地下水庫的概念辨析

地下水庫的概念辨析

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加，人類對水的需求、依賴和影響呈正比平方向正變得越來越重要。20世紀(jì)中期,世界各地開始大規(guī)模開采地下水,認(rèn)為地下水取之不盡、用之不竭,由于過量開采地下水不可避免地形成地下水水位降落漏斗,出現(xiàn)地面沉降、海水入侵、地面裂縫、水污染、水短缺等一系列的問題。對此,人們提出了地下水庫問題。地下水庫不僅可通過回灌地下水解決地面沉降,還可有效地解決水資源短缺。地下水庫雖不能提供額外的淡水資源,但能起到豐蓄枯采和調(diào)節(jié)淡水在時空分布不均問題,是優(yōu)化水資源配置的一種重要手段。1地下水庫的概念和發(fā)展趨勢1.1地表水庫和地下水庫地下水庫概念至今尚無統(tǒng)一的定義。從水文地質(zhì)角度提出了三種觀點:①地下水庫是地下含水層或天然大型的儲水空間。如杜漢學(xué)等定義地下水庫為存在于地下的天然大型儲水空間。②地下水庫是含水層的儲存和回采,包括人工回灌和抽水系統(tǒng)。這一觀點較注重人工干預(yù),國外提得較多。③地下水庫是用于儲蓄水資源,便于開發(fā)和利用的天然儲水空間。林學(xué)鈺認(rèn)為地下水庫是便于開發(fā)和利用地下水的儲水地區(qū);趙天石認(rèn)為地下水庫是利用地殼內(nèi)的天然儲水空間儲存水資源的一種地下水開發(fā)工程。從水利工程角度出發(fā),不能將單獨的河流和湖泊定義為地表水庫,需采取一定的工程措施,最典型的就是興建攔河壩。地表水庫是指為治理河流和開發(fā)水資源,在山溝或河流的狹窄處建造攔河壩以形成一種人工和自然相結(jié)合的貯水水體,俗稱“人工湖泊”。類比于地表水庫的概念,地下含水層和儲水空間類比于地表的河流和湖泊,同理,將單獨的含水層和儲水空間定義為地下水庫也是不妥的。趙天石在定義地下水庫時將地下水庫視為一項開發(fā)工程,將其從水文地質(zhì)學(xué)范疇轉(zhuǎn)移到工程范疇。李旺林從水利工程學(xué)的角度定義地下水庫為利用天然地下儲水空間興建的具有攔蓄、調(diào)節(jié)和利用地下水的特殊水庫。李硯閣、束龍倉等認(rèn)為地下水庫是指以巖石空隙為儲水空間,在人工干預(yù)作用下形成的具有一定調(diào)蓄能力的水資源開發(fā)利用工程。從水的來源和取用角度看,地下水庫與地表水庫差別較大。地表水庫主要源于大氣降水,經(jīng)地表徑流匯入江河,部分水資源被攔河壩攔蓄;取水需經(jīng)過渠道、渡槽等引水建筑物輸水,在取水口、進(jìn)水閘等處取水。地下水庫的水一部分源于降水入滲,一部分經(jīng)江河、溝渠、坑塘、洼地等側(cè)滲補(bǔ)給地下水。因地表水滲入到地下水庫的水量有限,故需采取一定的工程措施使地表水轉(zhuǎn)化為地下水,如回灌井、滲渠、滲溝等回灌工程;需要開采井、集水廊道等取水。地下水庫的調(diào)蓄需人工干預(yù)地下水補(bǔ)排關(guān)系來實現(xiàn)。從水利工程角度理解,地下水庫為可持續(xù)利用水資源,是對地下儲水空間進(jìn)行人工積極干預(yù)的一項水利工程。1.2地下水引發(fā)環(huán)境問題20世紀(jì)末,地下水庫的概念一經(jīng)提出,日本、美國、荷蘭、以色列、前蘇聯(lián)等國家就進(jìn)行了研究和工程實踐,建設(shè)了典型的地下水庫范例,為當(dāng)?shù)氐姆篮?、灌溉以及水資源的可持續(xù)利用等做出了貢獻(xiàn)。20世紀(jì)70年代以來,我國由于缺水引發(fā)了一系列問題:①北方地區(qū)地下水超采嚴(yán)重,大型地下水水位降落漏斗數(shù)目逐漸增加,由此引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境問題;②河流斷流頻繁發(fā)生;③很多城市和農(nóng)村用水緊張且不安全;④對突發(fā)事件,如松花江水體遭污染和太湖爆發(fā)藍(lán)藻的事件缺乏應(yīng)急措施。為解決這些問題,目前,在我國干旱和半干旱地區(qū)、濱海和地下水超采地區(qū)(北京西郊、山東萊州王河地、山東青島大沽河、山東煙臺黃水河及夾河庫、吉林洮兒河扇形、新疆三工河流域山前、貴州馬官等)開展了地下水庫可行性研究,并提出了地下水庫的建設(shè)方案,甚至還建議將地下水庫工程運用到南水北調(diào)工程中,以便更好地發(fā)揮地下水庫的調(diào)節(jié)作用。2主要水利工程地表水庫和地下水庫均為可持續(xù)利用水資源,是以儲存和調(diào)節(jié)水資源為主要目的的水利工程。合理結(jié)合兩者的優(yōu)點,地表水庫和地下水庫聯(lián)合調(diào)度是解決水資源問題的發(fā)展方向,國外Basagaoglu研究較為深入。2.1建設(shè)水庫的基本條件2.1.1表面儲水池①應(yīng)建在地震烈度相對較低地區(qū)。②所在河道要有足夠的水源。③壩址區(qū)工程地質(zhì)條件較好。④攔水壩應(yīng)建立在山丘區(qū)兩岸穩(wěn)定性較好地段。2.1.2地下水庫的調(diào)蓄空間①水源是地下水庫建設(shè)的前提條件,可以是大氣降水、過境水、通過地表河流側(cè)滲補(bǔ)給的水體。②地下水庫建設(shè)應(yīng)考慮有足夠大的調(diào)蓄空間,即庫容。較厚的砂質(zhì)土壤、古河道、過渡開采地下水形成的地下水水位降落漏斗等都是建設(shè)地下水庫的理想地段。③水量交換條件好,包括橫向和縱向兩方面,要求庫區(qū)的地下連通性好,孔隙度和給水度高。2.2基本工程系統(tǒng)2.2.1表面儲水池(1)建筑物是防水的針對建壩所在地的具體情況和不同的需求布置不同形式的攔河壩,典型的有重力壩、拱壩、支墩壩等。(2)建筑物的水源如泄水閘、溢洪道等,必要時可降低庫內(nèi)水位、宣泄庫內(nèi)水量以確保庫區(qū)安全。(3)從建筑物中提取資金如進(jìn)水閘、取水口等,用于引進(jìn)水流、控制流量、阻攔漂浮物和泥沙。(4)又稱引水建筑物和引水建筑物如引水涵閘、渠道等,主要向供水目標(biāo)輸送水量。(5)建筑物的重新設(shè)計如導(dǎo)流堤、防波堤、丁壩、順壩、潛壩等,用于改善河道水流條件,保護(hù)河岸以及維護(hù)航道。(6)特殊的水工建筑物如水電站廠房、升船機(jī)、船閘、魚道、沉沙池等。2.2.2地下水庫(1)地下壩壩底高程的確定如地下壩、地下帷幕等可攔蓄地下逕流和阻擋海水入侵。在地勢平坦地下水力梯度較小、邊界隔水效果較好的平原地區(qū),可不設(shè)置地下攔水工程。在濱海地區(qū),為防止海水入侵、土地鹽堿化就需要建立地下攔水系統(tǒng)。地下壩建設(shè)的關(guān)鍵為壩頂和壩底高程的確定。地下壩壩頂建在地面以下有利于地下水庫的運行,如圖1(a)所示。當(dāng)回灌水量過大或地下水位高于地下壩壩頂高程時,地下水就會漫過壩頂流出庫區(qū),此時的地下壩也稱為溢流壩。如果地下壩壩頂高程與地面高程相同或高出地面高程,一方面有利于正常情況下的地下水庫蓄水,另一方面當(dāng)?shù)叵滤怀龅叵聣雾敃r就直接溢出地面(圖1(b)),容易出現(xiàn)滯澇現(xiàn)象,形成濕地或使土壤鹽堿化。地下壩壩底高程的確定涉及含水層內(nèi)污水排放和儲水。地下壩頂和壩底高程可類比地表水庫,在地下壩所在位置建地下升降泄水閘,蓄水時降下閘門,泄水時升上閘門,或是建立類似于地表水庫專門的溢洪道,這點尚待深入研究。(2)解決施在使用時會出現(xiàn)堵塞情況常布設(shè)滲井、滲渠、回灌坑(槽)等對淺層地下水進(jìn)行補(bǔ)充,對深層地下水采用回灌井法。這些回灌設(shè)施在使用時易出現(xiàn)堵塞等狀況,一旦發(fā)生,就會出現(xiàn)補(bǔ)取失衡,不利于地下水庫的運行。對引滲的水質(zhì)要求較高,若受污染的水體滲入到地下后處理更難,甚至?xí)U(kuò)大污染范圍。設(shè)計反濾層可有效地解決上述問題。地下水庫“肚大口小,能容難進(jìn)”,在地下水庫建設(shè)中,人工補(bǔ)給工程非常關(guān)鍵,也是最難點。(3)地下水開發(fā)利用工程通常設(shè)置地下開采井和集水廊道。倘若開采合理就能為地下水庫騰出庫容,為下一時期的蓄水提供庫容支持。(4)地下水管理監(jiān)控系統(tǒng)地下水庫建成后應(yīng)對地下水位環(huán)境影響進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。3運營效率和沖突分析3.1廢壩和廢壩保護(hù)兩國政策對海地表水庫具有防洪、灌溉發(fā)電、航運、養(yǎng)殖、旅游等多種功能,社會效益、經(jīng)濟(jì)效益顯著。水利工程也會造成沖突。如對壩址地質(zhì)情況了解不夠全面,或由于設(shè)計不合理、洪水漫頂?shù)仍蚴故鹿拾l(fā)生;有些地表水庫由于管理不善等,泥沙不斷淤積致使清淤等費用較大,有的甚至逐漸喪失了使用功能而成為廢壩。美國等國認(rèn)為保護(hù)生態(tài)環(huán)境和水利建設(shè)是相互沖突的,因而開始有計劃的拆壩。這種將保護(hù)生態(tài)環(huán)境與水利建設(shè)完全對立是不正確的。在水利工程建設(shè)中應(yīng)當(dāng)對生態(tài)保護(hù)高度重視,在取得效益的同時盡量減小不利影響。3.2“變洪為寶”地下水庫建設(shè)是一項投資少見效快的工程。大型地下水庫具有多年調(diào)節(jié)功能,具有儲存和調(diào)蓄水資源的作用。2004年國家防汛抗旱指揮部提出由控制洪水向洪水管理轉(zhuǎn)變,洪水管理即承擔(dān)適度風(fēng)險將洪水轉(zhuǎn)化為水資源供人們使用。通常人們都將洪水當(dāng)成災(zāi)害,洪水來時要想盡辦法使其盡快入海,所謂的“入海為安”。“變洪為寶”是解決水資源短缺的方法,這與地下水庫建設(shè)中的“豐補(bǔ)”正好吻合。若能實施,不僅可緩解洪水危害,還能把洪水轉(zhuǎn)化為地下水資源。地下水庫建設(shè)的前期勘查工作較復(fù)雜,需對研究區(qū)的水文地質(zhì)條件和水資源情況予以評價。地下水庫由于在地下、不直觀、庫容確定難、水資源量較難計算,對其進(jìn)行觀測要求較高。地下水庫的人工干預(yù)(回灌和開采)是一個動態(tài)的過程,僅運用地下水量平衡理論對其進(jìn)行靜態(tài)研究較為片面,不能反映水體和巖土的真實變化情況,對地下水庫的安全運行是不利的。地下水庫水體遭受污染后的處理技術(shù)還不成熟,如何解決地下水庫中的水污染問題是目前地下水庫建設(shè)理論中的難點。另外,地下水庫蓄水并非越多越好,在人工干預(yù)的情況下地下水位必須控制在一定的范圍內(nèi),否則會產(chǎn)生一系列的不良后果,最突出地是地表和地下的生態(tài)環(huán)境問題,比如土壤沼澤化、次生鹽堿化等;由于地表化肥和農(nóng)藥的滲入,水體被污染的可能性增大。4確保水的安全運行(1)實踐證明,同等規(guī)模的地下水庫與地表水庫相比,投資和運行費用少、建設(shè)周期較短,是一項投資少見效快的水利工程。(2)地下水庫的建設(shè)不需動遷居民并能保持原有的地形地貌,損失少,與地表水庫相比,運行更安全。(3)由于水巖相互作用,地下壩的滲透壓力較小,地下壩受力相對較穩(wěn)定,對其強(qiáng)度要求不高。(4)蒸發(fā)損耗很小。蒸發(fā)量的損耗是水資源損失的另一種方式,應(yīng)盡最大可能地減少損失。(5)地下水庫的合理運行不會出現(xiàn)淤積問題,也可確保水質(zhì)質(zhì)量。水體儲