地表水和地下水资源综合利用系统的可靠性原则

本文格式为Word版，下载可任意编辑——地表水和地下水资源综合利用系统的可靠性原则

地表水和地下水资源综合利用系统的可靠性原则

［俄罗斯］V.S.Kovalevskii

冯翠娥译；李烨、魏国强校译

本文研究了在低水位期，地下水对地表水径流进行周期性补给造成的地表水径流变化的动态规律。结果说明，应当考虑在地下水补给阶段和地下水水位恢复（地下水中止向地表水补给）阶段造成的径流变化。研究说明，在根据流域的水文地质条件优化设计补给量的条件下，综合利用地表水和地下水的系统是切实可行的。

一、概述

水资源无规律的季节性变化，很大程度上是由于自然补给量长期的无规律性变化，这极大地影响了水资源的利用效率，特别是在中小流域表现尤为明显。地表水和地下水的环境允许年抽水量和低水位期河流最小的月排泄量相比，寻常只有正常的未经调理的河流年排泄量的百分之几。入渗成因的地下水的安全开采量一般不超过河流最小排泄量的20%～25%。即使是地表两三个地层以下的承压含水层，也会不可避免地影响河流的径流量。

地下水开采量超过允许极限值，会带来大量不利的环境后果，如河流断流或枯竭、河道淤积、水生和河岸生态系统的抑制或退化、水井枯燥、供水条件恶化、地表水和地下水水质恶化等。

在允许水平下，采用多种可以增加开采量的方法，例如通过正确的径流调理（由于各种自然、经济和社会原因，寻常难以实现），或是通过开发地下水和地表水综合利用系统，可以避免这些不利后果的产生。

二、地下水和地表水资源综合利用系统

地下水和地表水资源综合利用系统在大量国家已经得到了广泛应用，根本原则是在低水位期主要利用地下水补偿地表径流量的不足。一些文献中所列举的例子都是把地下水进水口建在河流上游地区，在地表径流不足时启动这一进水口，将抽取的地下水排泄到河流中。尽管一些研究者已经探讨过类似的方案，但在俄罗斯尚未应用这一系统。

以这种方式综合利用地表水和地下水，不能解决大量重要的实际问题。首先，不能保证为消费者提供所需的水量。由于当优质地下水排泄到河流后，必然会受到污染物的影响。另外，该系统不能显著提高流域水资源的利用效

率。这些进水口一般只在高水位年才启动，因而有时会连续多年闲置不用。再者，没有方法能够评价在保证该系统连续安全运行条件下的可能最大抽水量。更好的方法是综合利用地下水和地表水，即在河谷上建造两个功能独立的地下水进水口，主要进水口和补给进水口（图1）。主要进水口揭露地下土层或者与河水具有密切水力联系的微承压含水层，在高水位年用来截留地表径流；在低水位期，或者用于减少输出量，或者中止使用。为了保证给消费者提供足够的水量，在某些时期需要启动补偿性进水口，启动这一进水口的目的是弥补主要进水口中止运行造成的径流量不足。

在这些流域，最大可能抽水量（没有经过径流调理）取决于含水层对径流量不足的补给能力，以及地表径流的特征。研究结果说明，进水口的年输出量越大，缺水期就越长，因此，需要通过补偿性进水口恢复的径流量就越大。假使规定抽水量等于河流排泄量的95%，就完全不会出现缺水期，或平均20年都不会出现超过一个月的缺水期。然而假使抽水量是排泄量的三倍或更多，则不仅每年都会出现缺水期，甚至一年会出现两次缺水期（冬夏两季的低水位期）。

实现这些系统功能的方法由6个基本模块组成：

1．研究低水位期和高水位期出现的周期性规律，在不同抽水量设计值的状况下，建立低水位期的持续时间和缺水范围之间的关系。

2．根据水资源抽水后水位降低的不同类型，评价地下水安全开采量的最大值，旨在选择系统的最正确取水量和运行状态。

3．在不同的地下水开采速率和开采时间下，评价地表径流可能的和允许的减少量。

4．评价在下一个低水位期之前补充地下水资源的可能性。

5．实施综合利用地下水和地表水资源系统的环境和其它限制手段。

6．评价综合利用地下水和地表水的效率，比较某地区该系统的独立利用效率和其它方法进行供水的效率。

根据上述6个组成部分，可以结合综合利用地表水和地下水系统，建立水资源管理和研究合理利用水资源的模型。以下探讨细节问题。

从环境角度证明这一系统可靠性的最重要一步，是在实施补偿取水过程中以及在随后的低水位年，防止对径流的影响达到难以接受的程度。对于几乎所有补偿耗竭地下水资源的方案，都希望在下一个低水位期前的高水位期能做到这一步。之前尚无这方面的评价工作。

主要进水口和补偿进水口的水量和实施这些行为对径流量造成的影响（其它水文地质条件一致），取决于进水口和河流之间的距离。这可以作为保证设计效率的指标。为了保证可以通过主要进水口实现所需的径流排泄量，应当在地表水和地下水相互作用的最正确条件下设计主要进水口，即假定河水十分清白，没有受到细菌污染，保证进水口与河流之间的距离最短。当河床渗透性较低，有效渗透系统不能完全中途截留所需的径流量（包括人工补给地下水），进水口就会受到河流（经过适当的水处理）的影响。当然，评价这些进水口输水量的方法有好多。

如前所述，只有对无规律性抽水特征进行分析，对选择方案和进水口对河水径流可能造成的影响进行分析，对下一个低水位期发生前的高水位期补充耗竭地下水资源的可行性进行评价后，才能确定补偿进水口所需的水量。解决这一问题具有环境方面的重要性，这是由于可以预防径流排水量达到不可接受的程度，以防出现不利的环境问题，可以保证地下水资源不会耗竭，可以永久利用。

选择最正确补偿进水口的设计程序分为几个阶段。首先，需要确定进水口的有效输出量，即进水口的输出量和对河流径流造成破坏之间的关系，进水口与河流的距离，近似评价进水口与河流之间最正确距离的次序。在适当的边界条件和设计水文地质特征条件下，可以采用进水口的输出量和对径流的破坏之间的关系来确定最正确距离。

在Lama河建立了这一相互关系（如图2所示），从中可以看出，接近进水口的输出效率曲线十分平缓。据此可以认为，对河流径流造成破坏的滞后现象与进水口和河流之间的距离有关。计算结果说明，当进水口与河流间的

距离为200m时，径流很快就会在12d内受到破坏；假使距离为500m时，则在74d之后才会受到破坏。

径流受破坏的滞后现象不仅与进水口与河流之间的距离有关，而且与水文地质参数有关。当水力弥散系数＝100m2/d时，几个月后河流径流会受到明显的破坏（100～200m），即在低水位期，河流极易枯竭；而当

很短时间内观测到河流受到破坏的现象。

其次个最优化阶段是考虑低水位期可能的持续时间，可以通过水文地质资料表或径流水文图获得。

如前所述，在低水位期，缺水范围与正常年径流量关系十分密切。在研究允许抽水量时，首先应当考虑环境容量。在大多数状况下，抽水量应当控制在允许范围内，当抽水量不超过河流正常月流量最小值的25%时，95%在允许范围内。假使每月的河流流量为1m3/s，允许抽水量不得超过0.2m3/s，则会有0.8m3/s的水量保存下来，即环境可以接受的径流量。当对水域中的水需求量超过了最大可允许抽水量时，则需要考虑供水替代方案，包括在远处（有时距离会大于10km）寻觅新的水源，或通过综合利用地表水和地下水方案，实现水资源的最正确利用。规划进水口的可行性研究说明，投资费用主要是用于建造水道和相关的道路，而与此同时，这些费用远远超过了建筑进水口（钻井、泵站等）资金总额和运转费用。此外，通过较长的管道后，水质不可避免地会受到一定污染。因此，除了主要进水口，在建造补偿进水口时要同时从经济和环境角度出发。

当补偿进水口运行3个月或更长时间（由于运行结果会影响下一个低水位期），确定对径流的破坏作用时，所允许的滞后时间就显得十分重要。当＞1000m2/d时，即使进水口距离河流十分远，地表径流极可能处于低水位期时，也会在

地表径流不仅包括冬季低水位期，而且也包括夏季低水位期（有时没有前者明显）时，这一点尤为重要。

在与河流相互作用的半无限河床中，用Hantush等式计算河流径流的动态破坏。

式中，V(m3/s)是对径流造成的破坏；Qw（m3/s）是通过补偿进水口获得的水量；L（m

）是进水口和河流之间的距离；L（m）是河床的水阻力；a（m2/d）是水力弥散系数；t（d），是缺水时间；T（d）是水位恢复时间。

图3给出了1a时间内，低水位期进水口造成的径流破坏动态实例，进水口和河流的距离不同（100～500m），计算两个河床水力弥散系数条件下水径流破坏的时间滞后结果。如图3所示，对径流造成的破坏程度十分不同，从抽水量的百分之几到80%。进水口和河流之间的距离越大，造成的破坏越小，滞后时间越长；抽水期越长，对河流造成的破坏时间也越长。

在这种状况下，为了确定补偿进水口造成的径流破坏程度，需要比较计算破坏动力学和实际的径流水位图。根据主要进水口和补偿进水口阶段性运行过程中的扰动水位图比较实例，可以看出，在高水位期，大多数年份，即使是连续几年都处于相对低的径流水位，0.6m3/s的抽水量也不会对自然径流水位造成影响。然而，扰动径流水位不会总是高于允许水平（0.8m3/s）。当扰动径流水位达到极限时，就要中止从主要进水口抽水，或减小开采量以至达到允许水平（0.2m3/s），开始启动补偿进水口，此时输出量等于径流缺水量（0.4m3/s）。当低水位期1a出现两次而且每年都可以通过补偿进水口得到合理补偿时，补偿进水口优化程序的目的是让损耗的水资源可以在高水位期得到补偿，使水资源即使是处于最严重的状况下，也不会超过破坏的允许程度。

评估结果说明，即使是在最严重的状况下，地下水和地表水资源综合利用的受益也可以达到200%～400%，因此通过发展当地水资源，甚至是小流域的水资源，不仅可以解决小城市，也可以解决中等城市的供水问题。应当提及的是，不仅可以在径流不足时利用进水口来进行补偿，而且可以在其它任何季节，包括春季汛期（此时地表水极易受到污染）利用进水口，此时补偿周期一般不会超过1个月，因此，在这种状况下评价对径流造成的影响意义不大。显然，进水口运行的周期越短，可利用地下水资源水位下降越迅速，产水量也就越大。因此，在这一阶段，可以使主要进水口或与河流相互作用密切的部分进水口中止运行，这样才不会把污水供给消费者。

在承压含水层中，可以采用上述计算方法和河流相互作用造成的径流破坏动力学机制，但水力弥散系数应当根据下式计算：

式中，(km)t和(km)b分别是上层和下层的渗透系数；t和b分别是上层和下层的产水量。

另外，河床的水阻力可以通过下式进行计算：

，

式中，2b是河流宽度，m0和k0是分开层的厚度和水力传导系数。

在给定的水文地质条件下，计算对径流造成破坏的动力学机制时，尽管相对较高（此时，=3.6104m2/d），即使补偿进水口与河流之间的距离相对较近（100m），抽水对径流影响的滞后时间也与低水位期一致（此时为70d），这说明并没有进入到深部承压含水层的补偿进水口十分有效。此时补偿进水

口的供水井位于主要进水口的横断面上，这样会减少供水管渠的费用，而且这些井可以作为主要进水口的储存场所。

短时间（1～3个月）从承压含水层抽水对河流的影响可以忽略不计，特别是对于有效半径大于1～2km的“大井〞。只有当＞5105～106m2/d时，进水口才有可能通过渗透作用对河流造成间接影响。在这种状况下，补偿进水口的水量主要是由地下水弹性储量的消耗确定的，当抽水完成时开始进行补充。理论上，在这种状况下水头完全恢复需要无限长的时间，但当河床不是绝对孤立，又处于活动淡水的交换区时，在地下水补给和河水泛滥期，可以通过上覆地层的入渗，使水头得到完全恢复。考虑到在河水泛滥期水头恢复得相对较快，即河水水位迅速上升，耗竭－恢复循环的最大持续时间可以限制在一定的水文年中。这一点已经在根据河流流域中承压地下水中完成的进水口试验中得到了证明。

三、结论

实行综合利用地下水和地表水资源的系统具有以下优点：

与分别利用地表水和与之有水力联系的地下水的环境允许水平相比，水资源的利用效率可以提高3～5倍，而且无需径流调理或损耗地下水资源。

可以防止连续开采地下水超过了环境允许开采量而造成的不良影响。即使在小流域，也可以利用距用户较近的水源满足生活用水需求。这一方法可以节省远距离的引水