地下水库调蓄能力的定量计算

地下水库调蓄能力的定量计算

0地表水库与地下水库联合优化调度的必要性随着现代工业化、城市化和高科技化的发展，水资源需求急剧增加。特别是在我国北方一些地区，自然来水量少，水资源供需矛盾突出。近年来，由于地下水资源的大量使用，导致地下水位下降的趋势。同时，由于降水径流时间集中，大部分地表水以洪水的形式丢失，无法有效补充地下水，导致地下水资源的日益稀缺和大量损失。因此，从水资源系统的角度，研究区域内大气降水、地表水、土壤水和地下水“四水”的转化关系，开发和建设地表水库和地下水库。按照“以富弥补损失，以补平衡，平衡多年”的原则，实施地表水库与地下水库的联合优化和规划，是解决北方水资源短缺问题的有效手段之一。目前，我国北方部分地区的地表空间开发利用程度较高，对地表蓄水的利用严重有限，已成为这些地区的蓄水瓶颈。因此，利用地下水库平衡方式对流域内水资源进行时间和区域分配，已成为提高北方雨水利用资源利用率、实现水资源可持续利用的重要手段。利用地下水库蓄水在我国刚刚起步,在理论方法上属探索和初建阶段.本文首次将地下水库纳入到流域防洪系统中,定义地下水库调蓄计算的部分参数,并给出孔隙介质地下水库和岩溶地下水库调蓄库容的计算公式,据此可对地下水库的调蓄能力进行分析与计算.1地下采矿和蓄水水库的基本特征1.1地下水开发系统的人工干预广义的地下水库是指存在于地下的天然大型储水空间,是在地壳内外动力地质作用下自然形成的地下水富集区,一般指厚度较大、范围较广的大型层状孔隙含水层、大型岩溶储水空间或大型含水断裂带等.如冲洪积扇、冲积平原、洪积锥、岩溶储水构造、断裂储水构造等以及其复合类型和过渡类型.其中孔隙介质含水层和岩溶含水层具备较强的地下水调蓄功能,是目前主要的地下水开采层.本文所及的地下水库是利用地壳内的天然储水空间,采用人工干预而形成的地下蓄水实体,是调蓄水资源时空分配的一种地下水开发工程.所谓人工干预,一是构筑暗坝或挡水墙拦截地下水径流量.二是采用抽水井工程,降低地下水位,腾出地下水存储库容,增加地下水的补给、蓄存和开采量.三是加强引渗工程,利用各种工程设施将地表的多余洪水、河水和水库弃水引渗到地下,转化为可开发利用的地下水资源.地下水库与地表水库都是以储存和调节水资源为基本目的的水资源开发工程,但与地表水库相比,地下水库的优点是可将部分地表水转入地下进行多年调节,提高水资源可调蓄空间;可以丰蓄枯采,调节水资源时空分配,最大限度地利用降水资源,提高水资源的利用率;库区地下水蒸发损耗小;不占用土地资源;无移民问题;水库泥沙淤积较少;水质良好;能改良土壤,涵养地下水源,改善生态环境;工程投资少、见效快.因此地下水库在未来水资源开发利用中将会得到相当广泛的应用.1.2枯水期水资源量的获得利用地下空间调蓄径流的基本原理是在枯水季节动用地下储存量,抽取超过天然径流量的地下水,形成人工降落漏斗,腾空地下介质空间(即地下水库调蓄库容),以获得枯水期所需要的水资源量;丰水季节再通过天然回灌或人工补给,把调蓄库容重新充满,补充恢复地下水储存量.大型地下水库都具有多年调节功能,和大型地表水库一样起到调节利用水资源的作用.1.3地下水库的蓄水条件利用地下水库蓄水必须具备理想的水文地质条件、优越的自然地理和水文气象条件,在文献的基础上可以概化为如下四个方面:(1)地下储水空间封闭或近封闭的边界及其范围内足够大的储水空间是地下水库蓄水的前提条件之一.地下储水空间越大水库的蓄水调节功能越强,一般要求含水层厚度最好大于15m,分布面积最好大于100km2.北方地区很多省份平原区和山前地带以及山间盆谷地的河谷中,都有充分的蓄水空间,具备建设大型或特大型地下水库的条件.(2)灌溉水库地下水库的补给水源有大气降水、地表河水、水库泄弃洪水以及灌溉回归水等.因此在地下水库之上或附近要有足够的可作为蓄水水源的季节性或长年的地表水体,水质要求未污染或轻污染.(3)地下水库的水力传导地下水库的开发利用必须考虑的一个因素是取水条件.地下水的特点决定其必须采用打井抽水的方式取水,因此地下水库必须具备良好的水力传导条件,含水层透水性强,储水或给水性强;导水性好,单井涌水量要足够大,至少要大于1500m3/d.(4)地表径流和地表能耗水在蓄水基础条件具备的情况下,要采用经济合理的工程设施和补给手段,把地表水引蓄地下.常用的有效蓄水方法有傍河打井引渗蓄水,明渠引水蓄水,筑坝拦水蓄水以及利用废弃砂坑、修建地表漏水水库引渗蓄水等.1.4地下水库的功能特征地下水库的功能特征系指地下水库对其外部环境所产生的作用和功效.地下水库最根本的功能目标,在于优化水资源的时空配置.(1)增蓄枯采,优化水资源地下水库的调蓄功能包括蓄水和调水两个方面.蓄水功能是指利用地下巨大的赋水介质空隙做储水空间,丰蓄枯采,优化水资源在时间上的配置.调水功能是指选择合适的地点和途径,通过相应的工程手段,人为干预库区地下水的补入与采出.一方面最大限度地将地表水资源调入地下水库中蓄存,另一方面在恰当的时间以最有效的方式将地下水库中的蓄水调出到用水单位使用,由此完成优化水资源空间配置的功效.(2)确保了下游的补给量,增强了水库补给量.对地下水库补给源充沛的地区,若能采取一些工程措施将汛期洪水蓄存地下,其补给量也相当可观,这不仅充分利用了洪水资源,还能吸收减弱地表洪水量,减轻下游防洪负担,起到防洪减灾的作用.此外,地下水库还具有防止地面沉降、滋润生态环境、调节小气候、储冷储热等外延功能.2地下水库调蓄能力从地下水库的调蓄功能和防洪减灾两大基本功能出发,参照地表水库的调洪参数,给出地下水库调蓄计算的部分参数定义,以此作为衡量地下水库调蓄能力的定量计算指标.2.1地下赋水水质的确定地下水库的特征水位包括极限低水位、有效蓄水位、正常高水位和极限高水位,见图1.其中极限低水位即为隔水底板平均标高的相应水位;有效蓄水位是指在抽水利用时不致引起环境地质问题前提下的最大疏干程度所对应的水位,主要依据地下赋水介质的性质、环境要求以及当前经济技术条件下工程提水能力来确定;正常高水位是指为满足枯水期的正常供水要求,需要在丰水期蓄至一定高度的水位,它是根据水文气象条件和区域水资源供需关系来确定的;极限高水位也称防涝渍水位,是指在不致引起土地涝渍等环境地质问题前提下地下赋水体可达到的最高水位,一般依据地下赋水介质性质及会否引起环境问题来确定.以上各特征水位分别对应各自的特征库容,其中Vmax为规划总库容,它是位于极限高水位与极限低水位之间的赋水体的重力和弹性释水空间,表征着地下水库最大蓄水能力(图1).2.2地下水库调蓄能力分析地下水库的调蓄库容是指地下水库在开发利用和补给更新过程中所能提供的地下赋水介质的重力和弹性释水空间,它是衡量地下水库调蓄能力的一个定量指标,对区域水资源优化配置有重要意义.调蓄库容可分为最大调蓄库容和兴利调蓄库容,如图1所示.其中最大调蓄库容是位于极限高水位与有效蓄水位之间的赋水体的重力和弹性释水空间,表征着地下水库的最大调蓄能力,主要由实际水文地质条件决定,是相对固定的.在进行地下水库可行性论证的调蓄能力分析时,它是诸特征库容当中最为重要的指标.兴利调蓄库容,亦称有效调蓄库容,是位于正常高水位与有效蓄水位之间的重力和弹性释水空间,它表征地下水库的兴利供水量.实时蓄水库容,系指某一时刻库区赋水介质被水充满的重力和弹性释水空间,其值等于充水介质在疏干条件下的重力和弹性释水体积,其意义在于表征某一时刻地下水库的蓄水量.而实时调蓄库容,系指规划总库容与实时蓄水库容之差,是动态变化的,表明某一时刻地下水库调蓄空间的大小,表征着地下水库的实时调蓄能力.实时调蓄库容为时间的函数,可以通过不同的数学模型进行预报.2.3调节能力评价地下水库调蓄能力包括蓄水能力和调水能力.蓄水能力是调蓄能力中的基础部分,调水能力是调蓄能力中的兴利部分.除了利用调蓄库容来衡量地下水库的调蓄能力外,还可利用调蓄系数和复蓄指数来综合评价地下水库的调蓄能力.其中调蓄系数(Ψ)是在目前的开采状况下地下水平均每年获得交替更新的比例,表征地下水库储水量的更新能力.复蓄指数(λ)为年调节总量与调节空间的比值,表征地下水库的调节能力.根据地下水长期动态观测数据可计算Ψ、λ值,计算公式分别为式中:Vf为年复蓄库容,即在一个完整的水文年内地下水库的补给总量(m3);Vs为最低水位时地下水库储水量(m3);Vt为最大调节库容,即最高水位时地下储水量与最低水位时地下储水量的差值(m3),见图2.3计算地下水库调整和储存的方法3.1高效调蓄库容的确定地下水库调蓄库容计算可采用均衡法、解析法和数值法,其中以均衡法最为简单实用.地下水库调蓄库容的基本计算公式为Vrs=SAΔH(2)式中:Vrs为地下水库调蓄库容(m3);S为库区调蓄层地下赋水介质的释水系数,对无压赋水体S=μ+μ*,对有压赋水体S=μ*,其中μ为重力给水度(量纲一),μ*为弹性释水系数(量纲一);A为库区面积(km2);ΔH为地下水库调蓄层厚度或最高水位与规划调蓄层底界面的水位差值(m).在流域地表水与地下水联合优化调度过程中,地下水库的最大调蓄库容和实时调蓄库容是关键的调节计算参数之一.综合考虑库区水文地质条件、地下水开采的经济技术条件确定地下水库的有效蓄水位Heff,一般以调蓄水面距隔水底板的高度不超过含水层的1/3～1/2为底界;极限高水位Hmax,为地面标高减去防涝渍所必须预留的厚度,最高水位维持微漏斗状态,以保持良好的水力封闭性.若实时蓄水位为Hreal,则最大调蓄库容Vrsm、有效调蓄库容Veff和实时调蓄库容Vreal分别为Vrsm=SA(Hmax-Heff)(3)Veff=SA(Hnom-Heff)(4)Vreal=SA(Hmax-Hreal)(5)如果地下赋水介质为均质的松散岩石颗粒,整个含水层释水系数基本不变,这时可直接利用式(2)～(5)来计算调蓄库容.如果地下介质为非均质含水层,可将库区划分成若干个小区,分别计算各小区的调蓄库容,累加起来即为库区总调蓄库容.Vrs=∑i=1nVrsi(6)Vrs=∑i=1nVrsi(6)Vrsi=SiAiΔHi(7)式中:Vrs为库区总调蓄库容(m3);n为划分小区总数;Vrsi为各计算小区的调蓄库容(m3);Si、Ai、ΔHi分别为各计算小区对应调蓄层的释水系数、面积和调蓄层的厚度.3.2营造坝体库容岩溶区修建地下水库,含水介质结构的不均一性和多重性,其内部地下水流态的多样性与多变性,导致岩溶地下水库库容计算参数不易获得,库容在建库前难以精确确定,但可以采用蓄水空间几何形态概化法对拟建地下水库不同水头高度的水库库容进行初步评价.岩溶地下水库蓄水空间主要由地下岩溶管道和溶隙裂隙两部分组成.地下岩溶管道又分为地下暗河管道和侧向管道,因此岩溶地下水库库容的计算公式为V=V1+V2(8)式中:V1为地下暗河管道和侧向管道的充水体积(m3);V2是岩石赋水孔隙体积(m3).蓄水空间几何形态概化法就是将岩溶管道概化为柱体形状,将岩石孔隙概化为三角锥体形状分别计算其赋水容量,计算公式为V1=(H/2)⋅B¯¯¯⋅L(9)V1=(Η/2)⋅B¯⋅L(9)V2=(1/3)·(H3/Ij)·μ(10)式中:H为坝前水头(m);B¯¯¯B¯为地下暗河管道(或溶洞)的平均宽度(m);L为地下暗河管道的赋水长度(m);I是地下河体边坡坡度;j是流入地下河的岩溶水水力坡度;μ是岩溶含水介质的给水度(或岩溶率).岩溶含水层的给水度可采用地下水动态观测法或钻孔岩芯统计法来确定.公式(8)仅适用于简单的地下暗河管道充水空间的体积计算,对多层岩溶管道或多级分支的地下岩溶管道系统来说,可分别对每个管道应用式(9)计算出Vi,再累加起来即为地下岩溶管道系统的总库容,此时公式(8)变为V=∑i=1nVi+V2(11)V=∑i=1nVi+V2(11)利用岩溶地下水库库容计算公式(8)～(11),分别计算出不同坝前水头H1与H2所对应的库容V1与V2,则调蓄库容的计算公式为Vrs=V1-V2(12)4调蓄库容与洪水联调以辽宁中部下辽河平原地下水库为例,应用本文所提出的地下水库库容计算方法对下辽河平原各区地下水库的调蓄库容进行计算,结果见表1.目前下辽河平原地下水库主要利用各种天然补给来源,包括大气降水、河水、渠系与田间灌溉等渗入,以及部分洪涝渗入和山前侧向地下渗流,总补给量平均每年为48.53×108m3,即目前下辽河平原区地下水库实际利用的调蓄库容为48.53×108m3,仅达到该区地下水库最大调蓄库容的1/5.同时,该区地表水库如辽河冲洪积扇上游的清河、柴河、南城子、榛子岭等水库,浑河冲洪积扇上游的大伙房水库,太子河冲洪积扇上游的观音阁、■窝、汤河等水库,每年在汛前和汛期均有部分洪水白白排泄入海.若能将这部分泄弃洪水通过人工干预引渗补给到地下水库中,最大限度地发挥地下水库的潜在防洪与兴利功能,对区域水资源合理利用和流域地表水库与地下水库防洪联调,其意义都将是深远而重大的.下辽河平原目前实际利用的调蓄库容仅相当于下辽河平原各分区地下水位下降或上升1.5～15.0m深度范围内蓄存的地下水量.而该区第四系松散堆积物(含水层