干旱區(qū)內(nèi)陸河流地下水庫(kù)調(diào)蓄方案探討

干旱區(qū)內(nèi)陸河流地下水庫(kù)調(diào)蓄方案探討

1建設(shè)建設(shè)地下水庫(kù)地下水庫(kù)用于儲(chǔ)存地殼中的自然空間。自然儲(chǔ)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(kù)一般包括四個(gè)基本組成部分,即:由天然儲(chǔ)水構(gòu)造組成的地下水庫(kù)庫(kù)區(qū)、形成封閉庫(kù)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(kù)有四種基本類型,即:人工補(bǔ)給和調(diào)蓄淺層無(wú)壩地下水水庫(kù)、巖溶型地下水庫(kù)、河谷型地下水庫(kù)和開(kāi)采漏斗型地下水庫(kù)。地下水庫(kù)從工程形式上又可劃分為有壩地下水庫(kù)和無(wú)壩地下水庫(kù)。與地表水庫(kù)相比,地下水庫(kù)在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。地下水庫(kù)工程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,投資較小,沒(méi)有潰壩災(zāi)害,使用壽命長(zhǎng),調(diào)度管理便捷,庫(kù)容泥沙淤積問(wèn)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(kù)庫(kù)容量大,可起到“豐蓄枯采”的多年調(diào)節(jié)作用,它不會(huì)觸發(fā)庫(kù)岸邊坡的滑坡崩塌,也不破壞洄游魚(yú)類的生態(tài)環(huán)境?；谝陨显?發(fā)達(dá)國(guó)家正在放棄修建地表水庫(kù)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(kù)調(diào)蓄水資源。相比于地表水庫(kù),地下水庫(kù)“肚大口小,能容難進(jìn),引用困難”,因此,采取各種措施增強(qiáng)地下水庫(kù)的進(jìn)水和放水能力,是成功建設(shè)和調(diào)度運(yùn)用地下水庫(kù)的關(guān)鍵。地下水庫(kù)需要一定的“成庫(kù)”條件,庫(kù)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(guó)21世紀(jì)水資源戰(zhàn)略研究成果提出,地下水庫(kù)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(jì)的水利工程,地下水庫(kù)在國(guó)外發(fā)展較快,成功實(shí)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(kù)——攔洪工程,地表水與地下水統(tǒng)一調(diào)度,總庫(kù)容達(dá)47億m3;荷蘭利用沿海砂丘進(jìn)行人工回灌已有近50年歷史,它的水資源開(kāi)發(fā)模式是“引萊茵河水-凈化回灌地下水庫(kù)-抽取地下水”,還與日本合作在阿姆斯特丹開(kāi)展帷幕灌漿工程和修建地下水庫(kù)。對(duì)于地下水庫(kù),國(guó)外常用的提法是“含水層儲(chǔ)存與回采(ASR_aquiferstorageandrecovery)”,美國(guó)正在實(shí)施的ASR工程計(jì)劃,已建成ASR系統(tǒng)100多個(gè),僅佛羅里達(dá)州南部,在墨西哥海灣沿岸已經(jīng)修建了26個(gè)ASR工程,約有330眼ASR井。瑞典、荷蘭、德國(guó)、澳大利亞、日本、伊朗等國(guó)都在實(shí)施ASR工程計(jì)劃,以解決水資源的短缺和調(diào)蓄問(wèn)題。瑞典、荷蘭和德國(guó)的人工補(bǔ)給含水層工程,在總供水中所占的份額分別達(dá)到20%、15%和10%。地下水庫(kù)調(diào)蓄水資源具有明顯的經(jīng)濟(jì)性,其供水成本一般是地表水庫(kù)的1/5~1/10。目前,我國(guó)已在部分省區(qū)開(kāi)始實(shí)施地下水庫(kù)調(diào)蓄工程,北京西郊、山東龍口、大連旅順、遼寧朝陽(yáng)等地都已建造了地下水庫(kù),積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。山東龍口黃水河地下水庫(kù),建成于1995年,是國(guó)內(nèi)第一個(gè)設(shè)計(jì)功能較為完整的地下水庫(kù),它通過(guò)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(shí)也改善了庫(kù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境;1997年遼寧省的朝陽(yáng)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(kù),水庫(kù)兩岸為山體,河床寬394m,砂礫石覆蓋層厚度為6.8m,通過(guò)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(shí),打開(kāi)地下閘門(mén),將蓄水自流輸入灌區(qū),其有效調(diào)節(jié)庫(kù)容為36萬(wàn)m3,從而解決了地表水庫(kù)泥沙淤積嚴(yán)重、表面蒸發(fā)損失大的問(wèn)題。我國(guó)在利用地下水庫(kù)調(diào)蓄水資源方面目前尚處于探索階段,利用地下水庫(kù)調(diào)蓄水資源也僅限于個(gè)別地區(qū),而且規(guī)模小。2流域土地單位儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)特征及地下水庫(kù)建設(shè)的適宜區(qū)域2.1河流剖面的特征和儲(chǔ)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(guò)渡帶和沙漠,詳見(jiàn)圖1。(1)徑流和徑流山區(qū)是河流的產(chǎn)流區(qū),徑流補(bǔ)給一般由冰川、融雪水和雨水組成,極小部分徑流通過(guò)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(kù)和山間凹陷地下水庫(kù)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(shí)該區(qū)距離灌區(qū)遠(yuǎn),又是扇緣溢出帶地下水的主要補(bǔ)給源,適宜于布置地表水引滲工程,故開(kāi)采總量要嚴(yán)加控制。在實(shí)際應(yīng)用中該區(qū)被劃為地下水限制開(kāi)采區(qū)。地下水調(diào)蓄開(kāi)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(bǔ)快,開(kāi)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(shí)際應(yīng)用中該區(qū)被劃為地下水調(diào)蓄開(kāi)采區(qū)。具有建設(shè)山前凹陷地下水庫(kù)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(jì)區(qū)。由于地形坡度小,潛水埋深淺,且?guī)r性顆粒細(xì),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(wú)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(bǔ)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(duì)地下水位的控制要求,以機(jī)電井分散開(kāi)采的方式,排灌結(jié)合,合理開(kāi)發(fā)利用地下水資源。在實(shí)際應(yīng)用中該區(qū)被劃為地下水調(diào)控開(kāi)采區(qū)。(4)地下水的補(bǔ)給在綠洲與沙漠過(guò)渡帶,地層顆粒均勻細(xì)小,透水性差,水質(zhì)也較差。潛水主要來(lái)自河道滲漏補(bǔ)給,承壓水接受地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給,并以頂托的形式越流補(bǔ)給潛水,其補(bǔ)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(kāi)采地下水,以保護(hù)綠洲與沙漠過(guò)渡帶的脆弱生態(tài)環(huán)境。在實(shí)際應(yīng)用中該區(qū)被劃為地下水禁止開(kāi)采區(qū)。2.2地下水庫(kù)組合受構(gòu)造擠壓運(yùn)動(dòng)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(jìn)入細(xì)土平原后,地層顆粒逐漸變細(xì),透水性急劇降低,自然構(gòu)成相對(duì)阻水的“地下攔河壩”,并形成潛水溢出帶,這就是通常所說(shuō)的山前凹陷地下水庫(kù)。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(qiáng),孔隙率大,只要建設(shè)地下?lián)跛畨?并通過(guò)引滲工程和取水工程便可形成地下水庫(kù),即稱之為河谷型地下水庫(kù)。另外,由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng),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(gè)非常良好的地下水儲(chǔ)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(kù)。通過(guò)以上分析,說(shuō)明建設(shè)地下水庫(kù)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(kù)與山前凹陷地下水庫(kù)(詳見(jiàn)圖2);山間凹陷地下水庫(kù)與山前凹陷地下水庫(kù)(詳見(jiàn)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(kù)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(lái)新疆在地下水開(kāi)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(kù)的調(diào)蓄功能,大量開(kāi)發(fā)利用地下水資源,在提高水資源利用效率、合理配置時(shí)空水量方面,取得了顯著的效益。下面以三工河流域?yàn)槔骱?jiǎn)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(lái)水僅占全年徑流量的15%。根據(jù)1984~2004年地下水長(zhǎng)期觀測(cè)資料分析,沖洪積扇中上部監(jiān)測(cè)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(kāi)采的影響,年內(nèi)變化幅度比較大,但年際沒(méi)有明顯的下降趨勢(shì),見(jiàn)圖4。沖洪積平原區(qū)地下水位不但沒(méi)有下降,反而呈現(xiàn)上升趨勢(shì),見(jiàn)圖5。這充分說(shuō)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(xì)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(kù)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(kāi)始大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用地下水。開(kāi)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(kāi)采井為輔的地下水開(kāi)發(fā)模式。1985~2004年在沖洪積扇累計(jì)開(kāi)采量達(dá)到7.817億m3,平均年開(kāi)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(kāi)采量的84%,為流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(kāi)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(shí)地下水開(kāi)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(shí)地下水開(kāi)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(guò)程,年變幅為0.47~2.84m。地下水庫(kù)的開(kāi)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(jiàn)圖6。3.2豐水年地表徑流、地下水開(kāi)采量變化由于地下水庫(kù)庫(kù)容大,調(diào)蓄能力強(qiáng),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(bǔ)給地下水庫(kù),而且地下水開(kāi)采量相應(yīng)減少,地下水庫(kù)水位上升?？菟?地表來(lái)水量少,增加地下水開(kāi)采量。這種“以補(bǔ)定采,多年平衡”的調(diào)蓄開(kāi)采模式,真正體現(xiàn)了地下水庫(kù)的多年調(diào)節(jié)作用。4不斷加強(qiáng)地下水庫(kù)建設(shè)在山區(qū)河谷地帶建設(shè)控制性調(diào)蓄水庫(kù),是一種普遍采用的水資源開(kāi)發(fā)利用模式。但是,有許多山區(qū)水庫(kù)沒(méi)有較好的建壩條件,會(huì)不同程度的遇到壩址處深覆蓋層問(wèn)題,如臺(tái)蘭河流域的老龍口水庫(kù)、吐魯番地區(qū)的二塘溝水庫(kù)、大河沿水庫(kù)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(wèn)題復(fù)雜,工程的經(jīng)濟(jì)性差,短時(shí)期內(nèi)難以建設(shè)實(shí)施。因此,人們便愈來(lái)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(kù)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(jiàn)圖8。一種是修建地下截滲墻,形成地下水庫(kù)(Vg);第二種是地表攔河大壩(Vs);第三種是地下水庫(kù)與地表水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用(Vg+Vs)。特別需要強(qiáng)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(jìn)的、疊加的、組合的思維方式來(lái)規(guī)劃、建設(shè)和調(diào)度運(yùn)用此類工程。譬如,修建地下截滲墻,形成地下水庫(kù)后,還可以在此壩址基礎(chǔ)上繼續(xù)修建地表攔河水庫(kù),地表水庫(kù)與地下水庫(kù)也可聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用,這是干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水資源開(kāi)發(fā)利用的新理念、新模式。建設(shè)有壩河谷型地下水庫(kù)主要有以下4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)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(chǔ)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(diǎn)是透水性強(qiáng),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(kù)理想的儲(chǔ)水構(gòu)造,因此,將其作為有壩河谷型地下水庫(kù)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(dá)國(guó)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(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。目前,國(guó)內(nèi)外在砂卵礫石地層進(jìn)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(tái)市夾河地下水庫(kù)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(zhǎng)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(shí)可大大節(jié)約地下水壩的造價(jià),因此,地下水壩的建設(shè)在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)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(bǔ)給,一部分來(lái)自上游河床側(cè)向補(bǔ)給,另一部分是河流在庫(kù)區(qū)的垂直補(bǔ)給。但這種自然補(bǔ)給,無(wú)論從量、還是從時(shí)間上,一般不能完全滿足對(duì)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(shí)滲入地下水庫(kù)。在砂卵礫石地層建設(shè)引水渠道的經(jīng)驗(yàn)告訴我們,只要在地下水庫(kù)區(qū)合理布置引滲渠、坑、溝,就可以使地表水快速滲入庫(kù)區(qū),在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上是完全可行的。(4)坎爾井取水法在地下水庫(kù)庫(kù)區(qū)布置機(jī)電井群、大口徑井、輻射井等,是國(guó)內(nèi)外地下水庫(kù)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(yuǎn),且運(yùn)行費(fèi)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^(guò)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(kù),經(jīng)1.2~3.5km的引水隧洞(管)即可將水引出地表,使庫(kù)水自流進(jìn)入灌區(qū),從而極大地拓寬河谷地下水庫(kù)的應(yīng)運(yùn)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(chǔ)水構(gòu)造,特別是針對(duì)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(chǔ)水構(gòu)造作為地下水庫(kù),并與事實(shí)上業(yè)已存在的沖洪積扇下緣天然地下水庫(kù)、沖洪積平原大量分散的機(jī)電井,組成地下水調(diào)控系統(tǒng)。通過(guò)人工“引滲回補(bǔ)”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(gè)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(kāi)發(fā)利用模式,應(yīng)當(dāng)注意解決好以下問(wèn)題。(1)以流域?yàn)閱卧獙⒌乇硭偷叵滤暈榻y(tǒng)一的水資源整體,通過(guò)流域內(nèi)的地表水、河谷型有壩地下水庫(kù)、沖積扇下緣溢出帶無(wú)壩地下水庫(kù)、平原區(qū)機(jī)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(diǎn),按照“集中開(kāi)采為主,分散開(kāi)采為輔”的原則,通過(guò)“引滲回補(bǔ)”和定量的開(kāi)采,科學(xué)合理控制地下水庫(kù)的地下水位,減少土壤無(wú)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(kù)、山間凹陷地下水庫(kù)或山前凹陷地下水庫(kù)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(guò)分散的機(jī)電井實(shí)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(hù)區(qū),加強(qiáng)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(diǎn)和基本要求,提出對(duì)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