地下水庫的概念、分類和組成

地表徑流（地表、線性、定期和季節(jié)性）和各種地下徑向流在地面上形成。利用各種工程手段,攔截這兩種徑流,就分別建立地表水庫和地下水庫。人們比較熟悉的是地表水庫,但對于地下水庫,由于它不夠直觀,實踐較少,了解有限。被學(xué)者稱之為“環(huán)保型水資源開發(fā)工程”的地下水庫,在國外發(fā)展很快,日本、以色列、美國、中東、荷蘭、前蘇聯(lián)、南斯拉夫、法國等國家和地區(qū),從上個世紀(jì)二三十年代就已經(jīng)開始這方面的工程實踐。我國在70年代也提出了地下水調(diào)蓄和人工補(bǔ)給的概念,并在北京西郊、河北、山東、廣西、大連等地試驗和建設(shè)了一批不同類型的地下水庫,取得了寶貴的經(jīng)驗。目前,還有一批濱海河谷型地下水庫正在遼東半島和山東半島施工。尤其在水資源貧乏海水入侵嚴(yán)重的濱海地區(qū),實踐意義更為重大,不失為一種既可充分地開發(fā)地下水資源,又可有效地防止海水入侵的可靠的地下水開發(fā)模式。筆者根據(jù)上述實踐,在以往研究成果的基礎(chǔ)上,試就地下水庫的有關(guān)問題進(jìn)行探討,其中包括地下水庫的基本概念和分類,重點探討了地下水庫的4個基本組成部分,以及地下水庫的優(yōu)勢和問題,以期引起學(xué)術(shù)界的討論和決策層的關(guān)注。1地下水庫的基本概念和分類1.1地表水庫人工高效開發(fā)地下水庫是利用地殼內(nèi)的天然儲水空間,儲存水資源的一種地下水開發(fā)工程。天然儲水空間就是含水層,包括堅硬巖石和松散堆積物中的空隙、孔隙、裂隙、溶洞等。天然含水層在地殼內(nèi)外動力地質(zhì)作用下形成了很多儲水構(gòu)造,如:沖洪積扇、沖積平原、洪積錐、巖溶儲水構(gòu)造、斷裂儲水構(gòu)造等,以及一些復(fù)合類型和過渡類型。這些儲水構(gòu)造無論充水與否都構(gòu)成了巨大的儲水空間,即天然地下水庫,如遼寧省下遼河平原就是一座三面環(huán)山一面臨海邊界完整的天然地下水庫。地下水庫與地表水庫都是以儲存和調(diào)節(jié)水資源為基本目的的水資源開發(fā)工程,但是它們存在很大差異:(1)它們攔截和儲存的對象不同。地表水庫攔截地表徑流,地下水庫攔截地下徑流。(2)地表水庫將水儲存在地表的峽谷、洼地中,僅是水的單相體系;地下水庫將水儲存在天然含水層(儲水構(gòu)造)的介質(zhì)中,形成“水-巖”兩相體系。它的存在和運(yùn)動更為復(fù)雜,定量描述這種運(yùn)動的科學(xué)是地下水動力學(xué)。(3)地表水庫必須要有攔水工程——水壩,有的地下水庫要有截水工程——地下水壩。例如在濱海河谷地區(qū)開發(fā)地下水經(jīng)常導(dǎo)致海水入侵等問題。通過地下截水工程,不僅攔截了地下徑流形成地下水庫,而且還阻擋了海水沿含水層的滲流侵入,有效地防止海水入侵(圖1)。有些情況不需要修建地下截水壩,例如邊界完整的地下水盆地。(4)地下水庫要有含水層補(bǔ)給工程,即通過各種工程手段(天然滲入,井、渠、溝引滲等)將地表水引入地下含水層中,這是實現(xiàn)調(diào)蓄的基本條件之一,地表水庫不需要這種工程。(5)地表水庫的很多功能如航運(yùn)、發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游等是地下水庫所不具備的,地下水庫也有一些特殊功能如儲能功能。1.2按信息點分類分筆者認(rèn)為在實踐中不必過多拘泥于復(fù)雜的分類。為了便于應(yīng)用可以結(jié)合地區(qū)特點分類,例如遼寧省就可以結(jié)合地下水庫的介質(zhì)、地貌成因和位置、人為開采情況等劃分為五種類型:調(diào)蓄型、開采漏斗型、河谷型、陸地巖溶型、濱海巖溶型,它基本函蓋了全省地下水庫的全部類型,也為大多數(shù)專家所熟悉,便于應(yīng)用。2地下水庫工程系統(tǒng)根據(jù)地下水庫的建設(shè)經(jīng)驗,并結(jié)合國外的工程實例,地下水庫的組成應(yīng)包括4個基本部分:①由天然儲水構(gòu)造組成的地下水庫庫區(qū);②攔截地下徑流的地下壩(在隔水邊界完整的儲水構(gòu)造也可不建地下壩);③地表攔水和引滲工程;④地下水開采工程;形成儲水—攔水—引水—提水的統(tǒng)一體。還有一些輔助工程,如地表排污工程、濱海地下壩內(nèi)殘留咸水體的處理工程、濱海地表海水?dāng)r截工程、管理監(jiān)測系統(tǒng)等。這些主體工程和輔助工程共同組成了地下水庫工程系統(tǒng)。其中地表水?dāng)r截和引滲工程、管理監(jiān)測系統(tǒng)、殘留咸水體處理工程應(yīng)是我國的首創(chuàng)。2.1儲水構(gòu)造邊界及儲水水質(zhì)邊界等邊界性質(zhì)的察地下水庫庫區(qū)即邊界條件清楚的儲水構(gòu)造。評價地下儲水構(gòu)造的特征有幾個方面:①勘察研究和確定地下儲水構(gòu)造的邊界條件和邊界性質(zhì)(流量邊界、隔水邊界、混合邊界、水質(zhì)邊界等)。②確定組成儲水構(gòu)造的天然含水層的空隙率(孔隙率、裂隙率、巖溶率),并計算由天然含水層組成的地下水庫的庫容量(地下水儲存能力)。以及其它一些特征。2.2地基改良施工法地下攔水壩是攔截地下徑流的人工邊界,應(yīng)屬于隔水邊界。作為地下工程主要的施工方法有:明挖施工法、地基改良施工法(灌注施工法)、預(yù)制防滲材料施工法、地下連續(xù)墻施工法、SMW法(當(dāng)前位置攪拌法)、鋼板樁法、排列樁法等。作為隔水邊界的作用是雙向的,既可阻止庫區(qū)地下徑流的外泄,又可阻止庫區(qū)外地下徑流的侵入(如海水入侵),還可以在提高庫區(qū)地下水位的同時,提高包氣帶含水量,改善土壤墑情。2.3引滲工程的建設(shè)這是地下水庫進(jìn)行調(diào)蓄的一項關(guān)鍵工程。當(dāng)?shù)叵滤畮鞄靺^(qū)表層透水性較差時,必須修建地表水?dāng)r截工程,滯留地表徑流。通過引滲工程將更多的地表水引滲到地下含水層中,人為增加地下水補(bǔ)給,也稱為“補(bǔ)源工程”。實施這種引滲工程可用開挖法(回填反濾層)建設(shè)引滲坑、引滲槽(垂直地表徑流方向)、引滲溝等。對深部含水層進(jìn)行人工補(bǔ)給時應(yīng)有較深的回灌井(穿透含水層的頂板)。在引滲回灌中要有較高的回灌水質(zhì),荷蘭是對回灌水進(jìn)行二度半處理后再回灌到含水層中,切實保證了回灌水的水質(zhì)。補(bǔ)源工程增加了含水層的補(bǔ)給途徑。由于人為的大幅度提高了工程部位的入滲補(bǔ)給能力,形成了新的補(bǔ)給點和滲渠,極大提高了含水層的補(bǔ)給能力。同時也為地下水庫含水層補(bǔ)給能力的計算帶來了新的課題,有待于深入研究,一般可以通過野外原位試驗的方法測定。在地下水資源評價中,對于含水層的天然補(bǔ)給量來講這是一種擴(kuò)大的補(bǔ)給量,可稱為第二補(bǔ)給量,這對地下水庫的開采能力評價至關(guān)重要。2.4地下水開采工程實際是通常的地下水開采方法。除了各種類型的井外,還有集水廊道等。對于含水層較淺的地下水庫,集水廊道的開采形式可能會更優(yōu)越一些。2.5地表污水工程是保護(hù)地下水庫的重要措施之一。它是將地下水庫庫區(qū)的各類廢水廢液集中起來排到區(qū)外或廢水處理廠,防止污染地下水和含水層,建立衛(wèi)生保護(hù)區(qū)。2.6滲流后殘流一定的鹽水體地下壩完工后壩內(nèi)通常要?dú)埩粝趟?。處理的方?一是避開,將地下壩建在咸水體的上游;當(dāng)難于避開時(如為增大地下水庫的庫容)庫區(qū)內(nèi)壩體附近會殘流一定的咸水體(圖1),可用大流量強(qiáng)抽水方式強(qiáng)排出庫區(qū)外,集中污染區(qū)也可照此方法處理,這也是必不可少的建庫成本。其處理效果是更為干凈徹底迅速。2.7地表水利工程的功能濱海河口攔潮工程是為了防止海潮侵入地下水庫庫區(qū)修建的地表水利工程,如翻板攔河閘、橡膠壩等,這種地表水利工程雖然簡單,但有其特殊的功能要求,主要是有攔潮、攔截地表水和泄洪的三種功能。2.8城市濕地水系的控制要素這應(yīng)是地下水庫的靈魂。它應(yīng)有信息采集、傳輸、處理、顯示、控制和反饋六個部分組成。需要研究的信息除了包括地下水位、水質(zhì)、水溫、開采量外,還應(yīng)包括包氣帶含水量、土壤含鹽量、地表生態(tài)信息等。除了地下水信息外,還應(yīng)包括降雨量、蒸發(fā)量、河流徑流量、河流水質(zhì)及其它污染信息等。信息通常在地下水庫控制中心和區(qū)域地下水庫管理中心以多媒體技術(shù)顯示。供研究者和管理者以及用戶使用。從水環(huán)境的角度,地下水位過高和過低都將導(dǎo)致環(huán)境水文地質(zhì)問題的發(fā)生,例如:含水層疏干、沼澤化、鹽漬化、咸水入侵等。因此控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是控制地下水位,主要的手段是控制開采量和回灌量,這才能實現(xiàn)地下水可持續(xù)利用。顯然控制系統(tǒng)的實現(xiàn)是要以反饋系統(tǒng)為前提的,包括用戶反饋系統(tǒng)。這一切對于濱海河谷型地下水庫最易實現(xiàn)。對于濱海河谷區(qū),理想的水資源開發(fā)模式是:中上游建“地表水庫”,中下游建“地下水庫”,全流域(至少在中上游山區(qū))綠化,建設(shè)“綠色水庫”,實現(xiàn)全流域綠色水庫—地表水庫—地下水庫聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)開發(fā)的理想模式,這也許是對環(huán)保型水資源開發(fā)模式的完善。3地下水庫的優(yōu)勢、問題和開發(fā)前景3.1建設(shè)水資源較低,環(huán)境效果好地下水庫是以天然含水層為儲水場所,其優(yōu)勢:不動遷居民,原則上對地面其它建筑影響很小,因此建設(shè)成本較低;比較安全,沒有跨壩的危險和水庫誘發(fā)地震的可能,也沒有岸邊侵蝕和再造等次生環(huán)境地質(zhì)問題;庫區(qū)內(nèi)地下水蒸發(fā)損耗小;建庫條件比較簡單;尤其是提高水資源可調(diào)蓄空間,為地表水地下水聯(lián)合調(diào)度提供了基礎(chǔ)和條件;環(huán)境效果好;減緩了洪水壓力,等等。3.2地下壩工程檢測難度地下水庫的資源量計算相對誤差較大;勘察工作量較大、費(fèi)用較高、周期較長;地下壩工程檢測技術(shù)和方法較復(fù)雜;管理中的社會問題較多,這也是不動遷的副作用之一;技術(shù)管理難度較大,補(bǔ)給和開采必須處于統(tǒng)一管理系統(tǒng);需要建立較完整的開采系統(tǒng)。3.3開發(fā)建設(shè)模式在水資源保護(hù)和可持續(xù)開發(fā)戰(zhàn)略日受關(guān)注的今天,地下水庫的水資源調(diào)蓄作用日受關(guān)注,它必將以其巨