地下水庫(kù)的概念辨析

地下水庫(kù)的概念辨析

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加，人類對(duì)水的需求、依賴和影響呈正比平方向正變得越來(lái)越重要。20世紀(jì)中期,世界各地開(kāi)始大規(guī)模開(kāi)采地下水,認(rèn)為地下水取之不盡、用之不竭,由于過(guò)量開(kāi)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(wèn)題。對(duì)此,人們提出了地下水庫(kù)問(wèn)題。地下水庫(kù)不僅可通過(guò)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(kù)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(shí)空分布不均問(wèn)題,是優(yōu)化水資源配置的一種重要手段。1地下水庫(kù)的概念和發(fā)展趨勢(shì)1.1地表水庫(kù)和地下水庫(kù)地下水庫(kù)概念至今尚無(wú)統(tǒng)一的定義。從水文地質(zhì)角度提出了三種觀點(diǎn):①地下水庫(kù)是地下含水層或天然大型的儲(chǔ)水空間。如杜漢學(xué)等定義地下水庫(kù)為存在于地下的天然大型儲(chǔ)水空間。②地下水庫(kù)是含水層的儲(chǔ)存和回采,包括人工回灌和抽水系統(tǒng)。這一觀點(diǎn)較注重人工干預(yù),國(guó)外提得較多。③地下水庫(kù)是用于儲(chǔ)蓄水資源,便于開(kāi)發(fā)和利用的天然儲(chǔ)水空間。林學(xué)鈺認(rèn)為地下水庫(kù)是便于開(kāi)發(fā)和利用地下水的儲(chǔ)水地區(qū);趙天石認(rèn)為地下水庫(kù)是利用地殼內(nèi)的天然儲(chǔ)水空間儲(chǔ)存水資源的一種地下水開(kāi)發(fā)工程。從水利工程角度出發(fā),不能將單獨(dú)的河流和湖泊定義為地表水庫(kù),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(kù)是指為治理河流和開(kāi)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(kù)的概念,地下含水層和儲(chǔ)水空間類比于地表的河流和湖泊,同理,將單獨(dú)的含水層和儲(chǔ)水空間定義為地下水庫(kù)也是不妥的。趙天石在定義地下水庫(kù)時(shí)將地下水庫(kù)視為一項(xiàng)開(kāi)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(kù)為利用天然地下儲(chǔ)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(kù)。李硯閣、束龍倉(cāng)等認(rèn)為地下水庫(kù)是指以巖石空隙為儲(chǔ)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(kāi)發(fā)利用工程。從水的來(lái)源和取用角度看,地下水庫(kù)與地表水庫(kù)差別較大。地表水庫(kù)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(guò)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(kù)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(kù)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(kāi)采井、集水廊道等取水。地下水庫(kù)的調(diào)蓄需人工干預(yù)地下水補(bǔ)排關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)。從水利工程角度理解,地下水庫(kù)為可持續(xù)利用水資源,是對(duì)地下儲(chǔ)水空間進(jìn)行人工積極干預(yù)的一項(xiàng)水利工程。1.2地下水引發(fā)環(huán)境問(wèn)題20世紀(jì)末,地下水庫(kù)的概念一經(jīng)提出,日本、美國(guó)、荷蘭、以色列、前蘇聯(lián)等國(guó)家就進(jìn)行了研究和工程實(shí)踐,建設(shè)了典型的地下水庫(kù)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(lái),我國(guó)由于缺水引發(fā)了一系列問(wèn)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(wèn)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(duì)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(wèn)題,目前,在我國(guó)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(tái)黃水河及夾河庫(kù)、吉林洮兒河扇形、新疆三工河流域山前、貴州馬官等)開(kāi)展了地下水庫(kù)可行性研究,并提出了地下水庫(kù)的建設(shè)方案,甚至還建議將地下水庫(kù)工程運(yùn)用到南水北調(diào)工程中,以便更好地發(fā)揮地下水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用。2主要水利工程地表水庫(kù)和地下水庫(kù)均為可持續(xù)利用水資源,是以儲(chǔ)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(diǎn),地表水庫(kù)和地下水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度是解決水資源問(wèn)題的發(fā)展方向,國(guó)外Basagaoglu研究較為深入。2.1建設(shè)水庫(kù)的基本條件2.1.1表面儲(chǔ)水池①應(yīng)建在地震烈度相對(duì)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(kù)的調(diào)蓄空間①水源是地下水庫(kù)建設(shè)的前提條件,可以是大氣降水、過(guò)境水、通過(guò)地表河流側(cè)滲補(bǔ)給的水體。②地下水庫(kù)建設(shè)應(yīng)考慮有足夠大的調(diào)蓄空間,即庫(kù)容。較厚的砂質(zhì)土壤、古河道、過(guò)渡開(kāi)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(kù)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(kù)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(chǔ)水池(1)建筑物是防水的針對(duì)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(shí)可降低庫(kù)內(nèi)水位、宣泄庫(kù)內(nèi)水量以確保庫(kù)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(jì)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(yú)道、沉沙池等。2.2.2地下水庫(kù)(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(shì)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(kù)的運(yùn)行,如圖1(a)所示。當(dāng)回灌水量過(guò)大或地下水位高于地下壩壩頂高程時(shí),地下水就會(huì)漫過(guò)壩頂流出庫(kù)區(qū),此時(shí)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(kù)蓄水,另一方面當(dāng)?shù)叵滤怀龅叵聣雾敃r(shí)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(chǔ)水。地下壩頂和壩底高程可類比地表水庫(kù),在地下壩所在位置建地下升降泄水閘,蓄水時(shí)降下閘門(mén),泄水時(shí)升上閘門(mén),或是建立類似于地表水庫(kù)專門(mén)的溢洪道,這點(diǎn)尚待深入研究。(2)解決施在使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)堵塞情況常布設(shè)滲井、滲渠、回灌坑(槽)等對(duì)淺層地下水進(jìn)行補(bǔ)充,對(duì)深層地下水采用回灌井法。這些回灌設(shè)施在使用時(shí)易出現(xiàn)堵塞等狀況,一旦發(fā)生,就會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)取失衡,不利于地下水庫(kù)的運(yùn)行。對(duì)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(jì)反濾層可有效地解決上述問(wèn)題。地下水庫(kù)“肚大口小,能容難進(jìn)”,在地下水庫(kù)建設(shè)中,人工補(bǔ)給工程非常關(guān)鍵,也是最難點(diǎn)。(3)地下水開(kāi)發(fā)利用工程通常設(shè)置地下開(kāi)采井和集水廊道。倘若開(kāi)采合理就能為地下水庫(kù)騰出庫(kù)容,為下一時(shí)期的蓄水提供庫(kù)容支持。(4)地下水管理監(jiān)控系統(tǒng)地下水庫(kù)建成后應(yīng)對(duì)地下水位環(huán)境影響進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。3運(yùn)營(yíng)效率和沖突分析3.1廢壩和廢壩保護(hù)兩國(guó)政策對(duì)海地表水庫(kù)具有防洪、灌溉發(fā)電、航運(yùn)、養(yǎng)殖、旅游等多種功能,社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益顯著。水利工程也會(huì)造成沖突。如對(duì)壩址地質(zhì)情況了解不夠全面,或由于設(shè)計(jì)不合理、洪水漫頂?shù)仍蚴故鹿拾l(fā)生;有些地表水庫(kù)由于管理不善等,泥沙不斷淤積致使清淤等費(fèi)用較大,有的甚至逐漸喪失了使用功能而成為廢壩。美國(guó)等國(guó)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(kāi)始有計(jì)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(duì)立是不正確的。在水利工程建設(shè)中應(yīng)當(dāng)對(duì)生態(tài)保護(hù)高度重視,在取得效益的同時(shí)盡量減小不利影響。3.2“變洪為寶”地下水庫(kù)建設(shè)是一項(xiàng)投資少見(jiàn)效快的工程。大型地下水庫(kù)具有多年調(diào)節(jié)功能,具有儲(chǔ)存和調(diào)蓄水資源的作用。2004年國(guó)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(xiǎn)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(lái)時(shí)要想盡辦法使其盡快入海,所謂的“入海為安”?！白兒闉閷殹笔墙鉀Q水資源短缺的方法,這與地下水庫(kù)建設(shè)中的“豐補(bǔ)”正好吻合。若能實(shí)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(kù)建設(shè)的前期勘查工作較復(fù)雜,需對(duì)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件和水資源情況予以評(píng)價(jià)。地下水庫(kù)由于在地下、不直觀、庫(kù)容確定難、水資源量較難計(jì)算,對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)要求較高。地下水庫(kù)的人工干預(yù)(回灌和開(kāi)采)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程,僅運(yùn)用地下水量平衡理論對(duì)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(shí)變化情況,對(duì)地下水庫(kù)的安全運(yùn)行是不利的。地下水庫(kù)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(kù)中的水污染問(wèn)題是目前地下水庫(kù)建設(shè)理論中的難點(diǎn)。另外,地下水庫(kù)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(huì)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(wèn)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(yùn)行(1)實(shí)踐證明,同等規(guī)模的地下水庫(kù)與地表水庫(kù)相比,投資和運(yùn)行費(fèi)用少、建設(shè)周期較短,是一項(xiàng)投資少見(jiàn)效快的水利工程。(2)地下水庫(kù)的建設(shè)不需動(dòng)遷居民并能保持原有的地形地貌,損失少,與地表水庫(kù)相比,運(yùn)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(duì)較穩(wěn)定,對(duì)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(kù)的合理運(yùn)行不會(huì)出現(xiàn)淤積問(wèn)題,也可確保水質(zhì)質(zhì)量。水體儲(chǔ)