地下水庫設(shè)計理論初探[C].doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-地下水庫設(shè)計理論初探李旺林1，3束龍倉2殷宗澤1（1.河海大學(xué)土木工程學(xué)院南京210024；2.河海大學(xué)水資源環(huán)境學(xué)院南京210024；3.山東省水利勘測設(shè)計院濟南250013）【摘要】探討了地下水庫的基本概念和建立地下水庫的基本條件，介紹了地下水庫的分類方法，探索性提出了地下水庫設(shè)計的基本理論框架。介紹了山東王河地下水庫的設(shè)計實例?！娟P(guān)鍵詞】地下水庫定義分類地下水庫工程學(xué)0前言地下水庫不同于地下水人工補給，它不是地下水資源超采后的一種補救措施，而是一種有目的、主動性的儲存、調(diào)節(jié)和利用地下水資源的一種工程措施。本文在總結(jié)山東地下水庫實踐的基礎(chǔ)上，并結(jié)合國內(nèi)外其它的地下水庫，分析探討地下水庫的基本問題，初步構(gòu)造了地下水庫設(shè)計理論框架，最后簡單介紹了山東王河地下水庫的設(shè)計情況。1地下水庫的發(fā)展簡史地下水庫的發(fā)展離不開地下水人工補給的歷史，美國、荷蘭、俄羅斯等國家自二十世紀三十年代就開始了大規(guī)模的人工補給地下水實踐。如美國加州沿海岸線一帶的注水井，每年回灌處理后的幾十億方地下水，阻止了海水的繼續(xù)入侵。荷蘭阿姆斯特丹的濱海砂丘人工補給設(shè)施，利用洪水季節(jié)淡化萊茵河水，注進天然入滲井和大井，年回灌量達4000萬立米。俄羅斯編制了地下水回灌系統(tǒng)設(shè)計及工程運行指南?？梢哉f國外地下水人工補給的技術(shù)是比較成熟和先進的。我國大規(guī)模的地下水人工補給始于二十世紀六十年代，上海為解決地面沉降問題，進行了深井回補地下水的實踐。隨著地下水人工補給的發(fā)展，地下水庫由設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實。日本于1972年在長崎縣野母崎町樺島建成了第一座地下水庫，盡管僅9000立方米的庫容，畢竟是世界上早期的地下水庫。1975年在河北省興建的具有深井回灌系統(tǒng)和開采系統(tǒng)的南宮地下水庫，卻標志著我國地下水庫的開始。近年來，我國北方地區(qū)為解決干旱和海水入侵問題，又興起了建造地下水庫的高潮，北京進行了西郊地下水庫的試驗，山東從1990年開始，先后興建了黃水河地下水庫、王河地下水庫和大沽河地下水庫等，遼寧省也修建了龍河地下水庫、三澗地地下水庫，南方貴州省也興建了普定縣馬官地下水庫等?？梢哉f我國的地下水庫建設(shè)技術(shù)和水平達到和超過了世界先進水平，地下水庫將是我國繼地表山區(qū)水庫、平原水庫之后興起的又一類重要的蓄水水利工程。2地下水庫基本概念和分類349四、水文學(xué)河流動力學(xué)2.1地下水庫的基本概念在國外上，地下水庫(groundwaterreservoir)是一個水文地質(zhì)學(xué)術(shù)語，除指地下水庫意思外，還含有地下含水層(aquifer)的意思，地下水庫(groundwaterreservoir)與地下含水層（aquifer）具有相似的意思。而我國早期的“水文地質(zhì)學(xué)”中，沒有地下水庫的概念，只有含水層、含水構(gòu)造等專業(yè)術(shù)語。我國學(xué)者提出的地下水庫定義：林學(xué)鈺1984年提出“地下水庫是一個便于開發(fā)和利用地下水的儲水地區(qū)，具有多種功能，包括水的供給、儲存、混合和輸送”1。趙天石2002年提出：“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。”2。杜漢學(xué)2002年提出：“地下水庫就是指存在于地下的天然大型儲水空間?！?。水文地質(zhì)術(shù)語中，將地下水庫定義為地下儲水層。而有些學(xué)者認為：將一些地區(qū)的厚大含水層或大型儲水構(gòu)造應(yīng)命名為“地下水庫”?？梢姡瑖鉀]有將地下水庫和地下含水層的概念區(qū)別開來，國內(nèi)雖將地下水庫與地下含水層的概念區(qū)別開來，但沒有一個嚴格的定義，有時又將地下含水層與地下水庫混為一談。地下水庫的概念是相對地表水庫而言的。地表水庫不同于地表湖泊，在于地表水庫具有人為地攔蓄和調(diào)節(jié)地表水流的功能。與此類似，地下水庫不同于地下含水層，在于人為地干預(yù)了地下水流的天然調(diào)節(jié)能力和擴大了地下含水層的蓄水能力?；\統(tǒng)地將厚大含水層或大型儲水構(gòu)造命名為“地下水庫”是不科學(xué)的，從水利工程的角度來講，可將天然的厚大含水層或大型儲水構(gòu)造命名為地下湖。從水利工程定義地下水庫的概念：地下水庫是利用天然地下儲水空間興建的具有攔蓄、調(diào)節(jié)和利用地下水流作用的一種水利樞紐。這個地下水庫的定義包含三層意思：一是地下水庫位于天然地下儲水空間中，這里的天然地下儲水空間一般指地下含水構(gòu)造，地下儲水空間由巖體和松散堆積層中的孔隙、裂隙和溶隙組成；二是強調(diào)地下水庫具有人為地攔蓄和調(diào)節(jié)地下水流的作用；三指明地下水庫是一種水利樞紐，說明地下水庫是具有多種用途的水利工程。2.2地下水庫的分類我國地下水庫的分類，最初由林學(xué)鈺按工程構(gòu)筑形式將地下水庫分為有壩、無壩和混合類型三種。趙天石結(jié)合遼寧省的特點，根據(jù)地下水庫的介質(zhì)、地貌成因、位置、人為開采情況將遼寧省的地下水庫劃分為五種類型：調(diào)蓄型、開采漏斗型、河谷型、陸地巖溶型、濱海巖溶型。下面提出另外幾種分類方法。從地下水庫分級管理的角度，按地下水庫有效庫容的不同，可將地下水庫分為大型（大于1億m3）、中型（0.11億m3）、小型地下水庫（小于0.1億m3）。應(yīng)該強調(diào)這里的庫容指有效地下庫容，即地下水庫中參與調(diào)節(jié)的那部分地下庫容。與地面水庫不同，地下儲水空間的深度可超過幾百米，深層地下水有可能占據(jù)大部分庫容，而從經(jīng)濟、環(huán)境和生態(tài)學(xué)的角度出發(fā)，僅能讓有限深度內(nèi)的地下水參與水庫的調(diào)節(jié)，用總庫容難以真實地反映地下水庫的實際規(guī)模。根據(jù)儲水介質(zhì)的不同，可將地下水庫分為松散介質(zhì)、裂隙介質(zhì)、巖溶介質(zhì)和混合介質(zhì)地下水庫。這是強調(diào)的是，由于儲水介質(zhì)的不同，地下水的分布特征也不同，地下水動力性質(zhì)也不同，所采用的地下截滲、回灌、開采工程也會不同。如對于松散介質(zhì)地下水庫，中國水利學(xué)會第二首屆青年科技論壇論文集350庫區(qū)內(nèi)含水層分布相對均勻，一般采用板墻、防滲膜截滲，對回灌及開采工程布局限制較少；對于裂隙介質(zhì)地下水庫，庫區(qū)內(nèi)含水層隨斷裂構(gòu)造分布，灌漿截滲、回灌及開采工程布置受限于斷裂構(gòu)造；對于巖溶介質(zhì)地下水庫，庫區(qū)內(nèi)含水層分布由巖溶發(fā)育特點決定，一般采用級配灌漿、筑壩（地下河）截滲，回灌及開采工程布置受限于巖溶構(gòu)造。根據(jù)地下水埋藏條件，又可將地下水庫可分為潛水、承壓水和潛水承壓水混合地下水庫。這是考慮地下水壓力水頭的差異會影響到地下水回灌工程和地下水開采工程。此外，還可以根據(jù)地下水庫的用途進行分類等。綜上所述，從不同的角度，地下水庫分類也不同，但按照儲水介質(zhì)進行分類，最能反映地下水庫特征，具有實用性，上面提到山東、遼寧已建成的地下水庫大部分屬于松散介質(zhì)地下水庫，而貴州馬官地下水庫則屬于巖溶介質(zhì)地下水庫。3建立地下水庫的基本條件建立地下水庫最基本的條件有兩個：一是需要有足夠的天然地下儲水空間；一是需要有充足的水源。這也是建立地下水庫的兩個必要條件。此外，還應(yīng)考慮可持續(xù)條件、環(huán)境條件和生態(tài)條件等，特別是環(huán)境條件有時會成為建立地下水庫的決定因素。地下儲水空間構(gòu)成地下水庫庫容，天然地下儲水空間一般指各種地下含水構(gòu)造，如洪積扇、沖積扇、地下巖溶等，地下水庫的庫容由庫區(qū)內(nèi)巖體和松散堆積層中的孔隙、裂隙和溶隙等組成。地下水庫庫區(qū)由庫區(qū)邊界所圍成的相對封閉的地下空間組成，庫區(qū)邊界包括進水邊界、泄水邊界以及由地下水分水嶺、地下壩或不透水帶組成的隔水邊界。水源是形成地下水庫的決定性條件。水源通常指本流域或跨流域調(diào)水引來的沒有污染的地下水、地表水，以及由廢水的再利用得到的中水、礦坑排水等。地下水庫最主要的特征就是實現(xiàn)了人工調(diào)節(jié)地下水流，它包括三種調(diào)節(jié)措施：一是通過建造地下截滲工程抬高地下水位，截住和多蓄地下水；二是通過人工入滲補源工程，增強了地表水轉(zhuǎn)化為地下水的能力；三是通過地下水開采，預(yù)留了地下蓄水空間，相應(yīng)地增大了地下水的蓄水量。環(huán)境因素是決定地下水庫能否興利的重要因素，它包括兩方面，一方面指庫區(qū)污染、地表水回灌等環(huán)境因素對地下水水質(zhì)的影響，被污染的地下水庫是沒有經(jīng)濟效益的；另一方面是指建立地下水庫后地下水位變化是否帶來不利的環(huán)境問題，地下水過高、過低都會影響庫區(qū)內(nèi)作物的生長，地下水位的大幅降低會產(chǎn)生地面沉降等?？沙掷m(xù)條件是指建立地下水庫不是一次性的，應(yīng)滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。生態(tài)條件指建立地下水庫是否會對植物、生物的生存帶來不良的生態(tài)問題。3.1地下水庫設(shè)計理論框架地下水庫的設(shè)計理論可稱為地下水庫工程學(xué)。它是研究如何利用地下儲水構(gòu)造蓄水、興利和防止災(zāi)害的一種水利工程學(xué)。水利工程學(xué)、地下水動力學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、地下水水文學(xué)等學(xué)科的發(fā)展為地下水庫工程學(xué)的建立奠定理論基礎(chǔ)，國內(nèi)外陸續(xù)興建的地下水庫工程為地下水庫工程學(xué)的建立提供了豐富的實踐基礎(chǔ)。地下水庫工程學(xué)是水利工程學(xué)、地下水動力學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)和地下水水文學(xué)等專門學(xué)科在地下水庫領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，既有別于各專門學(xué)科而自成系統(tǒng)，又不能代替各專門學(xué)科作用，更不能完全脫離各專門學(xué)科而單獨發(fā)展。地下水庫工程學(xué)的設(shè)計理論框架有：（1）地下水庫的建庫理論。主要研究適宜建造地下水庫的儲水構(gòu)造、水源，以及研究351四、水文學(xué)河流動力學(xué)適宜建庫的環(huán)境、生態(tài)、可持續(xù)發(fā)展條件。（2）地下水庫地下水水文學(xué)計算理論。主要研究地下水的形成和運動規(guī)律，地表水、包氣帶水和地下水的三水轉(zhuǎn)化規(guī)律，地下水的動態(tài)特征和水均衡理論，地下水資源的計算和評價。（3）地下水庫回灌和開采理論?；毓嗬碚撝饕芯康叵滤毓嗟臋C理、地下水回灌優(yōu)化理論、回灌量的計算理論、回灌補給條件下地下水動態(tài)的規(guī)律等。開采理論主要研究地下水的開采機理、地下水開采優(yōu)化理論、地下水開采量計算理論、開采條件下地下水動態(tài)的規(guī)律等。（4）地下水庫建筑物設(shè)計。包括地下截滲工程，又稱地下壩，用于截斷地下潛流，形成庫區(qū)不透水邊界，可采用各種地下防滲墻、地下防滲薄膜、灌漿帷幕（巖體灌漿），筑壩（對巖溶地下河而言）等方法進行截滲。地表水回灌工程，主要指滲井、滲渠、回灌池（坑）和其它形式的入滲建筑物。地下水開采工程，主要指開采井和集水廊道等。地表水?dāng)r截工程，主要指閘、堰、壩等擋水建筑物。地下水泄水工程。主要指用于排泄庫區(qū)內(nèi)多余地下水和殘留物等。地表排污工程。潮水?dāng)r截工