浅谈地下水库的战略选择

浅谈地下水库的战略选择

在水资源较少地区建设地下水库，进行地下水手动调节和储存。这是一项有效利用水资源、有效保护生态环境的战略工程。修建地下水库,丰蓄枯采,可有效调节水资源时空分布不均,同时将盈余水量回灌地下,实现水的良性循环;利于合理配置有限水资源,提高区域水资源利用效率,实现稀缺水资源潜在价值;实现水资源的二次开发利用,利于水资源可持续利用和“节水型社会”目标的实现。1满足水的补给源和水的利用率以及时在水文地质术语中,地下水库(groundwaterreservoir)定义为地层中能储存外来补给水源又便于开发利用的地下储水层。结合国内外众多研究成果及分类标准(如表1所示),地下水库作为用特殊水文地质条件构建的天然地下存贮空间来蓄积地表洪流的系统工程,一般包括地下库区、地下坝、地表拦水和引渗工程、地下水开采工程、地下水泄水工程、地表排污工程、地下水监测工程,在滨海地区还有潮水拦截工程、库内残留咸水体处理工程等。充裕的补给水源、具有一定隔水边界的大型储水构造、地表水拦截及人工引渗补给工程的规模、地下水开采工程的正常运行、周边生态与地质环境良好是地下水库水资源可持续开发利用的基础。地下水库作为一个弹性储水空间,由一个或数个完整的水文地质单元构成,构造岩石渗透性良好以满足水的补给、存储、输送和释放的要求,其利用程度取决于水的补给源及其特点。此外,地下水库作为修建于地下并以含水层为调蓄空间的蓄水实体,它在丰水期将多余的地表水储存于地下,干旱缺水时期大量取用,同时腾出地下库容,为下一个丰水期储水提供存储空间,利于调节水资源供需的时空矛盾。其调蓄过程如图1所示。2美国战略选择地下水库水量的人工调蓄是缓解未来水资源供需矛盾的战略选择。据不完全统计,世界上地下水人工调蓄设施约有40%～52%用于地下水资源量的调节,36%用于地下水质净化或生态环境保护。2.1国外人工补给量和地下水库地下水库作为一种高效、环保、经济的水资源开发利用工程,在国际上应用广泛。20世纪二三十年代,日本、以色列、美国、中东、荷兰等国家和地区,就已进行工程实践,取得了不少成功经验(见表2)。此外,前苏联已在30多处取水工程建立了新的人工回灌补给系统,并利用地下淡水堤阻止海水入侵。南斯拉夫在奥博西卡等3个滨海地区建立了地下水库,法国也建立了特殊类型的地下水库。据分析,美国、瑞典、荷兰、德国人工补给量占地下水总取水量的比例分别为30%、25%、22%、40%,为缓解水资源短缺奠定水量基础。近几年来,称之为“水银行”的地下水库日益受到国外雨水利用国家的青睐。国外除扩大原有地下水库库容的规模外,还积极运用法律手段使地下水库建设及管理法制化,确保在环境友好的情况下实现地下水库水权的明晰化。2.2地下调蓄模式及措施地下水库是解决干旱缺水问题的优化选择。我国在大量勘察和实验的基础上,进行了一些工程实践,尤其是在干旱缺水、降雨时空分布不均、季节性河流多、泥沙含量大的北方地区,进行了大量的尝试。20世纪70年代中期,我国在黄淮海平原开展了大规模地下水人工调蓄调查评价工作,1979年完成“黄淮海平原地下蓄水水文地质图”,提出“地下蓄水”的概念。20世纪80年代以来,先后开展了“华北平原水资源地下调蓄措施研究”、“浅层地下水人工回灌综合技术实验研究”,积累了一定的实践经验。2000年以来,北京师范大学张光辉教授与河北省、河南省、北京市地矿局等部门有关人员对太行山前平原南水北调中线区域地下调蓄潜力、地下调蓄库容评价原则和方法进行研究,提出优化利用地下人工调蓄的模式、机制和策略。费宇红等通过大量的实验研究,阐明了不同模式入渗调蓄的技术参数和规律,提出了在山前大型冲洪积扇的主要河流二级阶地以上划定地下调蓄区,实施地表和地下水联合调蓄的模式。20世纪80年代,我国在华北、西北等地修建了大量地下水库。其中,河北省1975年修建的南宫地下水库是我国第一座地下水库,库容48亿m3;北京西郊地下水库是我国较早进行系统研究的地下水库;山东龙口黄水河地下水库是国内第一个设计功能较为完整的地下水库,年地下水补给能力为1193.4～5967.0万m3。此外,还有南水北调中线工程规划的15座地下水库、滹沱河地下水库、郑州市新石桥-黄庄地下水库、关中盆地秦岭山前地下水库、三工河流域山前地下水库、包头市地下水库等尚在修建或规划设计中。辽宁省充分利用地质构造优势、降水时空变化特点修建了龙河地下水库、三涧堡地下水库、老龙湾地下水库,另外东辽河下游地下水库、大庆地下水库等尚在筹建中。贵州、广西利用岩溶构造及地势走向特点,相继修建了马官地下水库、后寨地下水库、小平阳地下水库。我国南方滨海及岛屿地区利用独特的地质蓄水构造修建地下水库,如福建省修建了库容115万m3的媚洲岛地下水库。我国典型地下水库特征分析见表3。近几年来,我国各地为解决水资源短缺问题,积极修建地下水库,蓄积雨洪资源回灌地下水,在一定程度上缓解了用水紧缺的局面。但由于我国尚未具有地下水库修建、管理、运行的法律法规,对水权的界限不明确,阻碍了地下水库的规模性发展。3供需的时空矛盾地下水库利用天然地层的地下储水构造来调节水资源供需的时空矛盾,是一种合理配置当前有限水资源、实现水资源可持续利用的战略选择。结合地下水库在国内外应用的实践经验,对地下水库的性能探讨如下。3.1地表特征的地表补偿修建地下水库施工期短,工程建设造价低(造价是同等规模地表水库的20%～50%);同时修建地下水库基本不需改变地表特征,减少约占工程造价40%的地表水淹没补偿费。地下水库利用地下含水层完整的储水构造单元或借助有围限的双向受力条件构建强度与厚度较小的围堰作为坝体,减少施工投入,配合地表水资源利用工程的建设。日本长崎县野母崎町桦岛与皆福地下水库均利用灌浆围堰构筑地下水库,在施工方法和施工工艺方面为我国有坝地下水库建设提供了可借鉴的经验。3.2日本野母坂县桦岛地下水库项目具有多年调节作用的地下水库兼顾防洪与水资源调蓄,在没有外界强扰动的干预下,运行期可达几千年、几万年,甚至更长一段时间。事实证明,1972年日本长崎县野母崎町桦岛地下水库,1977年河北的南宫地下水库仍在稳健地发挥作用。地下水库库区周边的岩层及帷幕注浆坝体承压性好,抗剪性强,安全稳定系数高,对地震、战争等突发事件有一定的抵御能力。同时,地下水库汛期大量蓄积洪水,增强地表水库的防洪承载力,缓解行洪河道的排水压力,但工程运行时需借助外部动力,耗费较高,经济性相对地表水库有所欠缺。3.3生态环保功能地下水库充分利用地质构造形成的天然存储空间蓄积雨洪资源。工程建成后,地面仍可发挥其原先价值,利于实现有限土地资源潜在效能最大化。作为“绿色生态工程”,地下水库通过存储调蓄汛期雨洪水或回灌水获得宝贵的二次水源,增加可供水量,调节和控制地下水位,解决水质与水环境问题,具有良好的社会、经济、资源、环境效益。2004年8月竣工的莱州王河地下水库,使库区的地下水位平均抬升3.31m,海水入侵面积减少68%,地下水中氯离子含量减少50.6%,330hm2的湿地生态得以恢复,粮食年经济效益增加3000万元。3.4与地表水保证率的关系由于水库水体深埋地下,地表土层及不透水层的阻滞使水分直接蒸发损耗量较小,同时,构造岩层的持水性和溶滤作用较强,因而地下水库水量稳定、水质较好,可与供水保证率受季节影响波动较大的地表水联合调度。实践证实,通过对地下水库进行适当管理,其蓄水有效利用率可达100%,而一般地表水库的利用率仅50%左右,保证了供水的稳定性与持续性。3.5野外试验与观测修建地下水库必须进行拟建区的可行性论证,查明适宜的地质构造,前期勘探工作量大、时间较长。为确定建库区的气候及水文工程地质条件、含水层埋深和储水能力、含水层边界性质等,除进行钻探取样外,还应配合周期长、成本费用高的野外试验与观测工作。工程建成后,需定期进行库区周边的承压及抗剪力学特性试验,野外操作强度大、数据获取较为困难。1995年建成的黄水河地下水库由复杂的回灌补源、地表拦蓄、地下帷幕坝、排污、管理监测等工程组成,前期设计施工耗资较大,且运行过程中需较大的资金和人力的投入。3.6合理地下库容的确定地下水库的水量回灌与开采是一个复杂动态过程,地下水量平衡只能静态表征水量盈亏变化,不能反映水体、坝体的灵敏敛缩变化;同时,地下水库污染物运移机制、处理技术理论研究尚不成熟,对受控水体自净、纳污能力研究还处于探索中;合理地下库容的确定与表土沼泽化、次生盐碱化的定量关系尚不明晰;综合考虑调蓄水源、调蓄空间、补给和开采条件的数值模拟技术和综合评价方法研究不足。随着现代GIS技术、modelflow模型、数值求解方法的日臻完善,当今出现了基于mapinfro的地下水库水质评价、基于有限元剖分法的地下水库库容确定、基于GMS的地下水库水流模拟、基于模糊综合评价的地下水库调蓄能力计算等一批先进的数字化计算方法,为地下水库运行、管理的明晰化奠定了基础。3.7水事纠纷案件利用地下水库储水,作为非传统的解决水资源稀缺问题的朝阳产业,其管理体系与法规尚不健全,水权界定不明确,在跨区域的水量分配问题没有详细的条文规定,水事纠葛处理方面法律依据欠缺。国内外对地下水库水权问题的处理较为模糊,一般借用地表水水权的相应法规,忽视地下水体自身的补给模糊性、流动无形性等非量化特征,局限性较大。随着国际水资源的稀缺性、利用高效性、地下水法规体制完善性,地下水库的水权界定必将明晰化、操作实施法制化。4建调丰补欠地下水库在水资源稀缺性与可持续发展战略倍受关注的今天,有计划地修建调丰补欠的地下水库,是有效解决水资源时空分布不均、提高水资源复用指数的有效途径。结合我国在地下水库修建、管理过程中的实践经验,对地下水库在我国的发展前景进行了预测分析。4.1区域水库调蓄理论随着地质构造勘测的仪器精密化、计量手段数字化、数据分析科学化,当前我国水资源紧缺地区针对地层剖面实际开展相关理论、评价方法和技术要求的基础研究,因地制宜地建立了区域性地下水库调蓄的理论方法和实用技术规范。我国的山区丘陵型、平原河谷型、岩溶构造型、松散沉积构造型地下水库在施工勘测、工程修建、运行管理等方面理论研究比较成熟。区域层面上我国已经修建了典型地下水库示范工程,将其相关的理论与实践问题进行了重点、综合研究;在全国范围内积极开展大型地下水库建设的潜力调查,推广水资源的地下调蓄方法,逐步建立和完善指导地下水库实际工作的理论方法和操作性、实施性强的应用规范,实现地下水库缓解水资源短缺效应的规模化、推广普及化。4.2修建生态蓄水型地下水库近海地区修建防潮蓄水型地下水库,蓄积雨季多余洪水,缓解海防淡水供应紧缺局面,抬升地下水位,防止海水倒灌;城镇水资源开发集中区修建补源蓄水型地下水库,增加城市供给水量储备,减轻地面塌陷、地裂缝等次生灾害的发生;生态脆弱的干旱区修建生态蓄水型地下水库,减少缺水对生态平衡、区域小气候的外在胁迫,保持生物多样性。随着多样性地下水库在调蓄水资源、改善地质与生态环境方面的积极作用日益显现,其必将成为解决21世纪水资源稀缺问题的战略选择。4.3水权界定及回灌溉要求水资源管理部门加强对地下水库开发利用政策的引导,在规划、水利、农业、环保、交通部门间建立咨询与协调机制,有效的促进地下水与地表水联合运营调度。参照《水法》有关规定,地下水库应从回灌水量、取水量、耗水量3方面界定水权。总耗水量应限于可持续利用的水平,以避免水资源量的过度开采。取水量以可允许最大用水量为阈值,并充分考虑地下水库周边的承压负荷及新增用途所需的最大水量。水权界定还应对回灌水提出严格的