人工湖補(bǔ)充地下水試驗(yàn)研究

葛曉通

(河北工程大學(xué) 水電學(xué)院，河北 邯鄲 056021)

1 概 述

水是維持地球生物的必需物質(zhì)，是人類進(jìn)行生產(chǎn)、生活的重要資源。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地下水資源消耗量逐年增加，長期超采致使地下水位大幅下降，在集中開采地帶，大型區(qū)域性地下水降落漏斗不斷出現(xiàn)，供水環(huán)境不斷惡化。戰(zhàn)略儲備資源、供水資源的嚴(yán)重不足，已制約了華北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在華北平原地下水日益惡化的供水環(huán)境下，開展人工湖補(bǔ)充地下水是較為有效的措施。

目前，一些發(fā)達(dá)國家已建成數(shù)百座地下水庫，用于保護(hù)和改善地下水環(huán)境、高效利用現(xiàn)有水資源。如美國、歐盟 12 國、加拿大、沙特阿拉伯、日本、印度等，傳統(tǒng)修建地表水庫儲水方法已不再使用，改為利用地下含水層的廣闊空間，建立地下水庫[1]，恢復(fù)地下水資源。中國北京、遼寧、臺灣、山東等地區(qū)向地下含水層中補(bǔ)水以改善和恢復(fù)地下水資源。華北平原補(bǔ)充地下水的研究前人已作過大量工作，張云[2]等認(rèn)為利用外調(diào)水源對其地下水進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)蓄，將是解決這種困擾的重要途徑之一。許廣明[3]等認(rèn)為要改善或遏制華北平原地下水日趨惡化的供水環(huán)境，開展地下水人工調(diào)蓄是較為有效的措施。張光輝[4]認(rèn)為對灌溉農(nóng)業(yè)進(jìn)行規(guī)?；岛摹p蒸、節(jié)水改造，是緩解華北平原水資源緊缺和地下水超采的有效方法。陳海波[5]等在對補(bǔ)充地下水新途徑的探討中提到保持地下水采補(bǔ)平衡與發(fā)展井灌，節(jié)水、回灌是兩個重要舉措，并且就采用科學(xué)種田新方法、改進(jìn)耕作方式、利用雨季增加雨水回灌量等問題進(jìn)行了探討。農(nóng)業(yè)節(jié)水成功經(jīng)驗(yàn)較多，但對回灌地下水有效的方法介紹較少。

本文是基于上述研究成果，針對華北平原目前面對的水危機(jī)壓力[6]，選擇邯鄲市館陶縣為試驗(yàn)地點(diǎn)，結(jié)合其環(huán)境地質(zhì)條件，通過水平衡原理進(jìn)行系統(tǒng)分析，利用衛(wèi)西干渠補(bǔ)充地下水資源的技術(shù)方法等問題進(jìn)行了相關(guān)探討，為補(bǔ)充地下水[7]途徑提供了新的思路。

2 試驗(yàn)具體介紹

館陶縣隸屬河北省邯鄲市，海河流域黑龍港上游，位于華北平原地區(qū)，總面積456.3 km2。21世紀(jì)初，邯鄲市館陶縣地下水平均水位埋深在20～25 m之間，近些年有持續(xù)下降的趨勢。試驗(yàn)湖為河北省邯鄲市館陶縣衛(wèi)西干渠西側(cè)兩個人工湖，地理坐標(biāo)為N36°31′，E115°15′。衛(wèi)西干渠全長37.5 km，館陶縣共有坑塘690個，蓄排澇渠道12條，水利化程度達(dá)90%。

試驗(yàn)擬將上述人工湖作為封閉的系統(tǒng)，兩者可通過閘門連接衛(wèi)西干渠，兩湖之間無連接。水平衡指用水單位的各用水單元或系統(tǒng)的輸入水量之和應(yīng)等于輸出水量之和[8]，由水平衡原理可得以下公式：

Qin-ET+R-I-Qout=ΔV

(1)

式中：Qin為通過閘門進(jìn)入人工湖水量；ET為蒸發(fā)量；R為降雨量；I為入滲水量；Qout為通過水泵抽出人工湖水量；ΔV為湖水總體積變化量。

試驗(yàn)儀器包括：①高精度的瑞士KELLER傳感器，可記錄水位、水壓力、溫度等數(shù)據(jù)。工作頻率為每4 min記錄一次數(shù)據(jù)，工作環(huán)境是保持其一端在空氣中，一端在水中，其內(nèi)存可持續(xù)工作一個月；②下載安裝適用于Windows7系統(tǒng)的Logger 5.1電腦軟件；③蒸發(fā)皿里面的水只能通過蒸發(fā)作用揮發(fā)到空氣中，通過外界降雨和人工補(bǔ)給進(jìn)入蒸發(fā)皿。對于蒸發(fā)條件來說，蒸發(fā)皿與湖水面相接觸保證兩者相同的環(huán)境條件(溫度、降雨、風(fēng)速、濕度等)。4個角固定的泡沫保證了蒸發(fā)皿的穩(wěn)定性，也避免了浪花進(jìn)入蒸發(fā)皿影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。在蒸發(fā)皿中心鐵管中，放置瑞士KELLER傳感器來記錄蒸發(fā)皿內(nèi)水位、水壓力、溫度等數(shù)據(jù)；④其他儀器包括小型無人機(jī)、水準(zhǔn)儀、土壤分析儀等。蒸發(fā)皿與KELLER傳感器安裝現(xiàn)場見圖1。

圖1 KELLER傳感器與蒸發(fā)皿安裝現(xiàn)場圖Fig.1 KELLER sensor and Evaporation pan installation site diagram

3 分析過程

3.1 水位、蒸發(fā)量、入滲率、溫度等數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過2016年3月7日至5月10日的測量，通過Logger5.1電腦軟件連接蒸發(fā)皿、湖一湖二以及衛(wèi)西干渠里的KELLER傳感器記錄其每段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)。蒸發(fā)皿管壁上安裝有一個豎直放置的鋼尺，可以讀出一段時間后蒸發(fā)皿水深變化量。若每兩次去現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)的時段內(nèi)無自然降雨，因蒸發(fā)皿與試驗(yàn)湖處于完全相同的環(huán)境條件，則蒸發(fā)皿里的水位下降深度可近似認(rèn)為是該時段湖面蒸發(fā)水深值；若有自然降雨，則與氣象部門聯(lián)系取得這段時間的某次降雨量，加入館陶入滲模型[9]當(dāng)中。

實(shí)際試驗(yàn)中，取試驗(yàn)湖與衛(wèi)西干渠連接閘門上的一個點(diǎn)作為固定參照點(diǎn)，每次去現(xiàn)場用塔尺測量人工湖水面與該參照點(diǎn)間的垂直距離，計算出每個時間段內(nèi)試驗(yàn)湖水位手測變化值。單位時間內(nèi)通過地表單位面積入滲到土體中的水量稱為入滲率[10]，通過計算分析，試驗(yàn)湖與衛(wèi)西干渠的水位、蒸發(fā)量、入滲率、溫度等數(shù)據(jù)的變化情況見圖2～圖7。

圖2反映了湖一中的水位自3月7日至5月10日的變化過程。紅色曲線為經(jīng)修正從傳感器中計算出的數(shù)據(jù)，匹配上現(xiàn)場選定參照點(diǎn)手測數(shù)據(jù)，可以看出二者的匹配程度理想。

圖2 湖一中的水位隨著時間變化情況Fig.2 Water level over time of lake 1

圖3反映了湖一中的蒸發(fā)皿自3月7日至4月30日累計蒸發(fā)量。試驗(yàn)中需讀取蒸發(fā)皿豎直鋼尺上的數(shù)值，且記錄加水后鋼尺上的數(shù)值，得到一個特定時段蒸發(fā)水深值，這是圖3中在同一個時間節(jié)點(diǎn)有兩個手測數(shù)據(jù)的緣由。結(jié)合通過電腦連接蒸發(fā)皿鐵管內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)，計算出3月7日至4月30日每日蒸發(fā)量為0.004 1 m/d。可以看出，累計蒸發(fā)量曲線持續(xù)上升，見圖3紅色曲線。

圖3 蒸發(fā)皿中累計蒸發(fā)量Fig.3 Cumulative evaporation from evaporation pan

圖4反映了以時間和入滲率為橫縱坐標(biāo)，從3月8日至5月7日隨時間變化的湖水入滲率?？梢钥闯觯霛B率在0.025～0.06 m/d之間，3月28日入滲率最大為0.06 m/d，4月14日入滲率最小為0.025 m/d。

圖4 隨著時間推移入滲率變化情況Fig.4 Infiltration rate over time

圖5反映了基于每日入滲率平均值隨湖水深度的變化情況。由紅色直線可以看出，其符合入滲率隨湖水深度增加而線性增加的變化規(guī)律，符合預(yù)期設(shè)想。

圖6反映了3月8日至5月10日空氣與湖水的溫度對比中，湖水每日平均溫度比空氣每日平均溫度高，湖水的比熱容比空氣大故其變化過程更加平緩，空氣與湖水的溫度都隨氣候逐漸回暖呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢。通過對比蒸發(fā)皿傳感器中每日平均蒸發(fā)量和通過式(2)計算蒸發(fā)量結(jié)果可看出，計算蒸發(fā)量的變化趨勢更加平緩，兩者擬合程度較好，說明本試驗(yàn)蒸發(fā)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高。

(2)

式中：E0為蒸發(fā)量；Tm=T+0.006h；T為每日溫度平均值；h為海拔值；A為緯度坐標(biāo)值；Td為露點(diǎn)溫度值。

圖5 基于每日入滲率平均值隨水深變化情況Fig.5 Infiltration rate based on daily average values

圖6 溫度和蒸發(fā)量隨時間變化情況Fig.6 Temperature and evaporation plot on daily average

圖7反映了蒸發(fā)皿內(nèi)水溫與湖水水溫的變化過程?？梢钥闯?，蒸發(fā)皿水溫比湖水水溫稍高，計算均值高約1.02℃。蒸發(fā)皿里水溫突變原因是隨著蒸發(fā)皿內(nèi)水位下降，傳感器直接與金屬管壁接觸，使其數(shù)據(jù)在短時間內(nèi)變大。整個試驗(yàn)過程兩者溫度值非常接近，相關(guān)系數(shù)達(dá)96%，符合試驗(yàn)假定蒸發(fā)皿與湖面保持相似自然條件的假定，確保試驗(yàn)中蒸發(fā)量計算準(zhǔn)確。

圖7 蒸發(fā)皿和湖一水溫隨試驗(yàn)時間變化情況Fig.7 Water temperature of evaporation pan and lake 1 over time

3.2 入滲體積計算過程

經(jīng)小型無人機(jī)飛行測量可知，兩個人工湖平均表面積為35 900 m2，平均水深值為3.19 m。經(jīng)測量，試驗(yàn)前水位已經(jīng)下降0.91 m，故試驗(yàn)過程中水位變化值為2.28 m。試驗(yàn)期內(nèi)，蒸發(fā)水位變化值為0.3 m，占總水位變化值的13.16%，試驗(yàn)周期內(nèi)入滲水位變化值為1.98 m。試驗(yàn)進(jìn)行前，水位變化值中蒸發(fā)水位變化值為0.12 m，入滲水位變化值為0.79 m。整個人工湖入滲水位變化值為2.77 m，總?cè)霛B體積為99 443 m3。

3.3 人工湖補(bǔ)充館陶縣多年平均地下水超采量可行性分析

根據(jù)《河北省館陶縣水資源評價》，館陶縣多年平均水資源總量為6 229.9×104m3，人均水資源占有量為207.9 m3，屬水資源嚴(yán)重不足縣。館陶縣地下水多年平均可開采量為5 751.5×104m3，現(xiàn)狀年地下水實(shí)際開采量為7 734×104m3，超采量為1 982.5×104m3，地下水開發(fā)利用程度為134.5%，超出率達(dá)34.5%，屬于嚴(yán)重超采。通過試驗(yàn)可知，建造表面積3.6×104m2、平均深度3.19 m的人工湖，蒸發(fā)入滲時期總?cè)霛B水量約為10×104m3，故需要198個同等規(guī)模的人工湖補(bǔ)充館陶縣多年平均超采量。已知館陶縣共有坑塘690個，可以通過修繕已有坑塘，衛(wèi)西干渠汛期將水儲存于距離渠道較近的坑塘，利用坑塘的入滲作用補(bǔ)充館陶縣地下水量。

3.4 應(yīng)對水資源短缺其他方法的思考

3.4.1 水資源短缺概念

水資源短缺[12]指水資源相對不足，滿足不了人們正常生產(chǎn)、生活和生態(tài)的需求。用戶的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活 、環(huán)境等用水需求得不到保障是水資源短缺的具體表現(xiàn)，與水資源數(shù)量及其經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、時空分布、氣候條件、用水習(xí)慣等因素有關(guān)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口激增，對水資源的需求不斷增加，加上對水資源不合理的開發(fā)利用，不同程度的缺水問題出現(xiàn)在不同國家和地區(qū)[13]。

3.4.2 解決水資源短缺問題的方法

筆者認(rèn)為解決水資源短缺問題[14]迫在眉捷,應(yīng)“節(jié)流”與“開源”并舉?？蓮恼块T和當(dāng)?shù)厝罕妰煞矫娣治觯挚煞譃楹侠矸峙?、增加供?yīng)、增強(qiáng)保護(hù)[15]3個方面。政府部門方面：①重新制定水價收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)；②修建水庫存蓄水資源，合理利用地下水、跨流域調(diào)配水資源；③積極發(fā)展新型科技，使海水淡化早日實(shí)現(xiàn)；④輸水渠道內(nèi)襯，提升渠道水利用率；⑤做好人民群眾保護(hù)水資源的宣傳工作等。當(dāng)?shù)厝嗣穹矫妫孩僬{(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)[16]，盡可能種植節(jié)水抗旱品種；②采取蔬菜膜下滴灌、鋪設(shè)微噴帶、固定式噴灌等節(jié)水措施；③提高農(nóng)作物種植技術(shù)，減少回流等。

4 結(jié) 論

21世紀(jì)以來，針對地下水水位連年下降問題有3種應(yīng)對方法：①水資源再分配；②減少使用量；③增加供應(yīng)量。本文著眼于第三點(diǎn)，以館陶縣具體人工湖為例，應(yīng)用蒸發(fā)皿、瑞士KELLER傳感器及Logger5.1電腦軟件等，計算出表面積為3.6×104m2、平均深度為3.19 m的人工湖，蓄滿一次補(bǔ)充地下水水量約為10×104m3，為華北地區(qū)實(shí)際補(bǔ)充地下水水量提供了新的思路。