【】华北平原有咸水区雨洪控制利用【水利工程】

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。【2014年】华北平原有咸水区雨洪控制利用【水利工程】水利工程论文-华北平原有咸水区雨洪控制利用水利工程论文-华北平原有咸水区雨洪控制利用摘要：华北平原有咸水区，水资源短缺，深层地下水严重超采，生态环境恶化。在这个地区开发利用咸水，腾出地下库容，能够减少潜水蒸发与雨洪径流，增大降雨入渗，把时空分布不均的天然降雨转化为可利用的水资源。该文总结了农村用微咸水灌溉，抗旱增产，调控地下水埋深，增大雨洪回灌，淡化地下水质的经验。提出了城区雨洪控制利用的建议。 关键词：有咸水区 咸水开发利用 调控地下水埋深 减少雨

2、洪径流 增大降雨入渗  1 大气降水与四水转化特点黄河以北的华北平原，属季节性干旱半湿润大陆性季风气候区。大气降水到达地面后，在下垫面条件共同作用下，一部分形成地表水，一部分渗入到土壤，在重力作用下，其中一部分形成了地下水，大部分被拦截成为土壤水。大气水、土壤水、地下水、地表水在一定条件下相互转化（图1）。大气降水与四水转化关系有以下特点：1.1 年际降水量变化大华北平原多年平均降水量500600 mm。气候为过渡带，降水很不稳定，降水量年际变化很大。常有连丰、连枯水年，丰、枯水年交替。少水年，降水可小于400 mm，呈现半干旱甚至干旱地区特点。多水年，降水量可大于800 mm，呈现

3、湿润气候特点。海河东部平原南皮县1956 1986年平均降水量550 mm，最大年降水量1 184.9 mm（1977年），最小降水量262.4 mm（1956年），最大与最小相差4.5倍。1.2 年内降水集中干湿季分明在季风气候影响下，降雨集中在夏季（7、8月份），其余时间为旱季。南皮多年平均夏季降水量占全年的 73 ；春季（35 月）和秋季（911月）雨量较少，分别占全年降水量的11 和13 ; 冬季（12月2月）雨量稀少，仅占2 。形成春旱夏涝、秋冬又旱、旱涝交替的特点。1.3 蒸发量大于降水量据德州、新乡、安阳、保定、南皮等气象站分析，全年蒸发量与降水量之比为3.13.9。南皮多年平均

4、蒸发量2 138.6 mm，为年降水量的3.9倍。最大年蒸发量2 659.2 mm。冬春两季的蒸发量最大，为降水量的1638倍。1.4 四水转化运动以垂向排补为主华北平原地势平坦，大部分平原地下水水力坡降都很小，含水层岩性颗粒较细，地下水、土壤水水平向运动很小，水分运动和交换主要是竖向入渗补给、土壤蒸发、潜水蒸发和人工开采排泄。降雨和灌溉入渗量约占平原浅层地下水总补给量的84 ，若计入河渠侧向补给，竖向补给量达94 。总排泄量中人工开采和潜水蒸发的竖向排泄量达99.4 。1.5 包气带是四水转化的主要场所多年平均降水量的8 转化为地表径流，20.6 转化为浅层地下水，71.4 转化为包气带土壤

5、水，若计入潜水蒸发量，则由包气带向大气转化的水量约为降水量的78 左右。2 开发地下咸水灌溉，增大雨洪利用华北平原东部广泛分布有>2 g/L的浅层地下咸水（图 2），总面积8.39万km2。地下咸水长期弃置不用，占据着浅层地下水的地层空间，影响这个地区蓄纳雨水及地表淡水，而且蒸发浓缩，成为土地盐碱的根源。这个地区长期以来靠开采深层地下水支撑工农业生产，由于严重超采，已引起地面沉降、上部咸水层下移、深层地下水质变差等生态环境问题。为了克服水资源严重短缺对农业生产的威胁，自上世纪70年代开始开发微咸水发展灌溉。在季风气候及排水条件下，用微咸水灌溉的连作小麦、玉米，比不灌的旱作可增产12 倍，

6、而并未发生土壤积盐，地下水还有所淡化。80年代应用咸水灌溉成果，引进联合国IFAD 贷款，建立南皮农业开发项目区，建设机井灌渠排沟，大面积开发咸水，使灌溉面积增加一倍，盐碱地面积改好一半，农业产值及人均收入翻了两番。华北地区已开发利用咸水6.6亿m3,其中河北平原为3亿m3。咸水大量开发利用，改变了四水转化条件，使大气降水更多地转化为可利用的水资源。开发利用咸水，所以能够增大雨洪利用，综合治理旱涝碱咸，促使生态环境良性循环。这是由于：2.1 调控地下水埋深在临界动态地下水埋深动态是大气降水、地表水、土壤水、地下水之间消长转化的集中反映。调控合理的地下水埋深，是增大雨洪利用的关键。不同季节需要调

7、控的地下水埋深临界动态：旱季在防治盐碱的地下水临界深度（23 m），尽量减少潜水蒸发，防止土壤返盐；雨季前在防涝蓄雨深度（46 m），尽量增大降雨入渗，减少地表径流，增强伏雨洗盐及淡化地下水的作用；雨季在作物的抗湿深度（0.51 m）, 即在2日内将降雨形成的地表积水排出, 并将因降雨抬高的地下水位回降到作物抗湿深度以下（图 3 ）。大量开发利用咸水，腾出地下库容, 能够调控地下水埋深在临界动态。南皮项目区建立前地下水年开采量600万m3, 建项目区后到 1987年达到1 380万m3。汛前 6月地下水埋深至1988年全部调控在3 m以下，与1985年同期比较，23 m的减少了77 ，46m的

8、增加了53 。19861988年地下水埋深，春季3月在 2.783.73 m，汛前6月在 4.485.03 m，汛后9月在1.152.95 m，已调控到地下水临界动态指标（图 4）。2.2减少潜水蒸发潜水蒸发量与地下水埋深密切相关。在轻砂壤土地区，地下水埋深为 1 m时，其潜水蒸发量大于地下水埋深为2.5 m时的 6倍。调控地下水埋深在临界动态，可以大量减少潜水蒸发。南皮项目区 按19841986年平均水位埋深计算可采量为433.85 万 m3，而按 1986 1988年 地下水埋深调控在临界动态（ 2.5 5 m ）计算可采量为1 322.39万m3，即可从潜水蒸发中夺取888.54万m3

9、可利用的水资源。2.3 增大降雨入渗降雨渗入地下，除补给土壤水外，其余转化为地下水成为可利用的水资源。在平水年雨季降水434 mm情况下，降雨入渗补给地下水量最大值相应的雨季前埋深在4.5 m左右。在雨季前地下水埋深2.54.5 m范围内，每降深 1 m，降雨入渗补给地下水量增加226 mm。雨季前地下水埋深大于4.5 m时，降雨入渗将随埋深增大而减少。在枯水年及丰水年，降雨入渗补给最大值相应雨季前埋深分别在5.5 m及4 m左右（表 1，图 5）。 南皮项目区地下水埋深处于临界动态，增大了降雨入渗对地下水的补给。1986年10月至1987年9月，1987年10月至1988年9月，降雨入渗系数

10、分别达到25 和21 。19861987年尽管由于雨季前干旱，大量开采地下水，但经过雨季降雨补充，地下水位上升1.75 m，扣除当年开采及潜水蒸发水量，可采量模数增加85 230 m3/km2/a，为秋季及来年春季抗旱增补了地下水源。2.4减少径流流失春季抗旱灌溉，大量提取浅层地下水包括微咸水，能在雨季前腾出地下库容，增大降雨入渗，减少地表径流，预防渍涝灾害发生。 同时使天然降雨尽多地转化为可利用的水资源。观测研究表明，径流量随地下水位下降而减少。19741977年，雨季前地下水埋深在1.12.5 m，次降雨量和前期影响雨量（PPa）=156244 mm，径流深R =1847 mm。19841

11、987年，PPa=88236 mm，R = 030 mm。80年代同70年代相比，地下水埋深增大了1.62.0 m，在PPa=160230 mm条件下，R 减少了1724 mm。雨前地下水埋深在15 m范围，每降深 1 m，地表径流减少1225 mm。1987年降水736 mm，为偏丰年，其中雨季降雨509 mm，但未发生涝灾。南皮试区1987年8月3日降雨149 mm， R 只有4 mm，大部分补给地下水。8月26日6小时降暴雨189 mm，R=30 mm，地面曾普遍积水，但雨前地下水埋深在3 m左右，又有排水条件，积水很快外排并渗入地下，雨后两天地下水埋深在1.73 m不涝不渍。南皮北试区

12、，在189 mm这次暴雨前地下水埋深还在4.62 m，降雨后没有产生地表径流（表2， 图6 ）。2.5 汛雨洗盐排盐华北平原降水集中在雨季。平水年69月份雨季降水434 mm，占全年降水量73，具有很强的淋洗土壤盐分的作用。盐碱地区农民“宁舍青苗，不舍伏雨”， 平地围埂，淋洗盐碱。但在无排水条件下，只是暂时把盐分压在下面，雨季过后还要上返。在深沟排水条件下，把过去雨涝淹地、涝后返盐的不利因素转变为洗盐排咸的有利条件。在地下水埋深调控在临界动态的情况下，大面积土壤脱盐，主要是靠汛雨洗盐排盐。南皮试区19741987年有7年排水排盐，累计排盐量1 394.5 t/km2。后营试区1964年雨季降水

13、604 mm, 排盐量1 470 t/km2, 每亩排盐近1 t (表 3)。由于土壤盐分大量外排，减少了土壤盐分淋洗对地下水的补给，也促使地下水逐步淡化。2.6 地下咸水淡化在季风气候及排水条件下，长期抽汲咸水灌溉，有降雨和淡水补给，土壤盐分淋洗外排，加强了咸淡水的循环交替，促使地下咸水逐步淡化。南皮咸水灌溉试验场, 自1980年起用虹吸井提取咸水灌溉，地下水矿化度56 g/L，经过8年，到1988年，按6月同期比较，地下水矿化度降到14 g/L。其中地下水表层矿化度由4.85.1 g/L下降到1.192.96 g/L，5 m矿化度由5.15.3 g/L，下降到1.232.38 g/L，底层

14、（10 m左右）矿化度由5.77.8 g/L下降到3.06 3.83 g/L（表4）。在南皮地下水监测区，从19741988年14年地下水淡化明显。表层 >2 g/L淡水面积由20 增加到50 。有的地段由表层到8 m原来的咸水变为淡水，淡水体增加639 000 m3，淡水可采量模数增加了 15 000 m3/km2/a （图 7）。降雨入渗补给是促使地下咸水淡化的主要因素。1987年降雨735 mm，各层地下水不论按旱季（6月）、汛后（9月）同去年同期比较，同一年汛后同旱季比较，还是旱季同上年汛后比较，全部淡化。在1984、1985平水年，以上四种比较中，淡化占72 。1986年为偏旱

15、年，6月、9月同上年同期比较78 矿化。但总趋势还以淡化为主，淡化占56 72，矿化占23 44 。增大降雨入渗的关键是调控适宜的地下水埋深。1977年降雨1 185 mm, 但地下水埋深在1 2 m，不能蓄纳全部雨水，淡水大量外排。1987年地下水埋深4.26 m，PPa=236 mm，没有径流外排，全部入渗地下。这就是80年代以来，虽然大部分年份偏旱，但地下水仍有淡化，特别是经过1987年偏丰年，是地下水淡化更为明显的原因。3 城区雨洪控制利用华北平原有咸水区的城市，是工农业用水最为集中的地区。河北平原近20年来深层地下水超采400亿m3，形成以天津、沧州、衡水、德州、廊坊等城市为中心的大

16、面积深层地下水位降落漏斗区，引起生态环境严重恶化。城区浅层地下水咸水过去不予利用，地下水埋深较浅（雨季12 m，旱季36 m），甚至春季路面还有翻浆现象，难以蓄纳雨水。而城区建筑密集、路面不透水，降雨后产生大量雨洪径流，靠雨污合流全部外排。一方面水资源严重短缺，一方面雨洪资源又白白流走，是很大的浪费，而且增加了城区排水负担。因此，增大城区雨洪控制利用，把当地降雨转化为可利用的水资源，是缓解水资源危机的有效途径。如何增大有咸水区雨洪控制利用，是城区增辟水资源的一个新课题。现以沧州市城区（40 km2）为例，提出城区雨洪控制利用规划的建议。3.1 建设城区咸水中水道，开发利用咸水在城区开发咸水，建

17、立中水道供水系统。在城市工业、农业、生活等领域凡有条件利用微咸水和咸水的不再使用淡水和自来水。1）生活用水，用咸水洗涤、冲厕、洗车等。2）工业用水，工厂冷却用水、工地冲洗砂石料、制蜂窝煤等。3）环境用水，喷洒道路、消防用水、游泳池、喷水池用水、微咸水浇灌绿地林带等。4）农业用水，灌溉蔬菜作物，23 g/L 微咸水直接利用，35 g/L 咸水与淡水轮灌或混灌。5）公园湖塘水体养鱼用水等。据沧州市实验，咸水中水道可替代居民生活用自来水的1/2，即每年可少用750万m3自来水（黄河水）。地下水埋深控制在23 m到56 m, 可抽取水量812万m3/km2/a。腾出地下库容，为蓄纳雨洪径流创造条件。随

18、着咸水不断抽用，用降雨及地面淡水（包括引黄引江水）补充。年复一年反复抽补，咸水逐步淡化，1520年左右可能变为淡水。3.2 集蓄雨洪径流，回灌地下水城区雨洪可利用量是在汛期降雨中扣除雨季蒸发、产流前湿润下垫面损失，可能被拦蓄入渗或集蓄利用的水量，沧州市约为622万m3。城区雨洪控制利用的途径与措施如下：3.2.1 屋顶雨水拦蓄利用建立屋顶渗井回灌系统和屋顶人工湖系统。渗井和人工湖结合建筑区草坪统一安排。屋顶人工湖系统直接收集屋顶雨水经过泸后引入人工湖，补充水体，还可用于浇灌草坪回灌地下水。屋顶渗井回灌系统，是用管道与落水管连接直接收集屋顶的雨水经过泸后引入渗井回灌地下水。北京市砾质中砂地层直径

19、3 m、深8 m的渗井，对十年一遇降雨，可消纳2 500 m2屋顶上产生的径流量。沧州市规划增建城区23 km2，屋顶面积约513万m2。40的屋顶面积需修建屋顶相应地面渗井1 700个。同时改造15 旧屋顶面积，修建350个渗井。到2010年使城区减少径流量110万m3，并入渗回灌地下水。3.2.2 建透水路面增大降雨入渗 1）新建仃车场和广场地面采用透水材料，增加降雨入渗量。对原有停车场及广场逐步进行透水路面改造。2）新建人行道铺装透水砖，并低于马路路面，减少径流流失。现有人行道随更新翻修，逐步改为透水地面。3）修建道路蓄水入渗回灌系统，收集公路上的降雨径流，经油水分离、过泸等处理后回灌地

20、下或存蓄灌溉路边花坛、草坪、树木。北京市人行道铺设透水方砖可减低暴雨径流速度、流量、延长滞时，汛雨利用率为3540。沧州市到2010年道路广场用地704 hm2。道路雨洪利用增加地下水补给量平水年为9万m3，减少径流量36万m3。3.2.3 绿地草坪滞蓄汛雨关键是增加绿地降雨入渗量，减少径流流失。北京市低于地面的草坪通过地下 1 m界面的入渗量占降雨与灌水总量的30以上，是与地面持平的草坪的1.6倍，是高于地面草坪的4.9倍。高草坪在平水年汛期有5.6 11的外泄径流，而平草坪或低草坪无径流外泄。因此，增大绿地雨洪利用要改高草坪为平草坪或低草坪。沧州市现有绿地面积69 hm2，到2010年新增

21、735 hm2。建新草坪后降雨入渗系数较平草坪和高草坪分别增加0.1和0.2。在大型草坪中结合人工湖渗井系统，补给量及滞洪效果更佳。因此，也改善了生态环境景观。绿地雨洪利用，到2010年平水年增加地下水补给量76万m3，减少汛期径流量190万m3。3.2.4 增加城市水体城市水体不仅美化环境，增加水体面积还可提高 防洪 能力。实行雨污分流，使雨水排入河道、湖塘，增加淡水，净化水体。沧州市规划到2010年在南运河两侧建人民公园、胜利公园，南运河东侧建南湖公园并通过南运河互通互游。蓄水容积200万m3，可调蓄雨洪75万m3，增加入渗量37.5万m3。采用以上四项措施，控制利用雨洪，到2010年可削减城区径流量411万m3，增加地下水补给量232.5万m3。4 结语华北平原东部有咸水区，在农村发展井灌井排渠灌沟排，在城市建设咸水中水道及透水路面、渗井、绿地等回灌设施，以开发利用浅层地下水包括微咸水和咸水为基础，以调控合理的地下水埋深为中心，以土壤及潜水的地层空间作为调节大气降水、土壤水、地下水、地表水的地下水库。减少潜水蒸发，增大降雨入渗，减少径流流失，汛雨洗盐排盐