干旱區(qū)內(nèi)陸河流地下水庫調(diào)蓄方案探討

干旱區(qū)內(nèi)陸河流地下水庫調(diào)蓄方案探討

1建設(shè)建設(shè)地下水庫地下水庫用于儲存地殼中的自然空間。自然儲水空間包括巖石和疏松沉積物中的空隙、裂縫和洞穴。地下水庫一般包括四個基本組成部分,即:由天然儲水構(gòu)造組成的地下水庫庫區(qū)、形成封閉庫容的地下?lián)跛畨?、地表引滲工程和地下水取水工程。地下水庫有四種基本類型,即:人工補給和調(diào)蓄淺層無壩地下水水庫、巖溶型地下水庫、河谷型地下水庫和開采漏斗型地下水庫。地下水庫從工程形式上又可劃分為有壩地下水庫和無壩地下水庫。與地表水庫相比,地下水庫在經(jīng)濟、技術(shù)和環(huán)境方面具有明顯的優(yōu)勢。地下水庫工程結(jié)構(gòu)簡單,投資較小,沒有潰壩災(zāi)害,使用壽命長,調(diào)度管理便捷,庫容泥沙淤積問題不突出,不占土地,不需移民,可有效減少水面蒸發(fā)量;地下水庫庫容量大,可起到“豐蓄枯采”的多年調(diào)節(jié)作用,它不會觸發(fā)庫岸邊坡的滑坡崩塌,也不破壞洄游魚類的生態(tài)環(huán)境?；谝陨显?發(fā)達國家正在放棄修建地表水庫調(diào)蓄水資源的傳統(tǒng)做法,轉(zhuǎn)而利用地下含水層——地下水庫調(diào)蓄水資源。相比于地表水庫,地下水庫“肚大口小,能容難進,引用困難”,因此,采取各種措施增強地下水庫的進水和放水能力,是成功建設(shè)和調(diào)度運用地下水庫的關(guān)鍵。地下水庫需要一定的“成庫”條件,庫容確定較為復(fù)雜,需要一定精度的水文地質(zhì)勘探工作。美國21世紀(jì)水資源戰(zhàn)略研究成果提出,地下水庫是21世紀(jì)水資源調(diào)控的最主要手段。作為一種有效的、環(huán)保的、經(jīng)濟的水利工程,地下水庫在國外發(fā)展較快,成功實例較多。早在1964年以色列就在太巴列湖地區(qū)建立了地下水庫——攔洪工程,地表水與地下水統(tǒng)一調(diào)度,總庫容達47億m3;荷蘭利用沿海砂丘進行人工回灌已有近50年歷史,它的水資源開發(fā)模式是“引萊茵河水-凈化回灌地下水庫-抽取地下水”,還與日本合作在阿姆斯特丹開展帷幕灌漿工程和修建地下水庫。對于地下水庫,國外常用的提法是“含水層儲存與回采(ASR_aquiferstorageandrecovery)”,美國正在實施的ASR工程計劃,已建成ASR系統(tǒng)100多個,僅佛羅里達州南部,在墨西哥海灣沿岸已經(jīng)修建了26個ASR工程,約有330眼ASR井。瑞典、荷蘭、德國、澳大利亞、日本、伊朗等國都在實施ASR工程計劃,以解決水資源的短缺和調(diào)蓄問題。瑞典、荷蘭和德國的人工補給含水層工程,在總供水中所占的份額分別達到20%、15%和10%。地下水庫調(diào)蓄水資源具有明顯的經(jīng)濟性,其供水成本一般是地表水庫的1/5~1/10。目前,我國已在部分省區(qū)開始實施地下水庫調(diào)蓄工程,北京西郊、山東龍口、大連旅順、遼寧朝陽等地都已建造了地下水庫,積累了一定的經(jīng)驗。山東龍口黃水河地下水庫,建成于1995年,是國內(nèi)第一個設(shè)計功能較為完整的地下水庫,它通過修建攔河閘、地下壩及大量引滲設(shè)施,聯(lián)合調(diào)蓄地表水與地下水,起到了阻斷海水入侵的作用,水資源得到了高效利用,同時也改善了庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境;1997年遼寧省的朝陽縣在小凌河老龍灣的河漫灘上修建了一座自流引水的地下水庫,水庫兩岸為山體,河床寬394m,砂礫石覆蓋層厚度為6.8m,通過修建地下攔河壩,將河水蓄存于上游閉合的砂礫石孔隙中,用水時,打開地下閘門,將蓄水自流輸入灌區(qū),其有效調(diào)節(jié)庫容為36萬m3,從而解決了地表水庫泥沙淤積嚴(yán)重、表面蒸發(fā)損失大的問題。我國在利用地下水庫調(diào)蓄水資源方面目前尚處于探索階段,利用地下水庫調(diào)蓄水資源也僅限于個別地區(qū),而且規(guī)模小。2流域土地單位儲水結(jié)構(gòu)特征及地下水庫建設(shè)的適宜區(qū)域2.1河流剖面的特征和儲水結(jié)構(gòu)干旱區(qū)內(nèi)陸河流中小流域按地貌單元沿河流縱向可分為山區(qū)、山前沖洪積扇、沖洪積平原、綠洲與沙漠過渡帶和沙漠,詳見圖1。(1)徑流和徑流山區(qū)是河流的產(chǎn)流區(qū),徑流補給一般由冰川、融雪水和雨水組成,極小部分徑流通過巖石的裂隙滲入地下,絕大部分徑流匯入主河流,主河流縱坡一般在1.5%~3%,河水湍急,洪水期泥沙量大。山區(qū)河床深覆蓋層和山間凹陷盆地,是建設(shè)河谷型地下水庫和山間凹陷地下水庫的天然水文地質(zhì)構(gòu)造。(2)前洪水積扇區(qū)iii區(qū)該地貌單元可分為山前沖洪積扇中上部和扇緣溢出帶。地下潛水轉(zhuǎn)化河流出山口后為地表水散失區(qū),縱坡變緩,水面逐漸變寬,河水入滲較快,地表水快速轉(zhuǎn)化為地下潛水。地層巖性多為第四系砂卵礫石,含水層顆粒粗,水循環(huán)條件好,但地下水埋深大,提水成本高,同時該區(qū)距離灌區(qū)遠,又是扇緣溢出帶地下水的主要補給源,適宜于布置地表水引滲工程,故開采總量要嚴(yán)加控制。在實際應(yīng)用中該區(qū)被劃為地下水限制開采區(qū)。地下水調(diào)蓄開采區(qū)規(guī)劃此區(qū)位于潛水與承壓水交替帶的地下水溢出區(qū),地下水埋深淺,含水層透水性好,水量豐富,水質(zhì)優(yōu)良,地水下回補快,開采條件優(yōu)越,是建設(shè)井群水源地的優(yōu)越地段,因此,在實際應(yīng)用中該區(qū)被劃為地下水調(diào)蓄開采區(qū)。具有建設(shè)山前凹陷地下水庫極其有利的水文地質(zhì)條件。(3)承壓水地下水保水技術(shù)位于沖洪積平原的中上部,是新疆主要的綠洲經(jīng)濟區(qū)。由于地形坡度小,潛水埋深淺,且?guī)r性顆粒細,富水性差,水質(zhì)劣,易于產(chǎn)生土壤鹽漬化,并造成大量的潛水無效和低效蒸發(fā)。此處承壓水埋深中等,徑流條件尚好,潛水與承壓水聯(lián)系比較密切,承壓水頂托補給潛水含水層,使地下水位抬高。故在此處可根據(jù)人工灌區(qū)對地下水位的控制要求,以機電井分散開采的方式,排灌結(jié)合,合理開發(fā)利用地下水資源。在實際應(yīng)用中該區(qū)被劃為地下水調(diào)控開采區(qū)。(4)地下水的補給在綠洲與沙漠過渡帶,地層顆粒均勻細小,透水性差,水質(zhì)也較差。潛水主要來自河道滲漏補給,承壓水接受地下水側(cè)向徑流補給,并以頂托的形式越流補給潛水,其補給微弱而緩慢。地下水為天然植被的主要供水水源,故應(yīng)嚴(yán)禁在此處開采地下水,以保護綠洲與沙漠過渡帶的脆弱生態(tài)環(huán)境。在實際應(yīng)用中該區(qū)被劃為地下水禁止開采區(qū)。2.2地下水庫組合受構(gòu)造擠壓運動的影響,山區(qū)地形抬升,形成山前凹陷,凹陷內(nèi)沉積了巨厚的砂卵礫石層,為地下水的賦存提供了良好的空間。進入細土平原后,地層顆粒逐漸變細,透水性急劇降低,自然構(gòu)成相對阻水的“地下攔河壩”,并形成潛水溢出帶,這就是通常所說的山前凹陷地下水庫。河流在出山口前,一般均存在一定厚度的第四系砂卵礫石覆蓋層,其透水性強,孔隙率大,只要建設(shè)地下?lián)跛畨?并通過引滲工程和取水工程便可形成地下水庫,即稱之為河谷型地下水庫。另外,由于構(gòu)造運動,在山區(qū)與平原之間出現(xiàn)構(gòu)造隆起,形成山間凹陷,凹陷中覆蓋著深厚的第四系砂卵礫石層,這是一個非常良好的地下水儲水構(gòu)造,河流仍是地下水的主要溢出通道,只要施以必要的人為調(diào)控措施,即可發(fā)揮巨大的調(diào)蓄作用,即稱之為山間凹陷地下水庫。通過以上分析,說明建設(shè)地下水庫的適宜地段主要集中在山前凹陷、山間凹陷和山區(qū)河谷深覆蓋層河床等三種地段,可構(gòu)成兩種組合形式,即:河谷型地下水庫與山前凹陷地下水庫(詳見圖2);山間凹陷地下水庫與山前凹陷地下水庫(詳見圖3)。以瑪納斯河為代表的天山中段諸中小河流,以及阿克蘇河流域均具有建設(shè)山間凹陷地下水庫的水文地質(zhì)條件。3沖洪積扇下緣地下水流變學(xué)近幾十年來新疆在地下水開發(fā)利用方面做了很多有益的嘗試,如哈密盆地、吐魯番盆地、三工河流域、瑪納斯河流域等地,利用山前凹陷地下水庫的調(diào)蓄功能,大量開發(fā)利用地下水資源,在提高水資源利用效率、合理配置時空水量方面,取得了顯著的效益。下面以三工河流域為例作簡要介紹。三工河流域位于天山北麓東段,準(zhǔn)噶爾盆地南緣,流域總面積1670km2。流域內(nèi)的三工河、四工河、水磨河等3條主要河流多年平均年徑流量為0.963億m3,地表徑流的年際變化不大,年內(nèi)變化較大,6~8月洪水期徑流量占全年徑流量的76%,而春季來水僅占全年徑流量的15%。根據(jù)1984~2004年地下水長期觀測資料分析,沖洪積扇中上部監(jiān)測井地下水位下降了5~7.5m,沖洪積扇下緣潛水溢出帶地下水位受集中開采的影響,年內(nèi)變化幅度比較大,但年際沒有明顯的下降趨勢,見圖4。沖洪積平原區(qū)地下水位不但沒有下降,反而呈現(xiàn)上升趨勢,見圖5。這充分說明沖洪積平原區(qū)與沖洪積扇區(qū)地下水的水力聯(lián)系微弱,沖洪積扇下緣潛水溢出帶下游由亞砂土、亞黏土和細砂組成的多層地層結(jié)構(gòu),透水性差,地下水徑流在此受阻,發(fā)揮了地下攔水壩的作用,因此,在河流的沖洪積扇區(qū),山前凹陷地下水庫是天然存在的。20世紀(jì)60年代初,以漁爾溝水源地建設(shè)為代表,三工河流域開始大規(guī)模開發(fā)利用地下水。開采地段主要集中在沖洪積扇中下部及潛水溢出帶。形成了以漁爾溝水源地為主,其它分散開采井為輔的地下水開發(fā)模式。1985~2004年在沖洪積扇累計開采量達到7.817億m3,平均年開采量0.3908億m3,占主要河流年徑流總量的41%,占全流域地下水開采量的84%,為流域經(jīng)濟社會發(fā)展發(fā)揮了重要作用。3.1水位下降及變化在地下水調(diào)蓄開采區(qū)內(nèi),地下水與地表水之間水力聯(lián)系密切,地下水位上升較河道豐水期滯后2~4月,水位上升一般出現(xiàn)在11月至翌年的3月,此時地下水開采量減小,水位處于回升狀態(tài)。水位下降出現(xiàn)在5~8月,此時地下水開采量大,水位處于下降狀態(tài)。地下水位年內(nèi)有一次降升過程,年變幅為0.47~2.84m。地下水庫的開采受人為控制,年內(nèi)變化比較穩(wěn)定,能夠充分發(fā)揮其調(diào)蓄功能,與年內(nèi)豐枯不均的地表水聯(lián)合調(diào)度,起到穩(wěn)定水源的作用,詳見圖6。3.2豐水年地表徑流、地下水開采量變化由于地下水庫庫容大,調(diào)蓄能力強,能夠較好地發(fā)揮多年調(diào)節(jié)作用。如圖7所示,豐水年,地表水豐富,地表水大量補給地下水庫,而且地下水開采量相應(yīng)減少,地下水庫水位上升?？菟?地表來水量少,增加地下水開采量。這種“以補定采,多年平衡”的調(diào)蓄開采模式,真正體現(xiàn)了地下水庫的多年調(diào)節(jié)作用。4不斷加強地下水庫建設(shè)在山區(qū)河谷地帶建設(shè)控制性調(diào)蓄水庫,是一種普遍采用的水資源開發(fā)利用模式。但是,有許多山區(qū)水庫沒有較好的建壩條件,會不同程度的遇到壩址處深覆蓋層問題,如臺蘭河流域的老龍口水庫、吐魯番地區(qū)的二塘溝水庫、大河沿水庫等,擬選壩址區(qū)最大覆蓋層深度分別為65m、67m和104m。在這種特殊的地質(zhì)條件下修建高壩,工程投資大,技術(shù)問題復(fù)雜,工程的經(jīng)濟性差,短時期內(nèi)難以建設(shè)實施。因此,人們便愈來愈關(guān)注因地制宜地利用這種地質(zhì)條件,在相應(yīng)的河段修筑有壩河谷型地下水庫的可行性。在山區(qū)深覆蓋層河谷建設(shè)調(diào)蓄工程有三種概念模式,參見圖8。一種是修建地下截滲墻,形成地下水庫(Vg);第二種是地表攔河大壩(Vs);第三種是地下水庫與地表水庫聯(lián)合調(diào)度運用(Vg+Vs)。特別需要強調(diào)的是,這三種模式是相互聯(lián)系、相互兼容的。我們要用一種演進的、疊加的、組合的思維方式來規(guī)劃、建設(shè)和調(diào)度運用此類工程。譬如,修建地下截滲墻,形成地下水庫后,還可以在此壩址基礎(chǔ)上繼續(xù)修建地表攔河水庫,地表水庫與地下水庫也可聯(lián)合調(diào)度運用,這是干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水資源開發(fā)利用的新理念、新模式。建設(shè)有壩河谷型地下水庫主要有以下4個關(guān)鍵技術(shù)問題,即:含水層水文地質(zhì)條件、地下水壩施工技術(shù)、引滲系統(tǒng)和取水系統(tǒng)。(1)結(jié)構(gòu)及儲水性質(zhì)干旱區(qū)內(nèi)陸河流河床中的深覆蓋層的巖性一般均為單一的第四系的砂卵礫石,其特點是透水性強,結(jié)構(gòu)松散,孔隙率大,一般滲透系數(shù)在50~100m/d,重力給水度在0.15~0.25,它是地下水庫理想的儲水構(gòu)造,因此,將其作為有壩河谷型地下水庫的含水層是完全可行的。(2)與地下水壩、連續(xù)墻施工技術(shù)的施工技術(shù)比較早在20世紀(jì)50~60年代,日本、荷蘭等西方發(fā)達國家就在沿海修筑地下帷幕灌漿壩,阻止海水回灌,并取得了成功。地下帷幕灌漿和連續(xù)墻施工技術(shù)與地下水壩建設(shè)沒有本質(zhì)的區(qū)別。目前,國內(nèi)外在砂卵礫石地層進行帷幕灌漿壩和地下連續(xù)墻的施工技術(shù)已日臻完善,煙臺市夾河地下水庫采用高噴灌漿技術(shù)在卵礫石層成功地修筑了地下水壩,其壩線長2511m,最大壩高31m。有關(guān)資料,顯示,采用高噴灌漿技術(shù)組合塑膜防滲結(jié)構(gòu)亦是可行的,同時可大大節(jié)約地下水壩的造價,因此,地下水壩的建設(shè)在技術(shù)上和經(jīng)濟上是完全可行的。(3)人工引滲,調(diào)蓄地表水深覆蓋河谷地下水補給,一部分來自上游河床側(cè)向補給,另一部分是河流在庫區(qū)的垂直補給。但這種自然補給,無論從量、還是從時間上,一般不能完全滿足對地表水的調(diào)蓄作用,因此,必須建設(shè)“人工引滲”工程,將地表水及時滲入地下水庫。在砂卵礫石地層建設(shè)引水渠道的經(jīng)驗告訴我們,只要在地下水庫區(qū)合理布置引滲渠、坑、溝,就可以使地表水快速滲入庫區(qū),在技術(shù)上和經(jīng)濟上是完全可行的。(4)坎爾井取水法在地下水庫庫區(qū)布置機電井群、大口徑井、輻射井等,是國內(nèi)外地下水庫取水系統(tǒng)最常用的方法。目前,鑿井取水技術(shù)已趨完善,但其距離灌區(qū)較遠,且運行費用高。新疆古老的坎爾井取水技術(shù)給了我們很好的啟迪?？梢酝ㄟ^布置地下集水廊道,并利用河流縱坡大的條件,經(jīng)地下集水通道將水引出地表。干旱區(qū)內(nèi)陸河流出山口地面縱坡一般在1%~3%左右,一座水位差30m的河谷地下水庫,經(jīng)1.2~3.5km的引水隧洞(管)即可將水引出地表,使庫水自流進入灌區(qū),從而極大地拓寬河谷地下水庫的應(yīng)運空間。5地下水調(diào)蓄利用模式根據(jù)干旱區(qū)內(nèi)陸河流地貌單元特征及其儲水構(gòu)造,特別是針對一些具有深厚覆蓋層的河流,我們應(yīng)當(dāng)因地制宜,改變一貫制的思維定式。在山區(qū)河谷地段建設(shè)截滲墻,利用深覆蓋儲水構(gòu)造作為地下水庫,并與事實上業(yè)已存在的沖洪積扇下緣天然地下水庫、沖洪積平原大量分散的機電井,組成地下水調(diào)控系統(tǒng)。通過人工“引滲回補”和“引流提水”等工程措施,與現(xiàn)有的地表水調(diào)控系統(tǒng)組成一個地表與地下緊密鏈接的水資源統(tǒng)一的調(diào)控系統(tǒng),如圖9所示。建立這種以地下水調(diào)蓄為主的水資源開發(fā)利用模式,應(yīng)當(dāng)注意解決好以下問題。(1)以流域為單元將地表水和地下水視為統(tǒng)一的水資源整體,通過流域內(nèi)的地表水、河谷型有壩地下水庫、沖積扇下緣溢出帶無壩地下水庫、平原區(qū)機電井聯(lián)合調(diào)度,滿足流域內(nèi)需水和生態(tài)用水。(2)根據(jù)干旱區(qū)內(nèi)陸河的地形地貌特點,按照“集中開采為主,分散開采為輔”的原則,通過“引滲回補”和定量的開采,科學(xué)合理控制地下水庫的地下水位,減少土壤無效和低效潛水蒸發(fā)、降低土壤鹽堿化危害,提高水資源利用效率。河谷型地下水庫、山間凹陷地下水庫或山前凹陷地下水庫均可作為流域主要調(diào)蓄工程,其功能為集中分段調(diào)蓄水資源。沖洪積平原區(qū)通過分散的機電井實施排灌結(jié)合,合理控制灌區(qū)地下水位,提高水資源利用效率(重復(fù)利用率)。(3)按照流域內(nèi)水質(zhì)的變化規(guī)律,合理劃定水功能保護區(qū),加強水資源重復(fù)利用的控制與管理,滿足流域內(nèi)不同用水戶的需水要求。(4)統(tǒng)籌考慮流域城鎮(zhèn)生活、農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)環(huán)境等各業(yè)用水,優(yōu)化水資源配置方案。充分考慮河流自然生態(tài)環(huán)境用水的特點和基本要求,提出對徑流調(diào)節(jié)的約束條件,處理好“大壩與生態(tài)的關(guān)系”。特別要指出的是,河