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

現(xiàn)階段城市安全供水存在一定隱患，尤其在遭受戰(zhàn)爭、恐怖襲擊、地震、海嘯、火災(zāi)、潮災(zāi)、旱災(zāi)、水質(zhì)污染及公共衛(wèi)生事件、大面積長時(shí)間停電等突發(fā)性災(zāi)難導(dǎo)致城市自來水供水水源遭受嚴(yán)重破壞無法正常供水時(shí)，該問題尤為突出。

解決城市應(yīng)急狀態(tài)時(shí)的供水問題，是一項(xiàng)關(guān)系到國計(jì)民生的大事，一定程度上左右著城市的階段性發(fā)展，而優(yōu)質(zhì)、豐富的地下水資源，具有易保護(hù)、易儲(chǔ)存、不易受污染等特點(diǎn)，是應(yīng)急狀態(tài)下最為理想的供水水源。因此，地下水應(yīng)急水源地作為緊急啟用的暫時(shí)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(xiàn)階段存在較為嚴(yán)重的污染現(xiàn)象，目前上海已進(jìn)入水質(zhì)型缺水城市行列，更應(yīng)重視城市地下水應(yīng)急水源地建設(shè)。區(qū)內(nèi)地下水主要賦存于松散巖類孔隙介質(zhì)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(qū)域地貌、地層巖性、厚度及地質(zhì)構(gòu)造等因素。松散巖類孔隙水是區(qū)內(nèi)主要的地下水類型，蘊(yùn)含豐富的地下水資源，按其成因類型、時(shí)代、礦化度和水化學(xué)類型，以及彼此間的水力聯(lián)系密切程度，可將松散巖類孔隙水劃分為各具特點(diǎn)的三個(gè)含水巖組和七個(gè)含水層。分別為全新統(tǒng)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(tǒng)承壓含水巖組，包括第一、二、三承壓含水層;以及下更新統(tǒng)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(qū)，具有集中開采價(jià)值，可作為供水水源，是地下水應(yīng)急水源地建設(shè)主要考慮地區(qū)。

1 地下水應(yīng)急水源地規(guī)劃

1.1 地下水應(yīng)急水源地調(diào)查

根據(jù)應(yīng)急供水的需求類型、地理位置、城市規(guī)劃功能區(qū)，上海市應(yīng)急水源地建設(shè)規(guī)劃可分為三大類:

第一類為島嶼，該地區(qū)因特殊地理位置，規(guī)劃重點(diǎn)是應(yīng)對以咸潮時(shí)間過長、地表水源受污、發(fā)生嚴(yán)重干旱等事件為主的應(yīng)急地下水供水水源地，重點(diǎn)解決分散島嶼居民的生活用水和部分特殊工業(yè)用水，水源地供水時(shí)間相對較長。該地區(qū)第五含水層具備應(yīng)急水源地建設(shè)水量與水質(zhì)條件。

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

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

1.2 地下水應(yīng)急水源地圈定

根據(jù)上述不同區(qū)域人口分布、地區(qū)重要性、地下水開采現(xiàn)狀與規(guī)劃、地下水資源分布等情況綜合分析，圈定集中與分散相結(jié)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(jié)合的地下水應(yīng)急水源地，共14處應(yīng)急水源地，分布于上述三類主要地區(qū)(表1)。

表1 含水層地下水應(yīng)急水源地一覽表

中心城為城市人口密集、工程建設(shè)程度強(qiáng)烈、地面沉降重點(diǎn)防治地區(qū)，地下水應(yīng)急水源地建設(shè)充分利用中心城現(xiàn)有供水管路及現(xiàn)有取水設(shè)施，滿足應(yīng)急狀態(tài)下城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)順利開展、大量居民正常供水，圈定為大型地下水應(yīng)急水源地。

三島地理位置相對獨(dú)立，考慮應(yīng)急狀態(tài)下取水便捷，并能充分利用各島現(xiàn)有供水管路及現(xiàn)有取水設(shè)施，分別圈定崇明島重點(diǎn)發(fā)展的城橋新城、陳家橋新城，長興島、橫沙島為中型地下水應(yīng)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(qū)重點(diǎn)發(fā)展的新城區(qū)，將形成產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新型都市，人口密集，一旦出現(xiàn)供水問題，將在短時(shí)間內(nèi)需要大量的水資源，來滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展、受災(zāi)人口的生活用水所需，這些重點(diǎn)發(fā)展的新城區(qū)同樣圈定為中型應(yīng)急水源地。

2 應(yīng)急供水方案制定

2.1 地下水環(huán)境容量

應(yīng)急供水方案除考慮人口、經(jīng)濟(jì)要素外，還應(yīng)考慮到區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的承受能力，開采后是否產(chǎn)生嚴(yán)重的地面沉降問題(或應(yīng)急期間有產(chǎn)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的可能)，與地下水環(huán)境容量密切相關(guān)，因此在制定應(yīng)急供水方案前首先要確定地下水環(huán)境容量。

由此建立了三維變系數(shù)地下水滲流－一維地面沉降非線性耦合數(shù)學(xué)模型，考慮土體的粘彈塑性變形特征，采用適應(yīng)上海大區(qū)域三維問題求解的多尺度有限元法對研究區(qū)數(shù)值模型進(jìn)行求解［4］。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用“臨界水位”研究成果［5］，設(shè)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(zhì)問題，采用罰函數(shù)法與變尺度法相結(jié)合的途徑進(jìn)行優(yōu)化反演分析，得出現(xiàn)階段地下水環(huán)境容量總量為2 500萬 m3/a，并對現(xiàn)階段的開采布局進(jìn)行了優(yōu)化［6］。

2.2 應(yīng)急供水方案

在地下水環(huán)境容量前提下，結(jié)合上述不同區(qū)域人口分布、地區(qū)重要性、地下水開采現(xiàn)狀與規(guī)劃、地下水資源分布等情況綜合分析，圈定集中與分散相結(jié)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(jié)合的地下水應(yīng)急水源地(表2)。

3 環(huán)境地質(zhì)問題預(yù)測評估

在應(yīng)急供水情況下，以確保應(yīng)急供水量為主要目的，但由于短時(shí)間內(nèi)集中、高強(qiáng)度的地下水開采，可能產(chǎn)生一定程度的地面沉降，為及時(shí)了解應(yīng)急開采地下水過程中地面沉降發(fā)展趨勢，避免應(yīng)急供水期間因產(chǎn)生嚴(yán)重的地面沉降而引發(fā)其它次生災(zāi)害或使影響程度盡可能地降低至最小限度，需對應(yīng)急供水情況下可能引起的環(huán)境地質(zhì)問題進(jìn)行預(yù)測評估。

利用上述建立的地面沉降數(shù)學(xué)模型，對應(yīng)急開采方案下的地面沉降進(jìn)行預(yù)測。以采用上述應(yīng)急開采方案開采90天為例，地面沉降預(yù)測分布情況如圖1所示。中心城應(yīng)急水源地因應(yīng)急開采量為其它水源地的10倍，產(chǎn)生的地面沉降現(xiàn)象比較明顯，且呈微量增加態(tài)勢。金山新城應(yīng)急水源地，因含水層水文地質(zhì)條件相對較差，且其東部基巖隆起含水層側(cè)向補(bǔ)給條件明顯削弱，補(bǔ)給條件較差，易產(chǎn)生地下水位下降及地面沉降?；菽闲鲁恰⑴R港新城、松江新城、青浦新城、浦東國際機(jī)場、奉賢海濱農(nóng)場區(qū)，在實(shí)施應(yīng)急開采方案后，有微量的地面沉降產(chǎn)生，并隨著時(shí)間的推移， 下降趨勢不甚明顯。其余應(yīng)急水源地地面沉降現(xiàn)象總體不甚明顯。

表2 水源地應(yīng)急供水方案一覽表

4 結(jié)語

在城市發(fā)展過程中，應(yīng)急水源地建設(shè)至關(guān)重要，關(guān)系到人民生命安全和社會(huì)安定團(tuán)結(jié)，通過上海市地下水應(yīng)急水源地規(guī)劃戰(zhàn)略研究，得出如下結(jié)論:

(1)在地下水應(yīng)急水源地調(diào)查基礎(chǔ)上共圈定了14個(gè)地下水應(yīng)急水源地，圈定的大型、中型地下水應(yīng)急水源地?cái)?shù)量及布局合適。

(2)制定的應(yīng)急供水方案考慮了地下水環(huán)境容量的限制，并對可能產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問題及可能進(jìn)一步引發(fā)的次生災(zāi)害進(jìn)行了預(yù)測分析，注重地下水可持續(xù)開發(fā)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(fù)。

［1］史正濤，劉新有.城市水安全與應(yīng)急水源地建設(shè)——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(yīng)急供水水源地研究［J］.水電能源科學(xué)，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(tǒng)應(yīng)力－應(yīng)變特征及地面沉降防治對策［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2005，16(1):5～8.

［4］薛禹群，葉淑君，謝春紅，張?jiān)?多尺度有限元法在地下水模擬中的應(yīng)用［J］.水利學(xué)報(bào)，2004，7:7～13.

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

［6］劉金寶，張?jiān)缕?，吳建?上海地下水環(huán)境容量評價(jià)及在地面沉降控制中的應(yīng)用［J］.上海地質(zhì)，2010(4):24～28.