清泥沟水源地可持续开采量.pdf

第6 l 卷第4 期 2 009 年11 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 1 ，N o ．4 N o v e m b e r ．2009 清泥沟水源地可持续开采量 邢立亭1 ”，刘元章1 ’3 ，刘莉2 ，张建芝2 1 ．中国矿业大学资源安全与工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．济南大学城市发展学院，济南2 5 0 0 2 2 摘要以清泥沟水源地为例．分析可持续开采量的涵义，认为可持续开采量是在确保生态环境良性循环和维持地质环境稳 定的前提下，地下水系统能提供当今时代和未来时代均可以持续利用的最大水量。在计算水源地允许开采量4 ．6 2 万m 3 ／d 的基 础上，以水位、水质和岩溶塌陷为约束条件，采用数值法评价清泥沟地下水系统的日，持续开采量为2 ．3 7 万m 3 ／d ，为清泥沟水源地 地下水资源的可持续利用提供了依据。 关键词环境工程；可持续开采量；允许开采量；水位约束；地下水系统 中图分类号x 5 2 3 ；X 8 2 4文献标识码A文章编号l 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 9 0 4 0 1 7 6 0 4 北方地区水资源匮乏，地下水是重要的供水水 源，目前，地下水开采诱发了诸如岩溶塌陷、海水入 侵、地面沉降、名泉断流等环境地质问题及地质灾 害。因此，对地下水水源地可持续开采量及评价原 则有必要做深入的探讨研究。 l 地下水可持续开采量的含义 自1 9 1 5 年提出地下水可开采量[ 又称允许开采 量 s a f ey i e l d ] 的概念以来⋯，一直在探讨着允许 开采量的定义，如美国加利福尼亚大学的D a v i d K e i t hT o d d 提出的地下水永久开采量 P e r e n n i a l Y i e l d 的概念旧J ，美国地调局 U S G S 的W i l l i a mM ． A l l e y 等人认为“ ’，允许开采量通常是指地下水的可 持续开发的量值 “s a f ey i e l d ”c o m m o n l yi su s e di ne f - f o r t st oq u a n t i f ys u s t a i n a b l eg r o u n d w a t e rd e v e l o p m e n t ，即在可接受后果条件下的最大开采量 m a x i m u mp u m p a g ef o rw h i c ht h ec o n s e q u e n c e sa r ec o n s i d - e r e da c c e p t a b l e 。1 9 7 8 年B o u w e r 给出允许开采量 S a f ey i e l d 的定义包括三部分，即等于含水层补给 的开采量 N o r m a lS a f ey i e l d 、经济上安全的开采量 e c o n o m i cs a f ey i e l d 和法律上许可的开采量 1 e g a l s a f ey i e l d H 】。国内供水水文地质勘察规范 G B 5 0 0 2 7 2 0 0 1 中将地下水允许开采量 a l l o w a 一 收稿日期2 0 0 9 0 3 2 1 基金项目国家自然科学基金资助项目 4 0 6 7 2 1 5 8 ；中荷合作项目 “中国地下水信息中心能力建设”；济南市科技发展计划 T N K 0 8 0 6 作者简介邢立亭 1 9 6 6 一 ，男，山东即墨市人．研究员，博士生，主 要从事水文地质教学与研究等方面的工作。 b l ew i t h d r a w a lo fg r o u n d w a t e r 定义为，通过技术经济 合理的取水方案，在整个开采期内出水量不会减少， 动水位不超过设计要求，水质和水温变化在允许范 围内，不影响已建水源地正常开采，不发生危害性的 环境地质现象的前提下，单位时间内从水文地质单 元或取水地段中能够取得的水量1 。 经过多年不断探讨，“在经济、技术合理，不破 坏原来水质、不产生不良环境后果前提下可以从地 下含水层系统中抽取的水量”的理念被广泛接 受∞1 ，但是，大规模开采地下水产生的生态和地质 环境问题日趋严重。F r a n s 等的研究表明1 ，即使实 际开采量远低于允许开采量，也会发生同样的生态 或地质环境问题，也就是说，开采地下水不可避免地 要产生一定的负效应。因此，出现了可持续开采量 的概念，B r u d t l a n d 在1 9 9 7 年定义可持续开采量为 资源的长期可持续开发要考虑环境问题和社会问题 S u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tt ot a k ei n t oa c c o u n te n v i r o n m e n t a la n ds o c i a li s s u e sa n dl o n g t e r mp r o t e c t i o no fr e - s o u r c e ，这一定义源自可持续理念但没有直接提及 地下水 N o ts p e c i f i c a l l yr e l a t e dt og r o u n d w a t e rb u t t h e o r i g i no fs u s t a i n a b i l i t yc o n c e p t 哺1 。S o p h o c l e o u s 给出 的定义为可持续开采量主要源自地下水储存量，但 最终来源于诱导补给量，如地表水体的消耗，可持续 开采量必须考虑环境的承受能力，因此可持续开采 量应当小于允许开采量 S u s t a i n a b l ey i e l dm u s ta l l o w f o rs u s t a i n a b i l i t yo fe n v i r o n m e n ta n dt h e r e f o r es h o u l d b el e s st h a ns a f ey i e l d ，同时S o p h o c l e o u s 指出数值 模型是确定和识别天然补给量与诱发补给量的最佳 万方数据 第4 期 邢立亭等清泥沟水源地可持续开采量 1 7 7 方法‘9 。】。 由此可见，允许开采量不同于可持续开采量，虽 然不同学者给出的定义表述不尽相同，但是不同程 度强调了环境保护的理念，可持续开采量 S u s t a i n a b l eY i e l d 的实质是在生态与环境承载力允许的条 件下可以永续开采的地下水量，它不挤占维持生态 和地质环境稳定所需的水量，其可开采量在经济、技 术合理理念下进一步突出了生态和环境保护的目 标，强调在生态和地质环境友好模式下的地下水可 利用量‘6 - 儿‘1 引。 综上所述，可持续开采量可定义为在保证生态 环境良性循环和维持地质环境稳定的前提下，地下 水系统能提供当今时代和未来时代均可以持续利用 的最大水量。可持续开采量强调水资源利用、环境 保护和社会发展协调一致。 2地下水可持续开采量评价原则及评 价指标． 地下水资源不仅具有自然属性，而且具有社会 属性，同时还是生态环境系统的敏感因子、灾害因 子、地质营力与信息载体，因此，地下水可持续开采 量评价应兼顾三个原则。 1 可持续利用原则。地下水具有资源供给功 能、生态环境维持功能和地质环境稳定功能，因此水 资源的开发利用应在可持续发展的前提下进行，水 资源的利用应与经济增长、环境保护和社会发展协 调一致“。 2 以丰补欠合理调控的原则。地下水系统具 有强大调蓄能力，合理调控地下水位，可以充分利用 地下水系统储存资源的调节功能，解决水资源在时 间上分配不均的问题。 3 三水转化，统一评价的原则。地表水、地下 水与大气降水是相互联系、相互转化的统一体，充分 考虑地表水与地下水的转化关系，防止水量重复计 算，按照地下水系统进行地表水、地下水统一评价。 3清泥沟地下水系统研究实例 3 ．1 地下水系统特征 研究区位于莱芜盆地，多年平均降水量为 6 8 2 ．1 1 m m ，年内降水分配不均，7 0 ％的降水量集中 在雨季，主要河流为汶河。本区为低山丘陵区，地势 南高北低，标高2 0 0 5 0 0 m 。出露地层主要有第四 系、奥陶系、寒武系及太古界泰山群。研究区为一相 对独立的地下水系统，总面积5 8 k m 2 ，南边界为地表 分水岭，岩性为泰山群变质岩。东边界为高峪铺阻 水断裂，北边界为清泥沟阻水断裂，西边界为大龙门 阻水断裂。上寒武系凤山组一中奥陶系马家沟组灰 岩、白云质灰岩和泥质灰岩是研究区具有供水意义 的主要含水层。清泥沟水源地岩溶发育富水性强， 单井出水量一般大于3 0 0 0 m 3 ／d 【1 6 ] 。岩溶水主要补 给来源有大气降水人渗、河水渗漏补给。地下水沿 地层及地形倾向由南向北运动，天然条件下岩溶水 向灰岩之上的第四系砂砾层排泄，2 0 世纪7 0 年代 清泥沟水源地开发后，泉水消失，人工开采是目前岩 溶水的主要排泄途径，最大开采量达5 6 0 0 0 m 3 ／d 。 3 ．2 允许开采量评价 清泥沟地下水系统地下岩溶发育，沿河床覆盖 砂砾石层，砂砾石与石灰岩直接接触，具有同一水 位，砂砾石厚度最大达3 4 m ，汶河属渗漏型季节性河 流，雨季河水除部分补给岩溶含水层外，大部分河水 汇入葫芦山水库，水库总库容量9 1 5 万m 3 ，因此清 泥沟地下水系统具有较强的调蓄能力，依据以丰补 欠、三水转化的原则计算清泥沟地下水系统总补给 资源5 0 2 8 9 m 3 ／d “。 ， 1 9 7 3 年底清泥沟水源地投产，地下水水位开始 下降。2 0 世纪8 0 年代以来，莱芜钢铁集团规模扩 大，需水量大增，在连续2 年降水偏少的情况下， 1 9 8 8 年6 月水源地各开采井动水位标高在2 0 0 ．9 6 2 1 3 ．8 7 m 之间，丰水期1 0 月份，水位恢复至 2 3 5 ．4 6 m 以上。2 0 世纪8 0 年代地下水系统进入新 的动态平衡状态，地下水位并未呈现持续下降，根据 表1 水位、降雨量与水源地开采量资料，建立回归方 程如式 1 所示，式中日为枯水期水位标高，Q 为年 平均开采量，P 为前一年的降雨量。 H 2 4 2 ．3 7 9 6 0 ．o 0 0 9 6 6 5 9 Q o ．0 0 9 0 3 3 8 P 1 考虑三水转化、以丰补欠原则，以开采井群中心灰 岩顶板标高2 0 3 ．8 m 为水位约束，按照多年平均降水量 6 8 2 m m 计算，水源地允许开采量4 6 2 2 6 m 3 ／d 。 自1 9 7 3 年至2 0 0 4 年，3 0 多年来清泥沟水源地 地下水支撑莱芜钢铁集团发展，虽然沂7 号孔附近 出现岩溶塌陷川，供水产生的经济效益与塌陷的危 害相比依然巨大。地下水位动态在丰水期依然恢复 到2 3 5 m 以上，处于动态平衡状态，说明评价结果基 本正确，满足G B 5 0 0 2 7 - 2 0 0 1 规范的要求“ 1 。 万方数据 1 7 8 有色金属第6 l 卷 3 ．3 清泥沟水源地开采的环境损害 按照设计的允许开采量虽然没有造成区域地下 水水位下降，但是地下水开采对环境的损害是存在 的。1 9 7 3 年水源地投产后，清泥沟泉水断流，由于 降水量年内、年际不均，区域上石灰岩顶板埋深并不 是相同，地下水开采造成清泥沟村南出现岩溶塌陷。 另一方面，由于枯、丰水期水位变幅大，使莱钢集团 公司的工业废水沿河床砂砾石人渗补给地下水，造 成地下水水质恶化Ⅲ一，虽然第四系有自然净化作 用，但是2 0 0 5 年检测证实3 2 9 号机井S O 。“离子超 过国家饮用水水质标准，见图l 。地面塌陷加剧促 进了“三水”转化速度，污水快速进入地下水系统， 虽然不影响地下水作为工业用水的用途，但说明了 允许开采量是不可持续的，为确保水源地持续利用， 必须实施地下水优化开采。 图13 2 9 号孔溶岩水中硫酸根离子历史曲线 F i g ．1 D i a e h r o n i cc u r v eo fs u l f a t ei nk a r a tw a t e r №3 2 9w e l l 3 ．4 清泥沟水源地可持续开采量计算 3 ．4 ．1 概念模型及数学模型。研究区含水层溶蚀 裂隙发育相对均匀，地下水流具有统一的水面，地下 水位年变幅小于含水层厚度的十分之一，地下水渗 流特征符合达西流。鲁南岩溶地下水的大量研究成 果证明引，可以近似地运用多孔介质渗流理论模型 来描述，将研究区概化为式 2 所示数学模型，其中 K x x 和K y y 为渗透系数在x 和Y 方向上的分量，h 为 水头，W 为源汇项，S 为贮水率。 a K ，O h ／缸 ／3 x a K ，，a h ／ ／力一矽 S ‘O h ／O r 2 3 ．4 ．2 模型识别与检验。模型将清泥沟地区总共 剖分成9 2 行，9 2 列，共8 4 6 4 个单元格，每个单元格 均为1 0 0 m l O O m ，其中有效单元格5 7 2 3 个。采用 2 0 0 1 ．1 ．1 ～2 0 0 2 ．1 2 ．3 1 期间资料进行模型识别，划 分2 4 个时间段，时段长2 8 3 l d 不等，划分导水系 数和贮水系数分区各1 9 个。采用2 0 0 3 ．1 ．1 。 2 0 0 4 ．8 ．3 1 期间资料进行模型检验。 3 ．4 ．3 可持续开采量的计算。为防止枯、丰水期水 位变幅过大诱发污水渗漏，考虑到污水河段河床的 灰岩顶板埋深2 2 6 m 左右，为防止岩溶塌陷，优化计 算最低水位约束2 2 6 m ，最高水位约束2 3 8 m 。预报 期间降水按多年平均值给出，评价水源地丰水期最 大开采量4 ．1 万m 3 ／d ，枯水期最大开采量1 ．5 万 m ’／d ，年平均开采量2 ．3 7 万m 3 ／d 。 枯水期地下水模拟流场图如图2 所示。从图2 可以看出，清泥沟以南污水河段地下水位高于 2 2 6 m ，达到了控制水位降深、防止岩溶塌陷、减少了 污水渗漏的目的，实现水源地水资源的可持续利用。 1 0 m2 0 0 03 0 0 04 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 07 0 0 0 X H J9 0 0 0 图2 优化开采后的地下水平面流场 F i g ．2 P l a nf l o wf i e l do fg r o u n d w a t e ra f t e r o p t i m i z e de x p l o i t a t i o n 4结论 清泥沟地下水系统，地下水位和地下水污染是 制约水源地可持续利用的根本因素，治理污染源是 万方数据 第4 期邢立亭等清泥沟水源地可持续开采量1 7 9 当务之急。地下水数值模拟结果表明，清泥沟水源 地的可持续开采量比允许开采量小2 ．2 5 万m 3 ／d 。 参考文献 虽然清泥沟水源地具有较强的调蓄能力，为减小互 相干扰，开采井不宜集中开采，尽可能分散开采。 [ 1 ] L e eCH ．T h ed e t e r m i n a t i o no fs a f ey i e l do fu n d e r g r o u n dr e s e r v o i r so ft h ec l o s e d - b a s i nt y p e [ J ] ．T r a n s a c t i o n sA m e r i c a nS o c i e t y o f C i v i lE n g i n e e r s ，1 9 1 5 ，7 8 1 4 8 2 1 8 ． [ 2 ] D a v i dK e i t hT o d d ．G r o u n d w a t e rH y d r o g e o l o g y [ M ] ．S e c o n de d i t i o n ．N e wY o r k J o h nW i l e y ＆S o n sl n c ，19 8 0 3 6 3 ． [ 3 ] A l l e yWM ，R e i l l yTE ，F r a n k e0L ．S u s t a i n a b i l i t yo fG r o u n dW a t e rR e s o u r c e s [ M ] ．D e n v e r ，C o l o r a d o USG e o l o g i c a lS u r v e y C i r c u l a r1 1 8 6 ，1 9 9 9 2 4 ，6 7 ． [ 4 ] B o u w e rH ．G r o u n d w a t e rH y d r o l o g y [ M ] ．N e wY o r k M c G r a w H i l l ，1 9 7 8 2 7 3 4 ． [ 5 ] 国家冶金工业局．供水水文地质勘察规范 G B5 0 0 2 7 2 0 0 1 [ s ] ．北京中国计划出版社，2 0 0 1 ． [ 6 ] 张光辉，严明疆，杨丽芝．地下水可持续开采量与地下水功能评价的关系[ J ] ．地质通报，2 0 0 8 ，2 7 6 8 7 6 8 8 1 ． [ 7 ] K a i fFRP ，W o o l l e yDR ．A p p l i c a b i l i t ya n dm e t h o d o l o g yo fd e t e r m i n i n gs u s t a i n a b l ey i e l di ng r o u n d w a t e rs y s t e m s [ J ] ． H y d r o g e o l o g yJ o u r n a l ，2 0 0 5 ，1 3 2 2 9 5 3 1 2 ． [ 8 ] B r u d t l a n dG H C h a i r ．O u rC o m m o nF u t u r e [ M ] ．O x f o r d O x f o r dU n i v e r s i t yP r e s s ，1 9 8 7 5 6 ． [ 9 ] S o p h o c l e o u sM ．M a n a g i n gw a t e rr e s o u r c e ss y s t e m s w h ys a f ey i e l di sn o ts u s t a i n a b l e [ J ] ．G r o u n dW a t e r ，1 9 9 7 ，3 5 4 5 6 1 ． [ 1 0 ] S o p h o c l e o u sM ．P e r s p e c t i v e so ns u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fw a t e rr e s o u r c e si nK a n s a s [ M ] ．K a n s a s G e o lS u rB u l l ，1 9 9 8 1 3 4 1 4 6 ． [ 11 ] S o p h o c l e o u sM ．F r o ms a f ey i e l dt os u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fw a t e rr e s o u r c e s t h eK a n s a se x p e r i e n c e [ J ] ．JH y d r o l ，2 0 0 0 ，2 3 5 2 2 7 4 3 ． [ 1 2 ] A l l e yM ，L e a k eSA ．T h ej o u r n e yf r o ms a f ey i e l dt os u s t a i n a b i l i t y [ J ] ．G r o u n dW a t e r ，2 0 0 4 。4 2 1 1 2 一1 6 ． [ 1 3 ] T a y l o rCJ ，A l l e yWM ．G r o u n dW a t e rL e v e lM o n i t o r i n ga n dt h eI m p o r t a n c eo fL o n gT e r r aW a t e rL e v e lD a t a [ M ] ．D e n v e r ， C o l o r a d o USG e o l o g i c a lS u r v e yC i r c u l a r1 2 1 7 Ⅲ，2 0 0 1 1 8 2 4 ． [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] W UQ ，D O N GDL ，S H IZH ．S t u d yo fo p t i m i z i n gm a n a g e m e n to fd r a i n a g ew a t e rs u p p l ya n dz o o l o g y e n v i r o n m e n tp r o t e c t i n g f o rn o r t hC h i n ac o a lf i e l d [ J ] ．S c i e n c ei nC h i n aD E a r t hS c i e n c e s ，1 9 9 9 ，2 9 6 5 6 7 5 6 9 ． 曹剑锋，迟宝明，王文科，等．专门水文地质学[ M ] ．北京科学技术出版社，2 0 0 6 1 2 8 1 3 3 ． 山东省地质局第一水文地质队．莱芜钢铁总厂水文地质勘探报告[ R ] ．济南山东省地质局第一水文地质队，1 9 8 9 4 6 4 8 ． [ 1 7 ] 山东省第一地质矿产勘查院．莱芜市地质环境监测与评价报告[ R ] ．济南山东省第一地质矿产勘查院，2 0 0 1 2 9 3 2 ． [ 1 8 ] 李传谟，康风新．岩溶水资源及增源增采模型[ M ] ．济南山东科学技术出版社，1 9 9 9 9 7 1 0 8 ． S u s t a i n a b l eY i e l do fQ i n g n i g o uG r o u n d w a t e rF i e l d X I N GL i t i n 9 1 ”，U ￡，Y u a n - z h a n 9 1 ，L I UL i 2 ，Z H A N GJ i a n ．z h i 2 1 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fC i t yD e v e l o p m e n t ，U n i v e r s i t yo fJ i n a n ，J i n a n2 5 0 0 0 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h em e a n i n go fs u s t a i n a b l ey i e l di sd e s c r i b e dw i t hQ i n g n i g o ug r o u n d w a t e rs y s t e ma se x a m p l e ，t h es u s t a i n a b l e y i e l di st h em o s ts u s t a i n a b l ew a t e rq u a n t i t ys u p p l i e db yg r o u n d w a t e rs y s t e mi np r e s e n ta n df u t u r ee r ao nt h eb a s i so f p r o m o t i n gb e n e f i c i a lc i r c l e o fe c o l o g y e n v i r o n m e n ta n dk e e p i n g g e o l o g i c a le n v i r o n m e n ts t a b l e ．B a s e d o nt h e c a l c u l a t e da l l o w a b l ew i t h d r a w a lo fg r o u n d w a t e r4 ．6 2 10 4 m 3 ／d ，w i t hw a t e rl e v e l ，w a t e rq u a l i t ya n dk a r s tc o l l a p s e a sc o n s t r a i n tc o n d i t i o n s ．t h es u s t a i n a b l ey i e l do fQ i n g n i g o ug r o u n d w a t e r s y s t e mi s2 ．3 7x1 0 4 m 3 ／de v a l u a t e db y u s i n gn u m e r i c a lm e t h o d ．T h er e s u l t sc anp r o v i d et h eb a s i sf o rg r o u n d w a t e rs u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o ni nQ i n g n i g o uw a t e r 8 0 u r c ea r e a 。 K e y w o r d s e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ；s u s t a i n a b l ey i e l d ；a l l o w a b l ew i t h d r a w a lo fg r o u n d w a t e r ；r e s t r i c t i o no f w a t e rl e v e l ；g r o u n d w a t e rs y s t e m 万方数据