膠東半島地下水庫(kù)建設(shè)的思考

膠東半島地下水庫(kù)建設(shè)的思考

0地表空間調(diào)蓄利用的必要性膠東半島是指山東省膠萊河以東地區(qū)。山東省的行政區(qū)域包括三個(gè)城市：青島、煙臺(tái)和威海。同時(shí),膠東半島也是山東省水資源相對(duì)缺乏的地區(qū),主要原因是該區(qū)的大氣降水特點(diǎn)和地形地貌、地質(zhì)條件不利于水資源的天然蓄積利用。為滿足不斷發(fā)展的經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)水資源的需求,建國(guó)以來(lái)陸續(xù)建設(shè)了一系列的水利工程增加水資源的蓄積和供應(yīng),還實(shí)施建設(shè)了引黃工程使用客水等;但這些工程基本都是著眼于地表水,開發(fā)利用的是地表空間,而在水資源構(gòu)成和利用中占有重要地位的地下水的調(diào)節(jié)作用未得到很好發(fā)揮。20世紀(jì)80年代后期,由于氣候連年干旱,地下水開采大幅增加,許多地區(qū)相繼出現(xiàn)大面積地下水下降漏斗和海水入侵等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題,建設(shè)“地下水庫(kù)”這種新的地下水開發(fā)利用方式開始在膠東半島得到應(yīng)用。利用地下空間調(diào)蓄水資源有著地表工程不可比擬的優(yōu)越性,而且完全符合該地區(qū)的自然地理和地質(zhì)特點(diǎn)。地下水庫(kù)的開發(fā)不僅有效增加了水資源的供應(yīng),而且基本消除了該區(qū)日益嚴(yán)重的海水入侵之患,有著重要的生態(tài)環(huán)境意義,因此以“地下水庫(kù)”為核心的水資源調(diào)蓄利用技術(shù)在膠東半島有重要的實(shí)用和推廣價(jià)值1。1自然條件1.1膠東半島地區(qū)膠東半島是伸入黃海、渤海間的半島,總面積近3萬(wàn)km2。半島區(qū)地貌屬于典型的濱海中低山丘陵區(qū),區(qū)內(nèi)除中南部膠萊盆地(萊陽(yáng)、萊西附近)地形較為平坦外,其他地區(qū)地勢(shì)起伏較大,大部分區(qū)域海拔高度在30~200m之間。區(qū)內(nèi)主要山峰有嶗頂主峰、昆崳山等,其中嶗頂主峰海拔高度1133m,昆崳山922m。局部平原多為狹長(zhǎng)的濱海平原和山間沖積平原,海拔一般10~30m。膠東半島屬暖溫帶季風(fēng)氣候。年降水量一般650~850mm,多年平均降水量718.8mm(半島南部要多于北部)。降水量在年內(nèi)和年際間分布不均是該區(qū)的氣候特點(diǎn),年內(nèi)6—9月份降水量占年降水總量的70%以上,常出現(xiàn)暴雨;降水的年際變化也很大,最多時(shí)年降水量達(dá)1400mm以上,最少時(shí)不足400mm。區(qū)內(nèi)河流多屬半島邊緣水系,一般發(fā)源于中部山地,南北分流,河床比降大,源短流急,大部分獨(dú)流入海。由氣候條件所決定,該區(qū)河川徑流量豐枯期相差懸殊,河水暴漲暴落,汛期集中全年徑流量的70%~80%,非常不利于地表水的自然涵養(yǎng)與利用。由于受氣候變化和人類用水的共同影響,常年流水的河流已不多,大多已成為季節(jié)性河流。1.2區(qū)域分布及地下水在大地構(gòu)造單元上,膠東半島由膠北隆起、膠萊凹陷和威海-膠南斷隆構(gòu)成。丘陵、低山占總面積的70%,其分布的巖石類型主要以巖漿巖和變質(zhì)巖為主,巖漿巖主要以花崗巖類巖性為主,變質(zhì)巖巖性較復(fù)雜,主要有片麻巖、片巖、變粒巖、大理巖等。在膠萊盆地沉積有中生代泥巖及砂巖類,在蓬萊、龍口等地分布有少量震旦紀(jì)灰?guī)r。第四系松散層主要分布在河流溝谷、山前及濱海地帶,其厚度一般10~40m,最大厚度80m(煙臺(tái)市夾河入?？?。膠東半島主要地下水類型為巖漿巖和變質(zhì)巖類的基巖裂隙水,包括風(fēng)化裂隙水和構(gòu)造裂隙水,分布廣泛,但富水性差,單井涌水量多小于100m3/d,主要用作分散農(nóng)村生活用水,基本不具備集中供水意義;灰?guī)r或大理巖類巖溶裂隙水,單井涌水量雖較大,但在半島地區(qū)分布較為零星,供水意義受限。目前膠東半島集中供水的地下水水源地基本都是第四系松散巖類孔隙水,水源地主要分布于河流中下游及山前的沖洪積平原區(qū),單井涌水量在1000~3000m3/d,這些地段一般也是建設(shè)地下水庫(kù)的有利地段,有良好的儲(chǔ)水和開發(fā)利用條件。1980年以前該區(qū)由于城市供水量相對(duì)較小,地下水開采沒有產(chǎn)生明顯環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題;20世紀(jì)80年代是地下水開采的迅速增長(zhǎng)期,又逢連年的干旱,造成水源地分布區(qū)地下水位急劇下降,形成了較大范圍的地下水位負(fù)值漏斗區(qū),在一些重要河流的下游和濱海平原區(qū)海水入侵迅速發(fā)展,帶來(lái)較為嚴(yán)重的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題。2地下水庫(kù)的概念和建設(shè)條件的分析2.1地下水儲(chǔ)集庫(kù)的概念廣義的地下水庫(kù)是指存在于地下的天然儲(chǔ)水空間,是指在地殼內(nèi)由內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用下自然形成的地下水富集區(qū),一般指厚度較大、范圍較廣的大型層狀孔隙含水層、大型巖溶儲(chǔ)水空間或大型含水構(gòu)造帶等。如沖洪積扇、沖積平原、巖溶儲(chǔ)水構(gòu)造、斷裂儲(chǔ)水構(gòu)造等。該文所說(shuō)的地下水庫(kù)是指充分利用天然地下儲(chǔ)水空間開發(fā)建設(shè)的具有攔蓄、調(diào)節(jié)和利用地下水作用并兼有環(huán)境保護(hù)功能的地質(zhì)工程。有4層含意:①地下水庫(kù)是一種強(qiáng)化地下水利用的地質(zhì)工程;②利用的是地下天然儲(chǔ)水空間(巖土體空隙);③通過(guò)人工開發(fā)建設(shè)來(lái)實(shí)現(xiàn)干預(yù)調(diào)節(jié)地下水資源;④具有環(huán)境保護(hù)功能(主要指生態(tài)地質(zhì)環(huán)境)。地下水庫(kù)最主要的特征就是更好地實(shí)現(xiàn)了人工調(diào)控地下水資源,其作用本質(zhì)是強(qiáng)化了地表水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系,調(diào)節(jié)了地表水和地下水的時(shí)空分布,增加了地下水可開采量,實(shí)現(xiàn)了地表水與地下水的聯(lián)合調(diào)度,提高了水資源利用率。其環(huán)境保護(hù)作用主要體現(xiàn)在地下水庫(kù)涵養(yǎng)地下水源,避免地下水環(huán)境惡化,在沿海地區(qū)更是防止海(咸)水入侵的最有效措施,因此在有些地區(qū)地下水庫(kù)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)意義甚至大于其在供水上的意義。2.2建設(shè)必要性的確定膠東半島經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)好、發(fā)展快,對(duì)水資源的需求持續(xù)增加,這是地下水庫(kù)建設(shè)必要性的前提。除此之外,較為豐富的調(diào)蓄補(bǔ)給水源、有一定規(guī)?？杀挥行Ю玫奶烊坏叵聝?chǔ)水空間、良好的地質(zhì)邊界條件及環(huán)境條件是該區(qū)地下水庫(kù)建設(shè)的基本條件。2.2.1地表徑流分布大氣降水是區(qū)內(nèi)各類淡水資源形成的主要直接或間接來(lái)源。膠東半島有比較豐富的降水,多年平均降水量在700mm以上,這是首要的水源條件;區(qū)內(nèi)地表水系較為發(fā)育,均可形成一定的地表徑流量,整個(gè)半島地區(qū)多年平均河川徑流量為74.23億m3,攔蓄量為25.18億m3,僅為河川徑流量的33.92%,有66.08%的河川徑流量白白流走,地表水是直接可用于人工調(diào)蓄的主要水源;另外,已建和在建的山東省西調(diào)黃河水、長(zhǎng)江北輸青島、煙臺(tái)、威海工程也為地下水庫(kù)提供了間接利用水源,因此膠東半島地下水庫(kù)建設(shè)水源條件比較充足。2.2.2基性儲(chǔ)水孔隙儲(chǔ)水空間膠東地區(qū)地下水庫(kù)一般建設(shè)在富水條件比較好的第四系堆積區(qū),儲(chǔ)水空間利用的主要是沖積、沖洪積松散層的孔隙,其空間介質(zhì)顆粒較粗,巖性以中粗砂和卵礫石為主,給水度一般在0.1~0.3,滲透系數(shù)10~100m/d,主儲(chǔ)水層厚度一般5~30m,由于其埋藏淺、空隙度高,儲(chǔ)水空間非常便于開發(fā)利用。因河流的流域面積和水文地質(zhì)條件不同,地下水庫(kù)的規(guī)模、容量相差較大,有效庫(kù)容一般在幾百萬(wàn)至幾億m3。2.2.3頂面邊界滲透率m就地下水庫(kù)主儲(chǔ)水層而言,其邊界條件可分為底部圍巖邊界、上下游斷面邊界和頂部界面。良好的地下水庫(kù)邊界條件應(yīng)是:水能進(jìn)的來(lái)、留的住,要求底部圍巖和下游斷面邊界透水性要差,不利于水的泄出;上游和頂面邊界滲透性要好,有利于地下水的補(bǔ)給。膠東地區(qū)地下水庫(kù)有著較為理想的邊界條件:其庫(kù)區(qū)底部圍巖一般為變質(zhì)巖和巖漿巖,透水性差,下游斷面需構(gòu)筑不透水的截滲墻(壩);上游邊界為地下分水嶺或自然尖滅與基巖相接觸,側(cè)面與基巖接觸邊界附近庫(kù)區(qū)巖性一般為洪坡積物,透水性好于基巖,可接受基巖地下水的側(cè)向補(bǔ)給;在多數(shù)河流的中上游地段,頂部界面相當(dāng)于地表,基本無(wú)弱透水層存在,地表水入滲順暢,在河流近下游或?yàn)I海地段,其頂部存在1~2層相對(duì)弱透水層,一般為砂質(zhì)粘土或淤泥質(zhì)土,為加快地表水入滲,需輔以人工補(bǔ)源措施。2.2.4滿足環(huán)境要求是進(jìn)行地下水庫(kù)建設(shè)的基環(huán)境條件是左右地下水庫(kù)建設(shè)重要因素,它包括兩方面:一是指建庫(kù)前庫(kù)區(qū)污染狀況和是否存在潛在污染,主要是指補(bǔ)給水源的污染和地下是否已存在污染。如果已存在污染,必須經(jīng)過(guò)治理滿足建庫(kù)條件后才能進(jìn)行地下水庫(kù)建設(shè);二是指建立地下水庫(kù)后由于條件變化是否帶來(lái)不利的環(huán)境生態(tài)地質(zhì)問(wèn)題,如影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)或建筑物的安全等。膠東半島的整體環(huán)境狀況良好,區(qū)內(nèi)的大部分重要城市均位于濱海地區(qū),適宜建設(shè)地下水庫(kù)的河流中上游人為污染源較少,因此基本不影響地下水庫(kù)建設(shè)。通過(guò)控制截滲壩高程和人工開采等措施,建設(shè)地下水庫(kù)一般不會(huì)產(chǎn)生次生災(zāi)害,反而通過(guò)涵養(yǎng)水源、截?cái)嗪Ｋ肭侄欣诟纳粕鷳B(tài)地質(zhì)環(huán)境。3低地下水庫(kù)的類型和系統(tǒng)的組成3.1島嶼地下水庫(kù)在膠東半島建設(shè)地下水庫(kù)多需兼顧調(diào)蓄水資源和防止海水入侵的雙重需求,根據(jù)該區(qū)的自然條件,膠東半島所建地下水庫(kù)一般屬于山間溝谷和濱海平原型或二者接合的第四系孔隙型地下水庫(kù),基本均需構(gòu)建地下截滲壩,其庫(kù)容個(gè)別為大型,以中小型居多。這種地下水庫(kù)庫(kù)區(qū)面積主要取決于第四系的分布,主含水層厚度一般小于20m,其特點(diǎn)是建設(shè)難度較小,地下水易采易補(bǔ),利于發(fā)揮地下水庫(kù)的調(diào)節(jié)功能。3.2地下水庫(kù)建設(shè)地下水庫(kù)是由多個(gè)功能要素構(gòu)成的一個(gè)自然-人工復(fù)合系統(tǒng),這個(gè)大系統(tǒng)從對(duì)地下水的作用來(lái)講可大致分為3個(gè)子系統(tǒng):補(bǔ)給滲入系統(tǒng)、儲(chǔ)存徑流系統(tǒng)和開發(fā)與保護(hù)系統(tǒng)。根據(jù)膠東半島地下水庫(kù)的類型及水文地質(zhì)條件,該區(qū)地下水庫(kù)系統(tǒng)構(gòu)成要素如下:3.2.1自然要素水:作為地下水庫(kù)工程的核心,是地下水庫(kù)系統(tǒng)中一直處于不斷變化和循環(huán)的要素(圖1)。地下水庫(kù)儲(chǔ)存、利用的主要水類型是地下水,作為地下水補(bǔ)充來(lái)源的大氣降水、符合條件的各類地表水等都可視作地下水庫(kù)的組成部分。含水介質(zhì)與儲(chǔ)水空間:該區(qū)地下水庫(kù)的含水介質(zhì)為第四系松散沉積物,主要有:卵礫石、各種砂及砂性土。地下水庫(kù)儲(chǔ)水空間即為含水層的孔隙。地下水滲流場(chǎng):地下水的滲流場(chǎng)是地下水運(yùn)動(dòng)的重要特征,滲流場(chǎng)的形成是由地下水的補(bǔ)、徑、排條件和地質(zhì)條件所決定的,水滲流場(chǎng)包括地下水流網(wǎng)形態(tài)分布和地層滲流強(qiáng)度,其中地下水從接受補(bǔ)給到排泄的滲流強(qiáng)度決定了地表水和地下水的轉(zhuǎn)化速度。天然條件下地下水滲流場(chǎng)有其分布規(guī)律和特征,地下水庫(kù)的建設(shè)和使用(截滲流、人工回灌、抽水等)極大地改變了自然條件,地下水滲流途徑和強(qiáng)度都會(huì)發(fā)生很大變化。3.2.2人工要素地表攔蓄水工程:用于涵養(yǎng)地表水源,為地下水庫(kù)提供更加充足的水源補(bǔ)給保證。河流上游的地表水庫(kù)以盡可能多的攔蓄河川徑流為主要目的,是主要的地表蓄水工程;中下游的河道擋水工程用于梯級(jí)截留地表水、延長(zhǎng)河道存、過(guò)水時(shí)間,具有涵養(yǎng)地表水、補(bǔ)給地下水的作用,近河口的攔河壩還是阻止海水沿河上溯的擋潮壩。河道攔蓄水工程包括各種攔截地表水流的壩、閘、堰等。地下截滲工程:是指具備一定強(qiáng)度的各種人工地下防滲墻、壩。主要作用是截?cái)鄟?lái)自上游的地下水潛流,在膠東半島的另一重要作用是形成阻止下游海(咸)水入侵的屏障。地下水開采工程:指用于抽取地下水的各種開采井、集水廊道及附屬構(gòu)筑物等。建地下水庫(kù)就是為了更好的用水,取水工程在地下水庫(kù)效能發(fā)揮中起著重要作用,地下水開采工程主要考慮開采井的形式、分布和能力。補(bǔ)源增滲工程:為了提高地表水和地下水的轉(zhuǎn)化效率、增加地表水入滲量而采取的各種人工措施,包括地表引滲回灌工程和提高地層滲透性能的增滲工程。環(huán)保工程:主要指為防止地表、地下水污染而采取的污水收集、處理、排放工程和垃圾處理工程。監(jiān)測(cè)工程:為保證地下水庫(kù)的可持續(xù)運(yùn)行而采取的對(duì)地下水位、水質(zhì)和環(huán)境變化為主的監(jiān)測(cè)措施。4地下水庫(kù)是建設(shè)區(qū)和水資源調(diào)節(jié)和儲(chǔ)存能力的一部分4.1實(shí)施階段方案一膠東半島是我國(guó)有壩地下水庫(kù)建設(shè)和研究開展比較早的地區(qū)。20世紀(jì)80年代后期,由于連年干旱,地下水嚴(yán)重超采,水位大幅下降,海水入侵發(fā)展迅速,地下水庫(kù)建設(shè)提上日程。1990年第一座小型試驗(yàn)性有壩地下水庫(kù)-龍口八里沙河地下水庫(kù)建設(shè)完成,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,標(biāo)志著膠東半島地下水庫(kù)建設(shè)進(jìn)入實(shí)施階段。自20世紀(jì)90年代以來(lái),膠東半島先后在供水問(wèn)題突出、海水入侵日益嚴(yán)重、生態(tài)條件逐步惡化的龍口市黃水河、青島市大沽河、煙臺(tái)市大沽夾河和萊洲市王河等流域的下游或?yàn)I海地帶建設(shè)了地下水庫(kù)(表1),這4個(gè)地下水庫(kù)均為大中型,總庫(kù)容近7億m3,設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)庫(kù)容3.77億m3,這些地下水庫(kù)的庫(kù)區(qū)集中了半島地區(qū)的主要地下水水源地。地下水庫(kù)的建設(shè)大大提高了地下水的開采保障能力,解除了海水入侵之患,生態(tài)環(huán)境逐漸得以恢復(fù),地下水庫(kù)建設(shè)的水資源效益和環(huán)境效益都十分明顯。4.2建設(shè)地下水庫(kù)的必要性根據(jù)地下水庫(kù)建設(shè)的基本條件分析,在膠東半島適宜建設(shè)地下水庫(kù)的主要地段為河流中下游山間河谷地帶及濱海平原區(qū),這些地段第四系在平面上多呈條帶狀分布,具有一定的面積和厚度,松散層一般呈二元或三層結(jié)構(gòu),主要含(儲(chǔ))水層埋藏較淺,地下水賦存狀態(tài)為潛水或微承壓水,含水層厚度雖一般不是很大,但具有易采易補(bǔ)的特點(diǎn),便于開發(fā)利用,地下水庫(kù)建設(shè)的成本也不高。區(qū)內(nèi)地下水多數(shù)沒有受到明顯污染,環(huán)境狀況良好,基本滿足地下水庫(kù)建設(shè)要求。除已建成的地下水庫(kù)外,在具備建庫(kù)條件的龍口市中村河、蓬萊市平暢河、牟平區(qū)沁水河、榮成市沽河、文登市老母豬河、乳山市黃壘河、青島市白沙河等地均有建設(shè)地下水庫(kù)的需求和意義(圖2,表2),在一些邊遠(yuǎn)地區(qū)意義更大,有的已經(jīng)列入政府建設(shè)規(guī)劃。表中所初步列出的14處地下水庫(kù)均為中小型,總庫(kù)容估算為4.4億m3,估算調(diào)節(jié)庫(kù)容至少應(yīng)在2億m3以上,這些地下水庫(kù)主要以縣級(jí)市及以下城鎮(zhèn)或農(nóng)業(yè)用水為供水目標(biāo)。4.3地下水庫(kù)的效率分析4.3.1建設(shè)單位區(qū)域社會(huì)需資源量的確定根據(jù)以上分析,膠東半島建設(shè)地下水庫(kù)可大幅度提高水資源調(diào)蓄能力,若上述地下水庫(kù)全部建成,總庫(kù)容可達(dá)11.4億m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容近6億m3,較自然條件下年增加水資源供應(yīng)量約2億m3以上,超過(guò)目前實(shí)施的引黃水量,因此地下水庫(kù)建設(shè)的水資源效益顯著。4.3.2水保建庫(kù)效果地下水庫(kù)的建設(shè)涵養(yǎng)了水源,阻斷了海水入侵,生態(tài)環(huán)境顯著改善。以萊州王河地下水庫(kù)為例,于2004年建成后,地下水位明顯回升,海水侵染面積大幅減少,由建庫(kù)前的78.69km2減為25.36km2,減少68%;水質(zhì)改善,供水能力增強(qiáng),在王河下游個(gè)別地段地下水中氯離子含量建庫(kù)后比建庫(kù)前最大減少71.1%,平均減少50.6%,困擾多年的區(qū)內(nèi)人畜吃水困難得以徹底解決,并開辟了新的地下水水源地,確保了萊州三山島新區(qū)和周圍大型礦山企業(yè)三山島金礦、倉(cāng)上金礦等的生產(chǎn)、生活用水;生態(tài)功能逐步恢復(fù),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件大為改善,庫(kù)區(qū)內(nèi)年可增產(chǎn)糧食上萬(wàn)噸,位于王河下游的300余公頃濕地可逐步恢復(fù)。4.3.3經(jīng)濟(jì)效益分析在膠東半島立足當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)和自然地理?xiàng)l件,利用地下水庫(kù)調(diào)蓄水資源經(jīng)濟(jì)效益也十分可觀,其增加的水資源成本遠(yuǎn)小于建設(shè)同等規(guī)模的地表水庫(kù)和調(diào)引客水的費(fèi)用。據(jù)有關(guān)測(cè)算,地下水庫(kù)若按設(shè)計(jì)調(diào)蓄能力運(yùn)行3~5年,其增加的供水效益即可將投入的所有工程成本全部收回。5擴(kuò)大試點(diǎn)地區(qū)水資源,減少水土流失,產(chǎn)水環(huán)境惡化(1)地下水庫(kù)是指充分利用天然地下儲(chǔ)水空間開發(fā)建設(shè)的具有攔蓄、調(diào)節(jié)和利用地下水作用并兼有環(huán)境保