挠力河流域地下水水位恢复与降水入渗关系研究

挠力河流域地下水水位恢复与降水入渗关系研究

伊利河位于黑龙江省三江平原的内陆。它是乌苏里河左岸的重要河流。发源于万达山脉北坡，全长约596公里。这是三江平原的最大河流。自河源至河口,沿途有宝石河、大索伦河、蛤蟆通河、七星河、外七星河、宝清河、奇尔心河、小佳河汇入,见图1。整个水系流经宝清、富锦、饶河三县(市)和五九七、八五二、八五三、大兴、红旗岭、红卫、胜利、八五九、饶河等9个农场,流域面积为2.4863万公顷。宝清站以上多为山区,面积为1.0363万公顷,宝清站以下大部分为平原,面积为1.45万公顷。挠力河流域内水资源缺乏,大部分地区远离外江,调水困难。三江平原全区的问题在挠力河流域都有所体现。该流域近些年水田面积发展速度很快,而流域又没有统一的水资源开发利用规划,致使地表水的利用各自为政,地下水严重超采引起地下水水位下降、地下水降落漏斗形成、地面沉降、地面塌陷、水质恶化等水环境问题。因此,地下水恢复理论是值得研究的课题。1地下水动态变化特征根据三江平原近期规划成果,挠力河干流平原区地下水开采模数为7.76万m3·km-2·年-1,干流地区多年平均地下水总补给量为430×106m3·年-1,其中,多年平均地下水可开采量为341.44×106m3·年-1,为多年平均地下水总补给量的79%。随着水田面积的迅速增加,地下水开采强度迅速增加,再加上打井缺乏合理规划和布局,这样就不可避免的将会出现局部超采的现象。挠力河流域某典型区地下水动态变化资料见表1。由表1可得八五三农场3分场7队2000~2001年地下水动态实测曲线,见图2。由图2可知,该区域的地下水位总体上呈下降趋势。2地下水水处理系统理论设计地下水恢复包括地下水水位恢复和水质恢复两个方面,本文主要讨论地下水水位恢复(也称为地下水补给)理论方法。地下水补给包括自然补给和人工补给两种方式。2.1降水入渗对地下水位的影响应建立地下水的自然补给方式主要是大气降水和地表水入渗,还包括邻区地下水的侧向径流补给。大气降水是面状补给,地表水体是线状补给。大气降水是地下水的最终补给来源。许昆认为降水入渗补给是地下水的主要补给源,研究降水与地下水的关系,主要是分析由于降水垂直入渗引起的地下水位的变化。他通过对降水入渗机理、影响降水入渗的因素、降水入渗补给量计算的研究,分析了降水量与地下水补给量的关系。Eugenio采用泉水流量、降雨量及气温数据,通过水位曲线分析和多元回归分析,提出了盆地石灰岩含水层地下水自然补给量的估算公式:R=aP-bT+c。Mau等通过分析河川径流水文曲线,提出可以采用瞬时补给和持续补给两种方法确定排入美国新罕布什尔州镜湖的两个小盆地的地下水自然补给量。近些年来,我国北方地区天旱少雨,多年来盲目的大量开采,造成地下水采补失衡,许多地区的地下水都下降到创纪录的最低水位,一般的降雨量不可能恢复地下水的储备。因此,应大力加强地下水人工恢复理论的研究。2.2地下水的充分利用地下水人工补给,又称为地下水人工回灌、人工引渗或地下水回注,是当今世界各国广泛采用的增加地下淡水补给的措施。地下水人工补给的实质就是借助某些工程设施将地表水自流或用压力注入地下储水层,以便增加地下水的补给量,稳定地下水位或对水资源进行季节之间及年度的调节,保证地下水的充分利用。地下水人工补给具有悠久的历史,早在18世纪末19世纪初,欧洲的一些国家已经有了人工补给地下水。20世纪以来,随着生产力的迅速发展以及伴随的环境污染的日趋严重,地下水人工补给在理论、方法上有所突破,应用上更加广泛。许多国家地下水人工补给已经跨出试验阶段,成为调节和控制地下水的主要方法。2.2.1高水回灌人工补给的设计地下水人工补给理论与方法随着地下水科学的发展而发展。从基本理论到模型模拟研究,从定性研究到定量研究,再到成果展示的数字化,地下水人工补给研究不断取得新进展。鲍戈莫洛夫等总结了井孔、渗水区及线状地下水补给(取水)水源(渠道、排水沟、河流等)在不同条件下的运转特性的计算关系式,还可以用来设计取水(回灌)井孔、渗水区(取水区)及线状地下水取水(补水)的设计(或利用)。陈雨孙提出用传统的井流理论来计算人工补给中的井灌和坑灌两种情况下的水文地质参数。李云峰等用非均质准三维流数学模型对引黄回灌试验进行了模型模拟研究,并用系统分析方法选择了人工回灌方案。张莲花提出回灌和抽水的机理是有区别的,井抽水过程会在井过滤器周围形成一个渗透性增高的地带,而回灌过程中的情况恰好相反。朱桂娥等以上海市浦西地区为例,对其承压水的动态进行了综合分析,提出人工开采和回灌对地下水水位动态、水质动态和水温动态起着决定性的作用,但大气降水等其他因素对地下水动态仍有一定的影响,对于研究上海地区地下水变化规律以及建立准确完整的地下水水流模型和地面沉降模型具有重要的参考价值。2.2.2地下水补径排技术研究地下水人工补给方式随着自然条件的不同和人们认识上的差异而有所不同。美国地下水人工补给的水源通常采用洪水、地面斜坡径流、排水、剩余灌溉水。其补给方式为水池、活水犁沟、小渠道、高频灌溉、钻井等,所有渗入方法通常都对水进行澄清和处理。Sukhija等采用环境氯化物总体平衡方法对人造滤池补给地下水进行了评价,他们认为,为了满足印度硬质岩石地区日益增长的地下水需求,这种人造滤池对于增加地下水补给是非常重要的。吕保华等认为采用生产井、干井、勘探井、河谷、沟渠,利用整修古河道、人工修筑地下水坝截取降水和地表径流,使之自然入渗将是一种行之有效的方法,技术简单,经济合理,且质量有所保证。不论如何进行方法的分类研究,常用方法共同的优点是相同的,即建造简单、造价低廉、效果显著,不受水源和水量限制。勘测、测试及计算机技术在最近十余年里广泛应用到地下水科学研究工作中,提高了科研效率和所获取资料的质量,地下水人工补给研究工作也获得了新的技术和手段。运用航空红外线成像和扫描技术对地下水补给编图进行研究,可以将地下水补给带和非补给带区别开来,并进一步能确定补给的水量。这种方法确定的补给带面积,误差在0.9%以内。2.2.3地下水回灌的目正确设计人工补给方案,以取得最佳的经济效益和社会效益,是当前地下水人工补给中亟待解决的重要问题。倪红珍等提出利用物元理论对地下水回灌工程进行方案的综合经济评判,并为山东某一回灌工程提供了决策依据。地下水源热泵系统的运用是地下水人工补给研究的另一项重要内容。地下水源热泵(Ground-WaterHeatPump,GWHP)系统的低位热源为地下水,热泵机组冬季从生产井提供的地下水中吸热,提高品位后,对建筑物供暖,取热后的地下水通过回灌井回到地下,同时蓄存一部分冷量。夏季则生产井与回灌井交换,一则为了养井,二则为了利用冬季蓄存的冷量。如果地下水温度较低,可以直接利用地下水冷却或者预冷,否则可以通过地下水带走热泵机组冷凝热对建筑物供冷,同时把热量转移给地下水,供冬季使用。国内近几年,在山东、河南、湖北、辽宁、黑龙江、北京和河北等地已有100多个地下水热泵工程项目,供热、空调面积达100余万平方米。雨水回灌是有效实施地下水人工补给的重要途径。地下水一般利用雨水、地表水(江河、湖泊、水库、池塘)、工业回水和工业废水、城镇公共供水(自来水)、中水进行补充,其中后四种方法造价偏高,且中水补充还有污染地下水的可能,利用雨水补充地下水资源是最经济的方法,它不仅可以提高地下水水位,阻止或延缓地面下沉,还可以改善生态环境。德国在雨水综合利用方面的研究始终位于世界科技前沿。一些发达国家的城市,雨水利用已经相当普遍,如美国加州雷斯诺市的地下水回灌系统,目前地下水回灌总量为1.338亿立方米,占该市年用水量的20%。李怀正等通过讨论实施雨水回灌地下的可能性和必要性,阐述了我国地下水资源现状以及如何在现有的基础上利用和保护地下水资源。陈海波等认为发展井灌与保持地下水采补平衡,一靠节水,二靠回灌。他们提出改进耕作方式,采用科学种田新方法,利用雨季增加雨水回灌量,为补充地下水,使井灌区水资源可持续发展,开辟了一条新途径。3地下水人工补给的理论研究尽管地下水人工补给在理论、方法、技术、工程应用研究方面都进入了一个新的发展阶段,但和生产实践的需要相比,还存在一些问题。①由于地下水问题本身的复杂性,虽然目前对地下水人工补给的机理基本认识清楚,但还没有形成一套公认的定量研究和计算方法。因此在工程中实施地下水人工补给时无法预知补给效果。而且已有的文献中,也很少有对补给效果的理论评价;②许多学者对地下水人工补给方法进行了系统的总结和创新性研究,但对地下水人工补给方法的实用性、经济效益和管理办法缺乏深入系统研究,导致科研和生产在一定程度上脱离;③地下水人工补给的理论和方法研究需要通过大量试验来支撑。虽然许多学者通过试验研究对补给过程中的淤积(塞)、补给效率、岩土层的净水机理等方面取得了一些认识,但实践中急需解决的一些理论研究试验开展的很少;④最近几十年,地下水科学研究领域广泛利用了先进的技术手段,也为地下水人工补给研究工作创造了提高科研效率和质量的条件。但是真正将GIS、ModFlow等先进计算机技术和地下水人工补给相结合来解决工程实际问题的还不多,因此,地下水人工补给整体研究水平有待于进一步提高。4地下水人工补给研究的展望随着应用数学和地下水动力学的相互渗透,现代水文水资源分析优化技术以及电算技术的广泛应用,地下水人工补给模拟软件的进一步开发,地下水监测设备的精密化,地下水人工补给整体研究水平必将迅速提高。地下水人工补给的研究手段将由单一化向着多样化、综合化方向发展,研究成果的展示方式将由图示化向着数字化、网络化方向发展。根据地下水人工补给研究现状以及生产实践的需要,预计今后地下水人工补给研究在以下几个方面有着重要的研究价值和广阔的应用前景:①地下水人工补给理论研究应进一步加强,应积极研究回灌条件下地下水动态变化规律、计算方法、GIS等计算机技术在地下水人工补给中的应用和地下水人工补给效果的评价方法;②探索符合区域特点的合理使用地下水人工补给的方法,加强地下水动态观测仪器设备的研制和推广工作;③加强生态环境、地质条件、回渗工程等诸多约束条件下,人工补给的影响因素的研究;④加强地下水人工补给水源的研究,重点研究雨水、城镇污水用作地下水人工补给水源的净水机理;⑤加强地下水人工补给工程的管理办法、产业化模式研究。5地下水开采量经济分析结合地下水恢复研究的发展趋势,提出以下地下水恢复研究工作设想:①对三江平原挠力河流域地下水开发利用现状进行详细调研,利用随机模型对挠力河流域地下水动态变化进行模拟预测,对挠力河流域进行超采评价;②选择典型区,利用GIS技术,通过对地形、地貌、包气带岩性、植被覆盖等因子建立的专题图层的叠加分析,确定地下水的自然补给潜力分区,结合研究区含水层分布特征,综合确定开采潜力区;③在地下水自然恢复比较困难的地区,选择若干种地下水人工回灌方案(机井、大口井注水回灌、坑塘回灌、河道两侧引渗回灌、激发补给等),对地下水回灌工程的方案进行综合经济评判,为实际应用提供决策依据;④根据所选择的地下水回灌方案,设计试验观测方案,进行现场观测,计算出地下水补给量,对地下水回灌效果进行评价。6加强城市地下水资源开发和高效利用技术研究a.挠力河流域地下水资源短缺问题已经成为制约当地社会经济发展的“瓶颈”,为了实现农业的可持续发展,区域地下水资源的可持续利用,开展地下水人工回灌恢复地下水无疑是缓解水资源短缺的一条有效途径。b.随着各种先进的计算理论、优化技术、计算机技术与地下水科学的有机结合,地下水恢复研究已经取得了一定成果,但仍不能满足实际需要。今后应大力加强地下水恢复的理论和方法研究,特别应加强地下水恢复的工程应用研究,更好地为工农业生产服务。c.为了合理开发利用区域地下水资源,使地下水超采现象得到有效控制,应结合自然条件本身的空间变异性,对挠力河流域的地下水资源进行评价,研究自然补给条件和回灌条件下地下水动态变化规律,确定科学合理的地下水补给方案,为区域农业可持续发展和政府决策提供科学依据。三江平原位于黑龙江省东北部,位于北纬47°11′3