地下水庫發(fā)展的探究

湯洪潔

地下水庫發(fā)展的探究

湯洪潔

（水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院 北京 100120）

地下水庫的發(fā)展在我國(guó)正處于起步階段，有關(guān)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)行管理的若干技術(shù)問題還有待深入研究，逐步完善。根據(jù)修建地表水庫已經(jīng)成熟的經(jīng)驗(yàn)，地下水庫的發(fā)展存在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺乏、規(guī)劃與設(shè)計(jì)理論不健全以及運(yùn)行管理調(diào)度制度不完善等問題。筆者在此提出這幾個(gè)方面的問題和初步研究思路，期望集思廣益，推進(jìn)地下水庫的研究和發(fā)展，起到拋磚引玉的作用。

地下水庫 發(fā)展 水資源

水在人類的生存和發(fā)展中是最基本、最活躍的環(huán)境要素之一，水資源的開發(fā)和利用在人類文明史發(fā)展中占有極其重要的地位。水資源包括地下水和地表水，修建地表水庫對(duì)地表水水資源進(jìn)行開發(fā)和利用一直是流域水資源調(diào)蓄領(lǐng)域中的主流方法，通過對(duì)河流徑流的人工調(diào)節(jié)，改變地表水資源的時(shí)空分布，在防洪、灌溉、供水和發(fā)電等方面發(fā)揮了巨大的作用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，水資源的供需矛盾日益突出，水資源短缺、水環(huán)境污染以及開發(fā)利用不當(dāng)造成的環(huán)境問題等，都對(duì)合理開發(fā)水資源提出了更高的要求和期望。地下水資源的開發(fā)利用、實(shí)現(xiàn)地表水與地下水的聯(lián)合調(diào)度已經(jīng)成為各國(guó)研究和關(guān)注的重點(diǎn)，地下水庫的發(fā)展在我國(guó)也將成為必然趨勢(shì)。

1 地下水庫發(fā)展概況及特征

地下水庫是一種有目的、主動(dòng)地儲(chǔ)存、調(diào)節(jié)、利用地下水資源的水利工程項(xiàng)目。地下水庫的發(fā)展對(duì)水資源的人工調(diào)蓄、地表水和地下水聯(lián)合調(diào)度、生態(tài)環(huán)境問題的控制和修復(fù)、水資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備以及應(yīng)急供水等方面均可發(fā)揮重要的作用。

美國(guó)、瑞典、荷蘭、德國(guó)、日本等許多國(guó)家從20世紀(jì)80年代以來就開始大力推廣利用地下水庫調(diào)蓄水資源的做法，我國(guó)目前在河北、山東等地修建了地下水庫并取得了良好的效果。

我國(guó)目前已建部分大中型地下水庫如表1所示。

表1 目前已建部分大中型地下水庫

地下水庫是一類新興的蓄水水利工程，主要優(yōu)點(diǎn)包括：地下水庫的補(bǔ)給、儲(chǔ)存和供水工程，可實(shí)現(xiàn)地表水、地下水的聯(lián)合利用和調(diào)蓄；可將汛期洪水儲(chǔ)存于含水層，提高流域水資源的利用率；水面蒸發(fā)損失小，提高蓄水有效利用率；不占地、不淹沒、不存在移民搬遷等問題；不存在防洪風(fēng)險(xiǎn)問題，具有較高的安全性；地下水庫砂礫石含水層具有一定的過濾和凈化水質(zhì)的能力。

地下水庫的主要缺點(diǎn)包括：地下水庫蓄水位過高可能導(dǎo)致土壤次生鹽堿化和沼澤化；地下水一旦受到污染，治理難度非常大；地下水量調(diào)節(jié)過程相對(duì)緩慢；地下水庫的水儲(chǔ)存于地下，管理難度相對(duì)較大。

2 地下水庫發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

2.1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）特征庫容。地下水庫的庫容是指地下水庫有效儲(chǔ)水部分空隙體積。與地表水庫相同，也有特定水位下以及兩種限制水位之間的特征庫容之說，只是因?yàn)椴淮嬖诜篮閱栴}，沒有防洪庫容的概念。

這里有一個(gè)重要的概念值得探討，即“總庫容”和“最大調(diào)節(jié)庫容”。地下水庫是以最高蓄水位以下的庫容稱之為“總庫容”。最高蓄水位是指為了防止毛細(xì)水上升產(chǎn)生次生鹽堿化的地下允許最高水位，最低蓄水位是指為了防止地下水位過低引起生態(tài)環(huán)境惡化的地下允許最低水位，最高蓄水位與最低蓄水位之間的庫容稱之為“最大調(diào)節(jié)庫容”。由于地下水庫地下儲(chǔ)水空間的深度可超過幾百米，深層地下水所占的庫容有可能成為庫容的主體，而從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)的角度出發(fā)，僅能讓有限深度的地下水參與水庫的調(diào)節(jié)，因此，總庫容就很難真實(shí)地反映地下水庫的實(shí)際規(guī)模。筆者認(rèn)為，采用“最大調(diào)節(jié)庫容”來反映地下水庫庫容的大小，從而確定地下水庫的規(guī)模比較合適。

（2）地下水庫分級(jí)。為便于推廣，地下水庫的分級(jí)宜與地表水庫的相關(guān)概念和理論銜接。地表水庫根據(jù)總庫容指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2?？紤]到地下水庫的計(jì)算不如地表水庫精確，分級(jí)不宜過細(xì)。李硯閣提出的地下水庫分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表2 地表水庫分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表3 地下水庫分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

筆者認(rèn)為，參考《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2000）等規(guī)范，考慮到地下水庫發(fā)展主要是灌溉和供水要求等，地下水庫的分級(jí)宜與地下水庫的規(guī)模和功能相對(duì)應(yīng)，為規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)的安全性提供依據(jù)。即地下水庫的等級(jí)不僅與庫容有關(guān)系，而且與灌溉面積的大小、供水對(duì)象的重要性等相關(guān)。其中，灌溉面積與重要性的分級(jí)可與地表水庫一致，而庫容指標(biāo)則采用最大調(diào)節(jié)庫容。

2.2建庫條件

地下水庫建設(shè)必須具備兩個(gè)基本條件：足夠的地下儲(chǔ)水空間以及充足的水源。此外，還應(yīng)考慮環(huán)境生態(tài)條件和可持續(xù)條件。

（1）地下儲(chǔ)水空間。地下水庫儲(chǔ)水空間是指可以富集地下水的地質(zhì)構(gòu)造。影響地下水庫儲(chǔ)水空間的主要因素是地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、自然地理?xiàng)l件和人為因素等。地層巖性決定儲(chǔ)水空間的蓄水能力，如砂卵石層或具有巖溶構(gòu)造的石灰?guī)r、白云巖等。地質(zhì)構(gòu)造影響和控制儲(chǔ)水空間的蓄水能力，如節(jié)理、裂隙、斷層構(gòu)造帶等。自然地理?xiàng)l件包括氣候、地形、河流等因素，對(duì)地下水庫儲(chǔ)水空間的形成和地下水的賦存有重要影響。人為因素指建設(shè)水利工程有目的地影響和改變地下水的儲(chǔ)存、補(bǔ)給、徑流和排泄等。

可以看出，地下水庫的建庫條件與地表水庫一樣，要求對(duì)工程區(qū)的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件進(jìn)行全面的調(diào)查和勘探，尋找適宜的庫址，查明地下水庫庫區(qū)范圍，確定需要修建的工程。由于地下水庫儲(chǔ)水空間埋藏于地下，不可見，一切工作的前提就是水文地質(zhì)調(diào)查。水文地質(zhì)調(diào)查宜根據(jù)不同地區(qū)類型及地下水資源的分布和特點(diǎn)，通過儀器和設(shè)備采用合適的水文地質(zhì)物探方法進(jìn)行。

（2）水源。水源是建設(shè)地下水庫的先決條件。地下水庫補(bǔ)給包括地下徑流補(bǔ)給水、天然補(bǔ)給水和人工補(bǔ)給水。我們談的主要是利用水利設(shè)施人工干預(yù)對(duì)地下水庫進(jìn)行補(bǔ)給的水源工程，如通過閘壩攔蓄汛期洪水；地表水庫汛期來臨前的水庫棄水；灌溉用水中的渠道退水；湖泊、坑、塘、洼地蓄水以及工業(yè)用水后處理過的中水等等。應(yīng)注意的是，水源水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)原則上不低于地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ級(jí)。

（3）環(huán)境生態(tài)條件。地下水不易受到污染，但是一旦受到污染，治理起來是非常困難的。地下水污染源種類很多，首先要杜絕水源本身的污染；利用工程措施抵擋周圍污染源的入侵；通過工程運(yùn)行調(diào)度，防止出現(xiàn)地下水位下降及次生鹽堿化等生態(tài)環(huán)境惡化問題。

上述三個(gè)建庫條件的研究，最終要保障地下水庫建設(shè)和運(yùn)行的可持續(xù)性發(fā)展。

2.3工程總體規(guī)劃

（1）工程建設(shè)的必要性。參照地表水庫規(guī)劃的設(shè)計(jì)內(nèi)容，首先須論述工程建設(shè)的必要性和迫切性?？梢越梃b地表水庫規(guī)劃要點(diǎn)進(jìn)行論述，例如工程所在流域的規(guī)劃成果及審查的主要結(jié)論、工程區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀及近遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃、工程區(qū)水資源特點(diǎn)及利用開發(fā)情況等。

（2）工程任務(wù)和規(guī)模。從目前已建地下水庫工程來看，地下水庫的工程任務(wù)主要包括城鎮(zhèn)和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉、以及防治海水入侵和恢復(fù)地下水生態(tài)等。城鎮(zhèn)和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉的工程規(guī)模確定的方法可參照地表水庫相關(guān)規(guī)劃內(nèi)容，根據(jù)供水區(qū)范圍、供水對(duì)象、供水保證率以及灌區(qū)范圍、灌溉制度、灌溉保證率等進(jìn)行供需平衡分析后，合理確定工程規(guī)模。防治海水入侵和恢復(fù)地下水生態(tài)的地下水庫可根據(jù)工程所在地海水入侵狀況和地下水生態(tài)現(xiàn)狀，說明其對(duì)地下水庫的要求。

（3）地下水庫調(diào)節(jié)計(jì)算。地下水庫調(diào)節(jié)計(jì)算主要指地下水量的調(diào)節(jié)計(jì)算，包括地下水補(bǔ)給量、排泄量的計(jì)算，其計(jì)算方法主要借鑒水文地質(zhì)或地下水水文學(xué)的計(jì)算方法，與地表水庫的調(diào)節(jié)計(jì)算有很大不同，宜總結(jié)國(guó)內(nèi)外已建工程相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，研究并形成系統(tǒng)的調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算理論，合理確定特征水位和特征庫容，滿足水庫功能的需要。

2.4工程總體設(shè)計(jì)

（1）工程總布置。一個(gè)完整的地下水庫工程主要由水源工程、補(bǔ)給區(qū)工程、儲(chǔ)存區(qū)工程、排水區(qū)工程等部分組成。

水源工程與補(bǔ)給區(qū)工程是聯(lián)系在一起的，通過在補(bǔ)給區(qū)修建水利設(shè)施將各種水源輸送到儲(chǔ)存區(qū)。根據(jù)規(guī)劃中關(guān)于水源的論證成果，考慮到地下水庫規(guī)模、輸水時(shí)對(duì)水質(zhì)的影響、輸送距離、輸水損失、輸水效率等因素，應(yīng)對(duì)不同的輸送方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

儲(chǔ)存區(qū)就是根據(jù)規(guī)劃中對(duì)地下水庫庫址的論證成果，通過修建地下壩形成封閉的儲(chǔ)水空間，并使補(bǔ)給水到達(dá)用戶需要的最有利的開采位置。排水區(qū)就是通過工程措施將不合乎水質(zhì)要求的水、多余的水排到區(qū)外，將用戶需要的水供給用戶。

（2）主要建筑物設(shè)計(jì)。地下水庫的建筑物設(shè)計(jì)主要包括地下壩設(shè)計(jì)、補(bǔ)給工程設(shè)計(jì)、開采工程設(shè)計(jì)、排水工程設(shè)計(jì)等。地下壩設(shè)計(jì)可參考地表水庫深覆蓋層用到的防滲墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；補(bǔ)給工程也就是回灌水工程，與開采工程設(shè)計(jì)類似，根據(jù)地下水埋深不同，可分別參考單井或滲渠的設(shè)計(jì)方法。排水工程可根據(jù)排泄水的不同性質(zhì)，有針對(duì)性地提出工程處理措施，目的就是確保地下水庫的安全，且不影響生態(tài)環(huán)境。

（3）安全監(jiān)測(cè)。地下水庫不僅有地下水參與，而且涉及地表水。需要監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要包括蒸發(fā)量、降水量等氣象條件，地表水的水質(zhì)、水量，地下水的水位、水質(zhì)、水文、補(bǔ)給量、開采量，以及土壤的含水量、含鹽量、地表生態(tài)環(huán)境信息等。宜對(duì)地下水庫安全監(jiān)測(cè)進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)，統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一應(yīng)用，達(dá)到安全可靠、先進(jìn)實(shí)用、高度整合的目的和要求。

（4）運(yùn)行管理。地下水庫的發(fā)展離不開地下水庫管理制度的建立和完善。我國(guó)地下水庫起步較晚，管理方面的研究和實(shí)踐較少，宜盡快建立地下水庫的管理體系和相關(guān)的法律法規(guī)。主要內(nèi)容宜包括：地下水庫的組織機(jī)構(gòu)、隸屬和管理權(quán)限；地下水庫的水權(quán)問題；庫區(qū)范圍內(nèi)的地下水開發(fā)與管理；庫區(qū)范圍內(nèi)地表水、地下水、水質(zhì)、水量的監(jiān)測(cè)、管理與調(diào)度；庫區(qū)范圍內(nèi)水資源工程建設(shè)、庫區(qū)范圍（包括影響范圍）與水有關(guān)的生態(tài)環(huán)境問題。

3 地下水庫發(fā)展前景

我國(guó)地下水開采量居世界第三位，但是地下水人工補(bǔ)給量所占地下水開采量的比例甚小。近十幾年來，地下水資源開發(fā)利用水平在不斷提高，地下水位持續(xù)下降造成的一系列的生態(tài)環(huán)境問題越來越嚴(yán)重。地下水資源的合理有效利用以及地表水和地下水的聯(lián)合調(diào)度越來越顯得十分重要和迫切。

根據(jù)最近的研究資料表明，在我國(guó)多地存在建設(shè)大型地下水庫的優(yōu)越地形地質(zhì)條件。

新疆瑪納斯流域流域水資源時(shí)空分布很不均勻，豐水期6～9月份的徑流量占全年徑流量的70%。夏季大量的洪水未被有效利用，而春秋兩季水資源短缺嚴(yán)重。該流域巨大的前山帶構(gòu)造洼地和巨厚的山前沖洪積扇構(gòu)成了建設(shè)地下水庫的有利條件。經(jīng)初步研究，瑪納斯流域地下水庫調(diào)蓄空間巨大，山前帶山前洼地地下水庫可調(diào)節(jié)庫容為20.4億m3，沖洪積扇地下水庫可調(diào)節(jié)庫容6.3億m3。新疆塔里木盆地各個(gè)流域山前沖洪積扇溢出帶以上，存在著水質(zhì)優(yōu)良、水量豐富的“天然地下水庫”。新疆阿克蘇地區(qū)臺(tái)蘭河地下水庫一期工程已經(jīng)建成，發(fā)揮了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

黑龍江三江平原是黑龍江、松花江、烏蘇里江沖積洪積平原，具有面積大、含水層厚、巖性顆粒粗、無隔層、容水量大、傳導(dǎo)性強(qiáng)、調(diào)節(jié)潛力大等優(yōu)勢(shì)。低平原區(qū)地下具有10～300m不等砂礫含水層，容水系數(shù)可為0.15，若按20m含水層作為可調(diào)節(jié)庫容，其量達(dá)150億m3。通過地下水庫水位的調(diào)節(jié)，還可以防治澇漬鹽堿。

陜西關(guān)中地區(qū)既是資源性嚴(yán)重缺水的地方，也是高強(qiáng)度洪災(zāi)頻發(fā)的地區(qū)。秦嶺山前支流密布，汛期產(chǎn)生大量洪水，而秦嶺山前的洪積扇群沉積了巨厚的砂卵石層，為截洪引滲、修建地下調(diào)節(jié)水庫提供了良好的條件。南水北調(diào)受水區(qū)也提出了利用地下水庫，對(duì)南水北調(diào)中線富余水回補(bǔ)地下水的調(diào)蓄策略。

北京市的70%用水來自地下水，地下水資源對(duì)北京地區(qū)的生產(chǎn)生活起到非常重要的作用。作為北京市的戰(zhàn)略性后備水源地，平谷盆地的地下水庫研究已開展多年，研究表明現(xiàn)狀調(diào)蓄庫容可達(dá)5.33億m3。另外，經(jīng)論證北京西部永定河地下水庫具有較好的水資源回灌能力、儲(chǔ)存能力，地下水人工調(diào)蓄可起到明顯的效果。

上述工程還在探索和研究中，可以看出，地下水庫的發(fā)展是未來水資源調(diào)蓄的必然趨勢(shì)，是將來水利發(fā)展的重要任務(wù)。目前由于地下水庫規(guī)劃設(shè)計(jì)相關(guān)的法律、規(guī)范等不健全，地下水庫的發(fā)展受到了制約。建議能在國(guó)內(nèi)已建地下水庫工程的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)研究力度和深度，盡快形成適合我國(guó)地下水庫規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)行管理等一系列的理論、制度和規(guī)范，為地下水庫的發(fā)展提供強(qiáng)大的科學(xué)支撐。

1 李硯閣.地下水庫建設(shè)研究.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2007.

2 李旺林，劉長(zhǎng)余，湯懷義.地下水庫設(shè)計(jì)理論與工程實(shí)踐.鄭州：黃河水利出版社，2012年.

3 王文明，王文科，程旭光.瑪納斯河流域地下水庫調(diào)蓄能力研究，水資源保護(hù)，2010，1:26.

4 李海波，李貴勤，劉永富.論三江平原建設(shè)地下水庫優(yōu)勢(shì).黑龍江水利科技，2011，3:9.

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1672-2469(2014)06-0004-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.06.002

湯洪潔（1972年—），女，教授級(jí)高級(jí)工程師。