韧性城市视角下的南昌地下水应急保障能力

Emergency Support Capacity of Groundwater in Nanchang from the Perspective of Resilient City

摘要

为增强南昌市供水系统在突发灾害情境下的韧性，缓解水资源时空分布不均及极端气候事件带来的威胁，本研究采用地下水数值模拟方法，系统评估了南昌市中心城区地下水应急保障潜力。基于赣江两岸冲积平原的水文地质特征，建立了双层含水层结构的数值模型并开展模拟分析。结果表明：在现状桃花源、谢埠与尤口水源地（总开采量为138万m³/d，持续开采5个月）实施应急供水条件下，桃花源区域水位降深最小（14 m），谢埠与尤口区域降深较大（约20 m），停采后55 d内水位基本恢复。谢埠与尤口区域存在明显的降落漏斗叠加效应，导致叠加区水位降深进一步增大；在连续三年极端干旱情景（6—10月降雨量为多年平均值的40%）下，水位恢复时间逐年延长，恢复能力显著下降。通过新增扬子洲水源地的优化方案（总开采量提升至150万m³/d），有效缓解了现状水源地的开采压力，并能在未来城市人口增长情况下满足应急供水需求，表明南昌市在水安全方面具备较强的系统韧性。本研究为构建大型城市地下水资源应急保障体系提供了定量化科学依据，同时进一步印证了南昌市在“水安全”维度上所具备的韧性能力。

Abstract

To enhance the resilience of Nanchang’s water supply system under disaster and mitigate challenges from uneven spatiotemporal water distribution and extreme climate events， this study employs groundwater numerical modeling to systematically evaluate the emergency groundwater support potential in the city’s central urban area. Based on the hydrogeological characteristics of the Gan River alluvial plain， a numerical model simulating a dual-layer aquifer structure was developed for analysis. Results indicate that under emergency water supply conditions （utilizing existing Taohuayuan， Xiebu， and Youkou sources at 1.38 million m³/d for 5 months），Taohuayuan exhibits minimal drawdown （14 m）， while Xiebu and Youkou experience greater drawdown （≈20 m）， with water levels recovering within 55 days after extraction ceases. A significant superposition effect of drawdown cones occurs in the Xiebu-Youkou area， amplifying drawdown in overlapping zones. Under consecutive three-year extreme drought simulations （June - October rainfall at 40% of historical averages）， annual water-level recovery periods lengthen considerably with weakened recovery capacity. An optimized scheme incorporating the new Yangzizhou source （total extraction increased to 1.60 million m³/d） effectively alleviates pressure on existing sources and meets future emergency demands amid urban population growth， demonstrating robust systemic resilience for Nanchang’s water security. This research provides a quantitative scientific basis for establishing metropolitan emergency groundwater support systems and further verifies Nanchang’s water security resilience.

Graphical abstract

关键词

韧性城市 / 南昌市 / 应急水源地 / 双层含水层 / 地下水数值模拟

Key words

resilient city / Nanchang city / emergency groundwater source / double-layer aquifer / groundwater numerical simulation

0 引 言

韧性城市的核心内涵体现为城市系统在突发灾害情境下所具备的抵御、恢复与适应能力体系^{［1 - 2］}。供水安全是韧性城市基础设施体系的关键环节，直接关系到居民生活与生产活动的安全保障及社会秩序的稳定^{［3 - 5］}。2020年11月，党的十九届五中全会审议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》，首次将“韧性城市”建设提升至国家战略高度，并明确要求“增强城市防洪排涝能力，建设海绵城市、韧性城市”^［6］。这一决策将城市韧性建设提升至国家战略层面，凸显了应对各类风险挑战的紧迫性^［7］。

地下水系统因其天然的动态调节特性，常被视为缓解季节性水资源短缺、实施应急供水的有效途径^{［8 - 11］}。因此，系统开展地下水应急水源地的必要性与可行性论证，是构建健全应急供水体系的一项基础性工作^{［12 - 13］}。在全球范围内突发性污染与自然灾害频发的背景下，城市供水危机的防范，尤其是应急水资源的管理与安全供水保障，已成为国内外研究的焦点问题^{［14 - 18］}。众多研究从水文地质条件、地下储水空间的调蓄潜力（即“以丰补欠”机制）及应急设施建设等角度，探讨了建立地下水应急水源地以应对连续干旱、地表水污染及极端缺水事件的有效性与可行性^{［19 - 21］}。Mussá等^［22］利用数值模拟研究评估了地下水作为应急水源的可行性，证明其可在干旱期有效缓解流域水资源紧缺。吴爱民等^［23］进一步强调了地下水战略储备在应对突发性事件中的不可替代作用。刘金锋^［24］以吉林城区为例，探讨了应急水源地选址的必要性与可行性，并运用GMS模拟确定了应急开采方案。

由此可见，科学评价与合理选取应急水源地是解决应急供水问题的关键。在评价方法方面，前人构建了多维度评价指标体系，探讨了应急水源地类型、开采方案、供水量评价及恢复能力^{［25 - 27］}，并提出了不同类型的应急水源地应采取的保护方法^{［28 - 29］}，上述方法涵盖了地下水储量、水质、应急距离、抗干扰能力、地质环境及经济性的选址原则。其中，数值模拟作为核心评价手段，被广泛应用于预测不同应急开采条件下的地下水流场变化，评估可持续供水时间^［30］，一些学者^{［31 - 32］}利用可开采量与水位响应关系，制定地下水资源储备及应急利用方案，为应急水源地规划与选址提供重要的理论支撑。

南昌市作为长江中游城市群的核心城市，其水资源安全面临严峻挑战。尽管据2023年数据，全市水资源总量达78.06亿 m³，但时空分布极不均衡，年内约70%的降水集中于汛期，导致季节性缺水风险居高不下，历史上曾多次遭遇重大旱情^{［33 - 34］}。近年来，“旱涝急转”等极端气候现象加剧了水资源供给的不确定性。南昌市当前供水系统对地表水的高度依赖性，使其更易受年内降水不均的直接冲击。此外，在快速城市化与社会经济发展进程中，突发性污染、重大工程活动及地质灾害等潜在风险，进一步加剧了水资源紧缺的威胁。因此，系统查明区域水资源禀赋，科学评估其在突发情景下的应急供水能力，对保障南昌市地下水安全、提升城市韧性、支撑区域经济社会可持续发展具有至关重要的意义。本文从构建水文地质概念模型入手，量化地下水均衡要素，并运用地下水数值模拟技术手段，评估南昌市在不同情景（如极端气候、应急供水等）下的地下水应急供给能力，为构建大型城市地下水资源应急保障体系提供定量化依据。

1 研究区概况

南昌市地处江西省中北部赣江抚河冲积平原，东临鄱阳湖，属长江中下游流域。研究区范围为南昌市中心城区（建成区约330 km²），赣江自西南向东北贯穿研究区（图1）^［35］。区内地势总体西北高、东南低，地貌类型涵盖平原、岗地及低丘。

1.1 自然地理与气候

南昌市属亚热带湿润季风气候区，多年平均气温17.5 ℃。雨量充沛，多年平均降雨量为1076.8 ~ 1991.8 mm。降水年内分配不均，4—6月降雨量占年总量的51.3%，11月至次年1月仅占9.6%。区内水系发达，赣江、抚河等主要河流穿境而过鄱阳湖。

境内湖泊众多，包括鄱阳湖（南昌市管辖水面面积983 km²）、军山湖、青岚湖、瑶湖、象湖、流湖、药湖、艾溪湖及青山湖等。全市水域总面积2204 km²，占土地总面积的29%。

1.2 地质与水文地质

研究区在大地构造上隶属于扬子地块^［36］，其地层区划归属扬子地层大区江南地层分区。第四纪地层在赣江以东区域广泛发育，主要出露更新世与全新世沉积。下伏基岩主要为古近纪新余组（E₂x）河湖相紫红色碎屑岩。区内地下水类型以赋存于第四系砂砾石层中的孔隙水为主。该孔隙含水层结构清晰，主要由透水性良好、埋藏较浅的砂砾石层构成，上覆数米厚的黏性土层，其透水性相对较弱（图2）。各时代含水层在垂向和侧向上相互连通，构成一个具有统一水力联系的含水系统。该含水系统的补给来源主要包括大气降水入渗、相邻含水层的侧向径流补给以及赣江地表水的季节性补给。受孔隙介质双层结构（上覆弱透水黏性土与下伏砂砾石含水层）影响，垂向入渗补给条件相对较弱，主要补给区集中于研究区东部和西部^［34］。地下水动态与赣江水位变化关系密切，表现出典型的周期性补排特征：丰水期（3—6月），赣江水位抬升，以江水补给地下水为主；枯水期（11月至翌年1月），地下水向赣江排泄；平水期（2月、7—9月），地表水与地下水之间呈交替补排关系。

1.3 供水现状与应急水源地

南昌市多年平均产水量117.64亿m³，多年平均地表水径流量61.53亿m³。此外，区外地表客水来源丰富，包括赣江、抚河、潦河、锦江、信河西支、清丰山河等的泄水，以及赣抚平原灌溉工程总干渠、东干渠引水。多年平均入境客水量达992.88亿m³，平水年958.13亿m³，偏枯年764.52亿m³，枯水年535.16亿m³^{［37 - 38］}。

当前南昌市供水主要依赖于地表水源。受降水季节分配不均、极端水文事件频发及城市扩张等因素影响，供水系统面临稳定性风险。为保障水资源安全，亟须结合区域地质结构和水文地质条件建立地下水数值模型以评估应急情况下城市供水安全韧性。研究区内现有三个主要的地下水应急水源地，分别位于城北（尤口水源地）、城东南（谢埠水源地）和城西（桃花水源地）^［38］，其具体位置如图1所示。

2 地下水流数值模型

2.1 水文地质模型及数学描述

研究区地下水类型可概化为松散岩类孔隙水和红层裂隙水两类：松散岩类孔隙水主要分布于赣江冲洪积平原，厚度约为20 m，是地下水的主要赋存空间；红层孔隙裂隙水则掩伏于赣江两岸第四系之下，分布于赣江西侧及第四系下覆地层。尽管第四系上部存在局部较薄的黏土层，但由于其水位埋深较大且部分地区已丧失承压性，其水文地质影响可忽略^［33］。

基于水文地质条件分析，对研究区地下水进行系统性概化。基于达西定律，将其概化为三维非均质、各向异性、非稳定流模型，数学模型表述为^［38］：

\left\{\begin{array}{ll}\frac{\partial }{\partial \mathrm{x}}[K_{\mathrm{x}\mathrm{x}}\frac{\partial H}{\partial x}]+\frac{\partial }{\partial y}[K_{\mathrm{y}\mathrm{y}}\frac{\partial H}{\partial y}]+\frac{\partial }{\partial z}[K_{\mathrm{z}\mathrm{z}}\frac{\partial H}{\partial z}]+w=S_{\mathrm{s}}\frac{\partial H}{\partial t}& (\mathrm{1})\\ H{\left.\left(x,y,z,t\right)\right|}_{t=\mathrm{0}}=H_{\mathrm{0}}\left(x,y,z\right),(x,y,z)\in D& (\mathrm{2})\\ H{\left.(x,y,z,t)\right|}_{{\Gamma }_{\mathrm{1}}}={\mathrm{\phi }}_{\mathrm{1}}\left(x,y,z,t\right),(x,y,z)\in {\Gamma }_{\mathrm{1}}& (\mathrm{3})\\ K{\left.\frac{\partial H}{\partial n}\right|}_{{\mathrm{\Gamma }}_{\mathrm{2}}}={\mathrm{q}}_{\mathrm{2}},\left(x,y,z,t\right),(x,y,z)\in {\Gamma }_{\mathrm{2}}& (\mathrm{4})\end{array}\right.

式（1）中：H为水位（m）；K_{xx}\mathrm{、}{K}_{yy}\mathrm{、}{K}_{zz}为方向上的渗透系数（m/d）；w为源汇项；t为时间（d）；S_s为贮水率。式（2）中：H为D上的已知函数。式（3）中：{\Gamma }_{\mathrm{1}}代表第一类水头边界；H(x,y,z,t)表示在三维条件下边界段{\Gamma }_{\mathrm{1}}上点(x,y,z)在t时刻的水头，{\phi }_{\mathrm{1}}\left(x,y,z,t\right)是{\Gamma }_{\mathrm{1}}上的已知函数。式（4）中：n为边界{\Gamma }_{\mathrm{2}}的法线方向；q_{\mathrm{2}}为已知函数，表示{\Gamma }_{\mathrm{2}}上单位面积的侧向补给量。

研究区含水系统为双层结构，两层含水层之间存在一层相对隔水层，对层间水力联系具有控制作用。参考已有研究成果，将其垂向渗透系数取为0.1 m/d。基于现场抽水试验结果，孔隙含水层的渗透系数范围为34.54～208.74 m/d，裂隙含水层则为0.75～24.33 m/d。由于本模型未考虑地表径流过程，为合理反映实际补给能力，将孔隙含水层的渗透系数设定为80 m/d，裂隙含水层设定为4 m/d。研究区含水结构概化情况如图3所示。

模拟区范围与城区边界基本一致。西侧山区接受西部河流入渗补给地下水，故将该区域设定为隔水边界；东部以河流为界，南、北两侧则依据流场特征设为隔水边界。区内地表水系发育，主要河流概化为河流边界；另将瑶湖、艾溪湖、青山湖等主要湖泊概化为定水头边界。地下水开采量数据引自《南昌市水资源公报》，并于谢埠地区设置若干开采井以等效表征实际开采情况。由于南昌市供水系统主要依赖地表水源，地下水开采量在总用水量中占比较小，对区域水均衡影响相对有限。降雨数据采用2018—2023年南昌市降雨动态观测资料（图4）。模拟结果显示，区域内地下水整体流向自西向东，青山湖、艾溪湖至瑶湖一带水头逐渐降低，流场形态较为稳定。

2.2 模型的识别与验证

基于2018年1月至2023年12月期间研究区内监测孔的动态水位观测数据，采用试估-校正法对模型进行识别与拟合验证。以43口长期观测孔的水位资料为依据，将模拟期划分为以30天为单位的应力期，通过系统调试水文地质参数，逐期拟合地下水动态变化，完成模型校正。模型验证结果显示，绝大多数观测孔的模拟水位与实测值之间拟合误差小于1 m（图5），表明所建模型具有较高的可靠性与整体适用性。

在赣江西侧与瑶湖周边等局部区域，模拟结果出现相对明显的拟合误差。赣江西侧偏差主要源于模型概化所带来的简化效应：该区域模型概化的第一含水层中所含的部分裂隙含水层，实际上存在少部分孔隙水。由于赣江沿岸水位动态变化剧烈，裂隙水与孔隙水之间的水力联系相对较弱，从而导致该区域模拟精度下降。瑶湖附近的误差则可能与观测井紧邻湖岸有关，模型中瑶湖被设定为定水头边界，限制了水位的波动幅度，致使模拟结果未能充分反映实际水位的动态变化。

3 地下水应急保障方案

3.1 研究区供水现状及应急供水需求

南昌市中心城区的供水水源除昌西城区乌井水厂以乌井水库作为水源外，其余主要依赖赣江供水。依据《南昌市城市总体规划（2035年）》，预测2035年全市常住人口约为800万，常住人口城镇化率约为90%，中心城区总用水量为255万m³/d，其中生活用水占比55%。应急供水阶段需优先保障居民基本生活用水，故中心城区生活供水规模应达到140.25万m³/d。根据昌南与昌北城区历史供水比例进行分配，昌南城区应急供水量为97.1万m³/d，昌北城区为43.15万m³/d。规划的地下水应急水源地应满足上述供水需求。考虑到未来应急需水量可能上升至150万m³/d，应急水源地建设需预留相应的供水潜力^［38］。

现有研究表明，南昌市已设立城北尤口、城东南谢埠与城西桃花源三个应急水源地，均位于地下水丰富、含水层较厚的地段，且邻近城市供水管网。其中，研究区含水层厚度由西向东，由南向北增厚，城北尤口应急水源地含水层平均厚度为29.4 m，城东南谢埠为25.4 m，城西桃花源为18.7 m。桃花源水源地紧邻赣江，边界处赣江完全切穿含水层，构成天然的水文地质边界；尤口水源地北侧亦为赣江，但东侧缺乏天然边界，因此在与谢埠水源地共同开采时，其影响范围会向东侧扩展^［34］。

3.2 极端气候情景下的地下水模拟

3.2.1 极端干旱

受区域气候特征影响，近年来南昌市干旱事件频发，伴随降水量显著减少与河流水位持续偏低，导致区域性地下水位下降现象加剧^［38］。本文基于数值模拟方法，参照2022年南昌极端干旱事件设定干旱情景，将降水量设为该年值的40%，同时设定河流水位下降3 m。

在该情景下的模拟结果表明，研究区地下水水位呈现全域性下降，平均降幅为1.1 m，且空间异质性显著。在建城区范围内，最大水位降幅达3.5 m；其中，研究区东北部受侧向径流与地表水补给影响，水位降幅最低（Δh < 0.6 m）（图6）。

结合模拟结果分析可知，建城区西部水位降幅最大，漏斗效应显著，属于应急供水能力较脆弱区域，建议优先划分为应急供水管控区，以保障生活与基本公共服务用水需求。东部水位降幅较小，反映出一定的储水韧性，可作为应急期的补充取水区域。水位降幅低值区沿赣江东侧岸带呈条带状分布，具备作为应急水源潜力区的条件，有助于系统提升城市水资源应急保障能力^{［39 - 41］}。

3.2.2 极端降雨

南昌市降雨时空分布不均，易发生连续性强降雨事件。降雨量骤增会引起地下水位的快速抬升，进而推高城市防洪水位，加剧内涝风险^{［42 - 43］}。

为评估短期强降雨对地下水系统的即时影响及潜在风险，本研究设定了一年期的情景模拟。极端降雨情景设定如下：4—9月降雨量增至基准值的2倍（月降雨量265 mm），研究区地表水水位上升2.5 m；同时考虑农业用水需求的变化^{［44 - 46］}，将农业用水开采量调整为基准值的70%（生活与工业用水开采量维持不变），以模拟极端降雨条件下研究区地下水位的动态响应。

模拟结果显示，在极端降雨情景下^［47］，研究区地下水埋深空间变异性显著，埋深值介于1.32 m至29.38 m之间（图7）。埋深小于4.5 m的极浅埋区对降雨和地表水入渗响应最为敏感，易成为内涝和污染物快速迁移的高风险区，是防洪防涝应急措施需重点布控的区域。埋深介于4.5 m至12 m的中等埋深区，包气带对入渗的缓冲能力增强，属于地下水补给的过渡带，同时也是用水和分散式水源的集中分布区。埋深大于12 m的深埋区，地下水与地表水联系较弱，其动态主要受长期开采和区域径流控制，该区域通常分布有集中式供水水源工程^{［48 - 49］}。

埋深小于3 m的区域（图内绿蓝色区间）主要分布于湖泊与河流周边，该范围内土壤长期处于高饱和状态，易诱发管涌等地质灾害。地下水位的抬升对城市交通系统构成潜在威胁，尤其对埋深介于10.9 m至25.4 m之间的南昌地铁线路影响显著。为此，本研究将研究区划分为三个地铁运营风险等级：埋深小于15 m为高风险区，埋深15 m至20 m为中风险区，埋深大于20 m为低风险区。建议采用“抗浮加固+智能排水+地表导流”三位一体的综合防护体系，以有效抑制地铁结构渗漏与上浮风险^［50］。

应急保障工作应聚焦于开采设施的安全运行及深部工程的风险防控^{［51 - 52］}。地下水分布规律是构建“分区、分级、分类”地下水应急保障体系的重要依据，对实现精准应急管理、优化资源配置以及系统提升区域地下水资源风险应对能力具有明确的指导价值。

3.3 应急供水方案设计

基于研究区现状及应急供水需求，设计了三种工况进行模拟分析。

工况一：利用现有桃花源、谢埠与尤口三个应急水源地开展应急供水的情景，设定各水源地供水量为46万m³/d，综合考虑经济性与供水效率，每个水源地布设60口开采井，共计180口井，应急供水时长为5个月。模拟分析了应急抽水期间的水位降深及停采后的恢复过程（图8）。

模拟结果显示，应急供水前60 d内，各水源地水位持续下降，随后降速逐渐趋缓。至供水期末，桃花源水源地水位降深最小，约为14 m；谢埠与尤口水源地的降深较大，均达到约20 m。停采后约55 d，地下水位基本恢复至初始水平。供水末期，研究区内形成大范围地下水位降落漏斗，其中谢埠与尤口水源地因空间邻近产生明显的降落漏斗叠加，导致该区域水位降深进一步增大（图9）。

工况二：综合考虑南昌市干旱发生频率（44.1%）与平均干旱持续时间（5个月），并参考季节性干旱特征（夏季干旱频率40.7%，秋季76.3%）^［44］，将应急供水时段设定为6—10月，该期间降雨量设为多年平均值的40%，模拟连续三年干旱条件下的应急取水过程及其对地下水系统的影响（图10）。

模拟结果显示，在连续三年干旱情景下，各应急水源地的水位降深幅度变化不大，但水位恢复时间显著延长，恢复能力逐年减弱。至第三年，水位恢复期与最低水位持续时间均较前两年明显增加。

工况三：为应对未来城市人口增长带来的应急供水需求提升（预计达150万m³/d），并考虑到工况一中现状水源地水位降深较大，以及在工况二连续干旱条件下水位恢复能力显著减弱的问题，本文提出在东湖区扬子洲赣江分流区域新增一处应急水源地，布设60口开采井。基于应急水源地含水特征与实际情况，优化后的供水量分配如下：桃花源40万m³/d，谢埠35万m³/d，尤口42万m³/d，扬子洲33万m³/d，总计150万m³/d。

模拟结果（图11—12）表明，引入扬子洲水源地后，桃花源、谢埠与尤口水源地的水位降深普遍得到缓解，研究区内地下水降落漏斗的整体范围有所收缩。其中，尤口应急水源地的地下水位降深最大为18 m，其疏干含水层厚度占原含水层厚度的63.5%，鉴于该含水层厚度较大，应急供水期间分配了较大供水量。新增杨子洲水源地的水位降深为15 m，疏干含水层厚度占原含水层厚度的65.2%，停采约60 d后恢复至初始水位。

从应急供水功能角度评估，含水系统在停采后约60 d可恢复至初始水位，表现出良好的弹性恢复能力。此外，扬子洲水源地具备33万m³/d的应急供水能力，能够在南昌中心城区突发水危机情景下提供关键的水源保障。

4 结论

本研究基于城市安全韧性理念，结合地下水数值模拟，系统评估了不同情景下南昌市中心城区地下水应急供水能力，取得如下主要结论。

（1）现状应急水源供水能力：在桃花源、谢埠与尤口三个水源地以总开采量138万m³/d持续供水5个月的模拟情景下，桃花源水源地水位降深最小（约14 m），谢埠与尤口水源地降深较大（约20 m）。停采后约55 d水位基本恢复；但谢埠—尤口区域因降落漏斗叠加，导致叠加区水位降深进一步增大。

（2）连续干旱情景下的响应特征：在连续三年极端干旱条件下，各水源地年际水位降深幅度变化不大，但恢复期由约30 d显著延长至3个月以上，且恢复能力逐年减弱，反映出长期干旱对地下水系统具有明显的累积影响。

（3）新增水源地的优化效果：通过增设扬子洲水源地，将总开采量提升至150万m³/d，有效缓解了现状水源地的水位降深，有助于减轻应急开采对区域生态环境的潜在影响，并增强长期应急供水的可靠性与可持续性。该方案下扬子洲水源地自身水位降深（15 m），恢复期约为60 d。

综上研究表明，南昌市城市供水系统在不同应急情景下均具备一定的保障能力，显示出其在“水安全”方面具有较好的韧性特征。

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基金资助

江西省技术创新引导类计划“科技+地质”联合计划项目(2023KDG01008)

江西省水资源基础调查项目(赣自然资办函〔2024〕362号)

南昌市水文地质与水资源开发利用重点实验室资助项目(20232B22)