/2/12017/7/211702.32-7.34-11.093.75105.17內夾河上游合成革水廠2017/2/162017/6/161202.52.951.851.1272.73內夾河下游芝陽水廠2017/1/12017/6/11511.78-11.2-164.856.00

1—芝陽水廠地下水水位動態曲線；2—合成革水廠地下水水位動態曲線；3—降水量柱狀；4—芝陽水廠開采量柱狀；5—合成革水廠開采量柱狀圖4 芝陽、合成革水廠2017年水位動態監測曲線

1—東陌堂水廠地下水水位動態曲線；2—西牟水廠地下水水位動態曲線；3—降水量柱狀；4—東陌堂水廠開采量柱狀；5—西牟水廠開采量柱狀圖5 東陌堂、西牟水廠水廠2017年水位動態監測曲線

位置監測點uF(m3/m)含水層厚度(m)Smax(m)t旱(d)Q開(萬m3/d)外夾河上游東陌堂水廠87.782072432.53外夾河下游南上坊-西牟水廠105.172172433.03內夾河上游合成革水廠272.731552435.61內夾河下游芝陽水廠56.0020102432.30

3.2 計算雨季補給量

計算雨季補給量，地下水雨季補給量除保證雨季開采外，多余部分補償旱季借用的儲存量，引起水位回升。根據開采量，求出回升速率ΔH/Δt，再根據雨季時間，計算出雨季補給量。

外夾河流域2017年7月降水量200mm，8月降水量達245mm，2個月降水量占全年降水量的73%，經過7—8月的降水集中補給后，地下水水位迅速回升，已完全補充枯水期消耗的儲存量。如東陌堂水廠2017年8月6日，水位回升至6.25m，比水位開始下降前的初始水位4.30m，升高了1.95m；內夾河流域2017年7月降水208mm，8月降水量為233mm，2個月降水量為全年降水量的71.77%。經過7—8月的降水，水位回升至水位下降之前，完全補充枯水期消耗量。如芝陽水廠2017年9月21日，水位回升至-9.60m，比水位開始下降前的初始水位埋深-11.20m，升高了1.60m。這也說明了松散巖類孔隙含水層的調蓄功能[18]和強滲透性能，以及迅速的補給、恢復能力。因此選取雨季補給期為122天，計算出雨季補給量(表5)。

3.3 評價可開采量

根據表6計算結果，確定地下水可開采量。若Q補≥Q開，則選取Q開為允許開采量；若Q補≤Q開，則選取Q補為允許開采量。

表5 補給量計算參數及計算結果

表6 評價可開采量及結果(萬m3/d)

由計算結果，可以看出東陌堂水廠、芝陽水廠、合成革水廠仍具有開采潛力，南上坊-西牟水廠目前處于超采狀態。其主要原因是煙臺市政府對大沽夾河供水水源地的管理、涵養保護工作非常重視[19]，各級主管部門加強了有關水政法律法規的執行力度和對水資源的監管力度，地下水開采量明顯減少，修建各種水利設施，大力提倡利用地表水、海水及中水，有效地遏制了超量開采地下水[20]，使地下水資源得到一定程度地補給。

4 結論

(1)煙臺市大沽夾河地下水水源地均分布于河流兩岸，主要為第四系松散巖類孔隙水，地下水的形成單元與地表水流域分布基本一致。主要在排泄區或下游地段形成了多個小到中型集中供水水源地。

(2)降水量的變化特征基本決定了地下水水位變化，水位升降與降水量大小成正相關。同時，水位動態亦受人工開采的影響，其升降與開采量的大小成逆相關。另外，河水水位對水源地地下水位也有一定影響。

(4)經評價，確定東陌堂水廠允許開采量為2.53萬m3/d，南上坊-西牟水廠允許開采量為1.77萬m3/d，合成革水廠允許開采量為5.33萬m3/d，芝陽水廠允許開采量為2.30萬m3/d。

(5)大沽夾河地下水水源地大部分都采取了限制開采和涵養補源的保護措施，除南上坊-西牟水廠外，均有開采潛力。