地下水超采綜合治理方案與實(shí)踐效果分析

鐘澤文 廣東省水利水電建設(shè)有限公司

地下水是重要的淡水資源之一，在我國(guó)地表水稀缺的北方地區(qū)是主要供水水源。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加，社會(huì)對(duì)水資源需求量也持續(xù)增長(zhǎng)。由于長(zhǎng)期以來(lái)過(guò)度使用地下水，導(dǎo)致許多依賴地下水資源的地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重超采，并因此產(chǎn)生一系列問(wèn)題，地下含水層疏干、地面沉降/開(kāi)裂、濱海城市海水/咸水入侵、土地荒漠化、地下水污染等是其典型危害。超采地下水資源不僅影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，而且威脅人的生存和健康。但治理地下水超采關(guān)聯(lián)多種利益，為了平衡各種利益需進(jìn)行綜合治理。本文從水利工程角度探討了地下水超采綜合治理方案和實(shí)踐效果。

1.地表水替代地下水

地下水超采的首要原因是水資源供求失衡，當(dāng)水資源需求量大于當(dāng)?shù)厮Y源供應(yīng)量時(shí)，超量開(kāi)采地下水問(wèn)題就出現(xiàn)了，所以治理地下水超采的一個(gè)重要措施即開(kāi)源— 用地表水替代地下水。由于地下水超采地區(qū)本身地表水資源稀缺，所以一般會(huì)引入外來(lái)地表水，其中南水北調(diào)和引黃工程是兩個(gè)外引地表水的案例。

1.1 南水北調(diào)工程

南水北調(diào)工程是從長(zhǎng)江中上游取水，跨越多個(gè)省市的大型水利工程。該工程解決了水資源匱乏地區(qū)生產(chǎn)生活和工農(nóng)業(yè)用水問(wèn)題。以華北某市為例，在南水北調(diào)工程通水前，地下水開(kāi)采量占當(dāng)年總供水量的85%以上，根據(jù)地下水位等值線圖，形成數(shù)個(gè)地下水位降落漏斗，漏斗總面積超過(guò)4000km。南水北調(diào)工程通水后，該地區(qū)10余條河流接受了外調(diào)生態(tài)補(bǔ)水，替代了相當(dāng)部分的地下水資源，由于大幅度壓減了地下水開(kāi)采量，地下水位漏斗明顯緩和，同時(shí)地下水水質(zhì)明顯改善，溶解性固體總量（TDS）和硬度也有所下降。

1.2 引黃工程

黃河流域周圍城市可以通過(guò)引入黃河水替代地下水開(kāi)采，但黃河水量不足，這些城市可以建設(shè)引黃水庫(kù)，在汛期收集黃河水。水庫(kù)容量和數(shù)量可以根據(jù)黃河汛期水量歷史資料和該地區(qū)地下水超采量綜合決定。以某地區(qū)引黃工程為例，建有2座引黃水庫(kù)，總庫(kù)容達(dá)2000萬(wàn)m，可代替地下水300萬(wàn)m。為此，鋪設(shè)了水庫(kù)管網(wǎng)，向部分用戶供水，并通過(guò)干渠、泵站引水灌溉農(nóng)田。

1.3 攔蓄雨洪水工程

北方地區(qū)雨季時(shí)間較短，但汛期仍有大量雨洪水，由于缺少攔蓄工程，這些地表水資源白白流失了，又因?yàn)檩^長(zhǎng)的旱季缺水而大量開(kāi)采地下水，導(dǎo)致地下水超采，針對(duì)這種情況可考慮建設(shè)雨洪攔蓄工程。以北方某市為例，現(xiàn)有水庫(kù)容量較小，存蓄雨洪水能力不足，為此將庫(kù)容擴(kuò)大1倍以上，達(dá)到1000萬(wàn)m以上。實(shí)施該工程不僅提高了防洪能力，也極大緩解了當(dāng)?shù)亻_(kāi)采地下水的壓力。主要技術(shù)手段包括抬高壩頂、加寬壩寬、壩體壩基防滲、改善上游護(hù)坡、處理壩基液化等。該工程的建設(shè)增加雨洪攔蓄能力800萬(wàn)m，可替代地下水1.8萬(wàn)m/d，每年可減少地下水開(kāi)采量657萬(wàn)m。

1.4 水系連通工程

河湖等水系連通，可以有效調(diào)配地表水資源，促進(jìn)不同區(qū)域水資源協(xié)調(diào)分布，不僅解決了缺水地區(qū)地表水資源不足的問(wèn)題，也改善了生態(tài)環(huán)境。例如某市有2條過(guò)境河流和1條跨境引黃干渠，將這些水系連通起來(lái)構(gòu)成網(wǎng)狀水系，促使各區(qū)域水資源供需平衡，減少地下水超采區(qū)域采水量。

2.高效節(jié)水

本文上1章分析了解決水資源供求失衡的措施之一— 開(kāi)源，下面將討論另一個(gè)重要措施— 節(jié)流，即通過(guò)采用高效節(jié)水技術(shù)減少水資源消耗量，從而降低地下水開(kāi)采量。

2.1 節(jié)水灌溉

農(nóng)業(yè)用水是水資源消耗的大戶，一些地區(qū)農(nóng)業(yè)用水占社會(huì)總用水量的70%以上，而農(nóng)業(yè)用水主要是灌溉用水，所以節(jié)水灌溉的節(jié)水潛力巨大。節(jié)水灌溉分工程節(jié)水灌溉和非工程節(jié)水灌溉兩個(gè)層面，本文主要討論工程層面的節(jié)水灌溉措施。工程節(jié)水灌溉措施按照應(yīng)用環(huán)節(jié)分為輸水節(jié)水措施和田間灌水節(jié)水措施。輸水節(jié)水措施又包括渠道防滲措施和管道輸水措施，田間灌水節(jié)水措施根據(jù)灌溉方式分為噴灌、微灌等方式。

渠道防滲節(jié)水效果分析：根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，土渠水利用系數(shù)約為0.51，即輸送1m水將有0.51m水得到利用。如果采用漿砌石防滲可減少滲漏損失約55%，如果采用混凝土護(hù)面防滲可減少滲漏損失約65%，如果采用塑料薄膜防滲可減少滲漏損失約75%，渠道防滲處理后平均水利用系數(shù)可達(dá)0.72，所以渠道防滲節(jié)水效果還是比較明顯的。

采用混凝土管、塑料管替代渠道輸水，可減少輸水沿程中的滲漏損失和蒸發(fā)損失，水利用系數(shù)可達(dá)0.95以上，比渠道防滲節(jié)水20%以上。

噴灌是利用水泵加壓或自然落差的重力勢(shì)能加壓送到田間，經(jīng)噴頭噴射為細(xì)小水滴，均勻灌溉到田間作物及土壤中，在風(fēng)力不大地區(qū)使用，水利用系數(shù)可達(dá)0.9以上，與傳統(tǒng)地面灌溉相比，可節(jié)水40%左右，同時(shí)還使農(nóng)作物增產(chǎn)20%。

微灌是根據(jù)農(nóng)作物需水要求，利用管道和灌水器將水及肥藥送至農(nóng)作物根部的土壤中，節(jié)水效率比噴灌高20%，與傳統(tǒng)地面灌溉相比，可節(jié)水55%左右。微灌只將水作用于農(nóng)作物需水的根部，所以也稱作局部灌溉法，按照工作方式分為膜下滴灌、棚室霧灌、露地滲灌等。

2.2 其他領(lǐng)域節(jié)水

工業(yè)、生活、第三產(chǎn)業(yè)等也可以采取相應(yīng)的措施節(jié)水，例如改造供水管網(wǎng)（降低管網(wǎng)漏損率）、分質(zhì)供水、普及節(jié)水工藝（循環(huán)用水）、推廣節(jié)水器具等，均可在這些領(lǐng)域取得顯著節(jié)水效果。

3.地下水回灌

當(dāng)?shù)叵滤畤?yán)重超采形成地下水位降落漏斗后，靠地表水替代和高效節(jié)水措施雖可緩解水資源供需矛盾，遏制地下水位持續(xù)下降勢(shì)頭，但要恢復(fù)到大規(guī)模開(kāi)采地下水以前的狀態(tài)仍然需要很長(zhǎng)時(shí)間，尤其是承壓水區(qū)域的水位降落漏斗恢復(fù)更慢。為了充分修復(fù)地下水超采帶來(lái)的環(huán)境、地質(zhì)問(wèn)題，保障地下水資源安全，回灌地下水是根本措施。

3.1 地下水回灌模式

目前，地下水回灌分為地表回灌、管井回灌和地表、管井結(jié)合回灌三種模式。地表回灌模式利用地表滲透方式回灌，適于淺層地下水回灌，例如利用干枯河床、回灌場(chǎng)進(jìn)行回灌。管井回灌模式通過(guò)管井直接向地下含水層注水回灌，適于承壓水層回灌。地表、管井結(jié)合回灌模式是將地表回灌模式與管井回灌模式相結(jié)合的回灌方式。回灌水源主要是地表水，也可以采用雨洪水、再生水以及自來(lái)水。

3.2 地表回灌工程

地表回灌的原理是利用淺層地層的滲透能力進(jìn)行回灌，回灌量可按坑塘滲漏水量公式計(jì)算，平均滲透速度取決于淺層地層的滲透系數(shù)。北方某市地下水超采面積近10km，超采系數(shù)最高時(shí)≥1.5，如果僅以自然補(bǔ)給恢復(fù)到地下水超采前的狀態(tài)，至少需要20年時(shí)間，所以采取人工回灌方式是必要的。該工程以某座水庫(kù)棄水作為回灌水源，輸水管道采用該水庫(kù)引水灌溉的防滲渠道，全長(zhǎng)近40km，渠道輸水流量4～5m/s，回灌場(chǎng)選在洪積扇頂部，下部即地下水埋藏區(qū)域?？鄢斔畵p失，每月可回灌1000萬(wàn)m，能滿足每月最大回灌水量200萬(wàn)m的要求。

3.3 管井回灌工程

如前所述，回灌深層的承壓水層靠地表滲透很難實(shí)現(xiàn)，管井回灌才是首選方式。以北方某市為例，該地區(qū)由于地下水超采，形成了20km的地下水位漏斗區(qū)。為了涵養(yǎng)地下水資源，利用自來(lái)水管網(wǎng)管井回灌地下水層。該自來(lái)水管網(wǎng)水源來(lái)自該市的一座地表水源地水庫(kù)，其水質(zhì)較優(yōu)，水量較大，符合回灌水源要求?；毓嘞到y(tǒng)由井管、水泵、水表、水位儀、進(jìn)排管路、輸水管路、揚(yáng)水閥、進(jìn)水閥等組成，水泵的作用是給水加壓?；毓嗔髁靠砂闯袎核毓嗑髁抗接?jì)算。地下水位深90m以上，經(jīng)過(guò)5年回灌，累積回灌量超過(guò)150萬(wàn)m，水位抬升2～3m，地質(zhì)環(huán)境明顯改善。

4.結(jié)語(yǔ)

目前，針對(duì)地下水超采的綜合治理方案主要是開(kāi)源節(jié)流和回灌地下水，開(kāi)源即采用地表水替代地下水，節(jié)流即應(yīng)用高效節(jié)水措施減少水資源的消耗，回灌地下水可較快地恢復(fù)地下水原始狀態(tài)，這些措施的綜合運(yùn)用可從工程角度解決地下水超采造成的種種問(wèn)題。