城市地下水应急供水水源地研究

第28卷第1期2010年1月水 电 能 源 科 学W ater Resour ces and P ow er V o l.28N o.1Jan.2010文章编号:1000 7709(2010)01 0047 04城市地下水应急供水水源地研究叶 勇1谢新民1柴福鑫2赵全升3(1.中国水利水电科学研究院水资源研究所,北京100038; 2.中国水利水电科学研究院遥感技术开发研究中心,北京100044; 3.青岛大学环境科学系,山东青岛266071)摘要:针对建设应急供水水源地是维持城市社会稳定、保障经济快速发展、提高应对突发事件供水保障能力的有利措施,探讨了应急供水水源地相关概念、特征及选取原则,并以沈阳市新城子区长河羊肠河流域为例,论证了建设应急供水水源地的可行性。

结果表明,根据不同的地下水应急供水方案建立后备水源地或应急供水水源地均行之有效,为该区域地下水应急供水水源地建设提供了参考。

关键词:城市应急供水;地下水水源地;应急供水水源地;应急供水特征;沈阳市中图分类号:T V213.4;P614.8文献标志码:A收稿日期:2009 08 31,修回日期:2009 10 09基金项目: 十一五 国家科技支撑基金资助项目(2007BA B28B04);国家自然科学基金资助项目(40772151)作者简介:叶勇(1982 ),男,博士研究生,研究方向为地下水资源评价、水资源管理等,E mail:erqie@ 通讯作者:谢新民(1963 ),男,教授级高级工程师,研究方向为水资源规划及合理配置,E mail:xiex m@iw 稳定可靠的水源供给是保证城市市场社会发展、经济繁荣及和谐稳定的基本前提[1]。

近年来,随着城市建设及供水安全的复杂性,城市供水系统的脆弱性逐渐显现,供水问题趋于严峻[2,3]。

为保障城市供水安全、缓解城市供水系统的脆弱性和应对未来污染型缺水或因突发性污染事故等导致的供水压力,开展城市应急(备用)供水水源地的相关研究势在必行。

鉴此,本文探讨了城市地下水应急供水水源地的定义、特征及选取原则,并以沈阳市新城子区长河羊肠河流域为例,论证了建设应急供水水源地的可行性。

可为该区域地下水应急供水水源地建设提供参考。

1 城市地下水应急供水水源地1.1 定义初期的城市应急供水水源地一般指在应对连续干旱等自然条件下城市常规水源不足而采取的临时供水水源地[4]。

受认知与社会发展影响,城市应急供水水源地的内涵与外延均得到了不断丰富,经历了从自然向自然与人为共同作用、从仅考虑水量到水质、水量及水压综合考虑的巨大转变[5~7]。

综合前人成果并考虑当前城市供水风险不确定性等诸多新因素的影响,及加强应对遭遇不同风险时的抵御措施和处理能力,应从应用情景、供水时间、应急状态及应急预案等不同方面系统地确定应急供水水源地的内涵与外延,可定义为在常规水源受自然灾害和人为事故等导致供水能力下降或破坏的情况下,为满足城市一定时期内水量(水质)需求,响应不同应急状态并在应急供水预案统一管理下启动的临时供水水源地。

1.2 特征(1)启动条件。

应急水源地仅在常规水源遭遇风险不能满足城市用水需求时开启。

导致常规水源不能供水的因素复杂多样,按作用主体分自然灾害与人为破坏;按水源特征分水量短缺与水质污染。

一般自然灾害导致的应急供水态势相对缓和,能短期预警(如干旱、洪灾等);人为破坏导致的应急供水态势则通常较紧急(如突发性水污染事故、输水工程管网破坏等)。

(2)应急状态及应急预案。

据突发事件的规模、紧急程度、受影响范围等确定不同的应急响应状态及城市用水需求。

一般定为四级:!级(特别严重)、∀级(严重)、#级(较重)和∃级(一般),即水量或水质污染造成供水能力下降(或污染使主城区停水)分别为80%以上、60%~80%、40%~59%、20%~39%,均在24h 内不能恢复。

采用事先编制响应不同应急状态的应急供水预案,以合理配置各应急水源地的开采规模、开采时限及应急水源地间的优化调度方案,防止出现问题时临时盲目调度。

(3)应急期。

即应急供水时间应由城市应急供水预案、应急水源地的应急能力、应急供水需求、常规水源恢复用时等综合确定。

通常突发性应急期约3~6个月[8],一般不超过1a,非突发性应急期需结合应急预案确定。

(4)应急供水量。

主要包括应急期内的补给量、可动用的储存量、在一定约束条件下环境损失的换取量、需1a或多年补给的疏干量和经政府协调改变原供水方向的水源地供水量等[4]。

(5)环境影响。

应尽可能降低,但受应急态势及需水要求将不可避免地牺牲当地水环境,以便在应急期内获得更多水量,决策者需根据应急预案具体分析。

当实施应急供水牺牲了当地水环境或当地用水利益后,需采取相应措施修复水环境并补偿利益受损者。

(6)其他与常规水源地不同的特征见文献[1]。

1.3 选取原则城市应急供水水源地选取应考虑如下因素: %水量;&水质;∋可汲取性;(应急期;)水源地安全;∗环境危害;+经济成本;,利益平衡。

详见文献[1,5,9]。

2 实例2.1 研究区水文及水文地质条件研究区位于沈阳市新城子区长河-羊肠河流域内,面积361.8km2。

多年平均降水量约641mm,多年平均径流量与多年平均地下水资源量分别为7287−104m3、10857−104m3。

由于缺乏合理的水利工程,地表水与地下水流未得到充分利用,因此考虑在辽河支流的长河、万泉河、羊肠河及新西小河汇流处建设傍河型地下水应急供水水源地。

为改善水环境,拟于汇流处建设人工湿地,以拦蓄及处理地表水和增加地表水向地下水的补给。

地下含水层由第四系冲、洪积地层组成,平均厚度约40m,以潜水为主。

地层岩性主要由亚砂土、亚粘土、细砂、砂砾石组成。

其中,砂砾石层为主要富水层,厚约5~65m,北厚南薄,砾石颗粒较大,结构相对松散,富水性强,属中等~强透水层,渗透系数约为67.5~80.0m/d,给水度0.14~0.28。

2.2 水源地论证应急供水水源地建设的影响因素众多,主要包括水源地可开采的水资源量、水质、取水能力及取水方案、环境影响评价及应急供水经济分析五个方面[1,5,9]。

(1)应急供水量论证。

采用数值模拟模型[5]论证水量,基于研究区的自然条件及沈阳市实际需求,按建设复合型应急供水水源地确定应急供水方案,将其划分为后备、非突发性应急和突发性应急水源。

其中,后备水源按常规水源地要求评价,主要以不产生区域水位持续下降为其约束条件;非突发性应急水源按含水层整体疏干.55%、单点.70%为其约束;突发性应急水源按含水层整体疏干.2/3、单点.90%为其约束[5]。

采用GWM S软件建立地下水流数值模型,经调试识别验证后计算。

结果表明:%后备水源以10−104m3/d的规模开采,3a后水位趋于稳定,产生面积约6km2、中心水位埋深约13m的漏斗;&非突发性应急供水以15−104m3/d的规模应急供水,应急1a将形成面积约19km2、中心水位埋深约20m的漏斗,应急结束1a后汛末水位可恢复;∋突发性应急供水分别以25−104、40−104、50−104m3/d三种应急供水规模分析,其应急开采时长分别为12、6、4个月。

(2)水质分析。

据历史水质分析资料及2008年两次水质统测结果,地表水与地下水水质均受到一定程度的污染。

以/生活饮用水卫生标准0[10]为评价标准,主要超标项目有菌落总数、浑浊度、色度、氨氮及锰离子,最大超标倍数及超标率详见表1。

地表水污染主要由当地农村生活垃圾及牲畜粪便弃置于河道边甚至河道内引起;在水力梯度的作用下地表水污染将传播到地下水,而其锰超标与当地天然背景值有关。

因此,需对当地水源进行处理,规划采用流域水生态修复,并建立人工湿地等生态措施以改善水质。

表1 2008年实测水质超标倍数统计表Ta b.1 E x c es siv e mult iple st at is t ica l of ac t ua l me a sure me nt w at er quant it y in2008项目最大超标倍数超标率/%菌落总数 2.7388浑浊度 1.8344色度 1.6788氨氮 5.3655锰离子 4.3055(3)取水能力分析。

分别采用常规井与新型辐射井两种类型进行计算,其中常规井涌水量为:Q. D k L V j(1)式中,Q为设计出水量,m3/s;D k为开采段井径, m;L为过滤器长度,m;V j为允许井壁进水流速, m/s。

辐射井采用 等效大口径法计算:1481水 电 能 源 科 学 2010年Q= qn(2)其中q=1.336K(H2-h20)lg[R/(b L2)](3)b=0.75 h r<h00.25 h r3h0(4)R=10S0K+L2(5)式中, 为辐射管涌水量干扰系数,辐射管根数较少时一般为0.6~0.7;n为辐射管根数;q为单根辐射管的涌水量,m3/s;K为渗透系数,m/d;h0为大井动水位高度,m;R为辐射井影响半径,m; S0为水位降深,m;L2为单根辐射管长度,m;h r为辐射管垂直高度,m。

按式(1)~(5)计算,常规井单井涌水量可达5361m3/d;辐射井采用5根辐射管,单井涌水量可达23800m3/d。

若辐射井布置于河岸边,辐射管置于河底,单井涌水量可达33750m3/d。

由此可知,取水能力较好。

为获得更大取水量,可沿河及人工湿地布置辐射井进行开采。

(4)环境影响分析。

环境影响主要体现在应急供水时的漏斗区面积及漏斗水位埋深两方面。

由于水源地周边均为农村,潜在受影响者主要为农村生活用水、灌溉用水及周边水环境。

数值模拟计算结果表明:%以常规水源开采时,影响范围为以达连屯为中心、半径为1.3~ 2.1km的区域,对农村生活及灌溉未产生显著影响;非突发性应急供水启用1a后形成约以达连屯向南1km 为中心、半径约2.2~ 3.8km的漏斗范围,仅对达连屯有一定影响;突发性应急供水因开采强度大,不同规模应急供水结束后形成的漏斗并不比非突发性应急供水面积大,但疏干较明显,中心水位降深基本达到极限,受影响的村屯包括达连屯、高坎及腰长河,按2006年人口统计约4000人受影响,应采取措施确保当地农村生活用水。

&对灌溉影响不大,即使当应急期与水稻种植期重合时也可在辽河渠灌区调水至受影响的井灌区,同时通过经济等手段对受影响的农户进行补偿。

∋突发性应急供水对周边环境的影响较大,由于形成了疏干区,改变了当地地下水环境,需经一定年限方能恢复。

2.3 结果分析由计算结果可看出,根据不同的应急供水方案,建立后备供水水源地或应急供水水源均具有较高可行性。

为增加目前沈阳市城市供水能力,可按后备供水水源方案建设10−104m3的常规供水水源地,而在应对非突发性或突发性应急供水时,最大可以50−104m3的规模确保持续4个月的应急供水,约相当于目前沈阳市供水能力的1/3,将较大地提高城市供水安全保障系数。