地下水庫蓄水條件分析

地下水庫是在過去10年中發(fā)展起來的一個新水庫。這是一項集中利用的節(jié)水工程，用于儲存、調(diào)節(jié)和利用地下水流量。地下水庫中蓄水構(gòu)造不同于一般的蓄水構(gòu)造,它需要具備一定的條件,本文討論了地下水庫的基本概念,介紹了地下水庫蓄水構(gòu)造的特點。1地下含水層和地下水庫的概念隨著地下水資源的開發(fā)和廣泛利用,地下水庫逐漸成為一個熱門話題,但地下水庫的定義還缺乏科學(xué)性,有些人將地下含水層或蓄水構(gòu)造籠統(tǒng)地稱為地下水庫,混淆了地下水庫和蓄水構(gòu)造的概念。國際上通行的水文地質(zhì)學(xué)術(shù)語中,地下水庫(groundwaterreservoir)和地下含水層(aquifer或者groundwaterreservoir)是同義語。我國早期的“水文地質(zhì)學(xué)”中,也沒有地下水庫的概念,只有含水層、蓄水構(gòu)造等專業(yè)術(shù)語。我國1993年的水文地質(zhì)術(shù)語中,將地下水庫定義為“地層中能儲存外來補給水源又便于開發(fā)利用的地下儲水層”,即地下水庫僅是一種地下儲水層。地下水庫的說法最早起源于日本,二十世紀(jì)初日本在開發(fā)櫪木縣的那須野原時,為了有效地利用流入大海的地下水,有人提出在地下建防滲墻來儲蓄地下水的設(shè)想,即建設(shè)地下水庫。美國類似于地下水庫的概念是AquiferStorageandRecovery(ASR),即含水層儲存和回采,指在豐水季節(jié)將可飲用水通過注水井儲存到合適的含水層中,在用水高峰期或枯水季節(jié)再通過同一眼井將水抽取出來使用,抽出的水不能超過注入的水。荷蘭類似于地下水庫的概念是ArtificialRecharge-PumpingSystems(ARPS),即人工回灌和抽水系統(tǒng),在考慮回灌的同時,注重抽水系統(tǒng)對整個含水層地下水位的影響。我國學(xué)者也提出了對地下水庫概念的理解。林學(xué)鈺1984年提出“地下水庫是一個便于開發(fā)和利用地下水的儲水地區(qū)”。趙天石2002年的定義是:“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”。杜漢學(xué)2002年描述的地下水庫是:“地下水庫就是指存在于地下的天然大型儲水空間”。同時有些學(xué)者認(rèn)為:為便于社會接受,將一些地區(qū)的厚大含水層或大型蓄水構(gòu)造應(yīng)進一步命名為“地下水庫”?？梢?國內(nèi)外學(xué)者沒有將地下水庫和地下含水層、蓄水構(gòu)造的概念嚴(yán)格地區(qū)別開來,文獻中將地下水庫看作地下水開發(fā)工程,但大部分人將地下水庫的概念限制在水文地質(zhì)學(xué)的范疇,還沒有真正地將地下水庫的概念從水文地質(zhì)學(xué)的范疇上升到水利工程學(xué)的角度,而時常又有人將地下含水層和地下水庫的概念混為一談。作者認(rèn)為:地下水庫的概念是相對地表水庫而言的。地表水庫不同于地表湖泊,在于地表水庫具有人為地攔蓄和調(diào)節(jié)地表水流的功能。同樣,地下水庫不同于地下含水層(或蓄水構(gòu)造等),在于地下水庫中人為地調(diào)蓄地下水流,籠統(tǒng)地將厚大含水層或大型蓄水構(gòu)造命名為“地下水庫”是不科學(xué)的。地下水庫的特點在于人為地干預(yù)了地下水流的天然調(diào)節(jié)能力和擴大了地下含水層的蓄水能力,就像地表湖泊不同于地面水庫一樣,天然的厚大含水層不一定是地下水庫。從水利工程的角度來講,可將天然調(diào)節(jié)地下水流的厚大含水層或大型蓄水構(gòu)造命名為地下湖。從水利工程學(xué)的角度給出地下水庫的定義:地下水庫是利用天然地下儲水空間興建的具有攔蓄、調(diào)節(jié)和利用地下水流作用的特殊的水庫。在這個定義中,地下水庫的定義包含三層意思:一是地下水庫位于天然的地下儲水空間,指具備一定條件的蓄水構(gòu)造或地下含水層,由巖體和松散堆積層中的孔隙、裂隙和溶隙組成;二是強調(diào)地下水庫具有人為地攔蓄和調(diào)節(jié)地下水流的作用;三是指明地下水庫是一種特殊的水庫。地下水庫樞紐是由地下壩、回灌設(shè)施、開采設(shè)施等多種建筑物構(gòu)成的具有多種用途的綜合體,是一種蓄水水利樞紐。2地下水庫的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足這些條件2.1分類構(gòu)造形式地下水庫中天然地下儲水空間是一種普通的蓄水構(gòu)造,在探討地下水庫蓄水構(gòu)造需要具備的基本條件時,有必簡要回顧一下普通蓄水構(gòu)造的概念和分類。蓄水構(gòu)造是富集地下水的地質(zhì)構(gòu)造形式。它是地下水形成、運動和蓄存的場所。錢學(xué)傅根據(jù)自然地理和空隙的性質(zhì),將我國的蓄水構(gòu)造分為孔隙蓄水構(gòu)造、溶隙蓄水構(gòu)造、裂隙蓄水構(gòu)造和地區(qū)性蓄水構(gòu)造四種類型。每種蓄水構(gòu)造根據(jù)不同的特點又分為不同亞類。其中孔隙蓄水構(gòu)造又分為山間河谷蓄水構(gòu)造、山間盆地蓄水構(gòu)造、沖積平原蓄水構(gòu)造、冰水沉積蓄水構(gòu)造和半膠結(jié)砂巖蓄水構(gòu)造五種類型。巖溶蓄水構(gòu)造分為裂隙巖溶蓄水構(gòu)造、層間巖溶蓄水構(gòu)造、斷層巖溶蓄水構(gòu)造、侵入體巖溶蓄水構(gòu)造、膏溶角礫巖蓄水構(gòu)造、地下河及管道蓄水構(gòu)造、覆蓋巖溶蓄水構(gòu)造和隱伏巖溶蓄水構(gòu)造八種類型。裂隙蓄水構(gòu)造分為風(fēng)化裂隙蓄水構(gòu)造、節(jié)理裂隙蓄水構(gòu)造、層間裂隙蓄水構(gòu)造、斷層裂隙蓄水構(gòu)造、侵入體裂隙蓄水構(gòu)造、玄武巖裂隙蓄水構(gòu)造六種類型。地區(qū)性蓄水構(gòu)造分為干旱地區(qū)蓄水構(gòu)造、黃土地區(qū)蓄水構(gòu)造、沙漠地區(qū)蓄水構(gòu)造、濱海及島嶼地區(qū)蓄水構(gòu)造、凍土地區(qū)蓄水構(gòu)造和熱水蓄水構(gòu)造等六種類型。錢學(xué)傅的分類反映了蓄水構(gòu)造的特點,覆蓋了蓄水構(gòu)造的基本類型,為研究地下水庫的天然地下儲水空間提供了基本的依據(jù)。2.2天然儲水空間的特點從地下水庫的概念中,可以看出儲水空間是地下水庫的基本構(gòu)成部分,決定著地下水庫庫容的大小。地下水庫的儲水空間,既是一種蓄水構(gòu)造,又有自己的特點。但并不是所有的蓄水構(gòu)造都適宜建造地下水庫。地下水庫所需要的天然儲水空間應(yīng)滿足四個基本條件。地下水庫的天然儲水空間必須提供足夠大的庫容,即孔隙、裂隙和溶隙,小的蓄水構(gòu)造所建造的地下水庫,其經(jīng)濟價值和使用價值較小。同時天然儲水空間必須具有足夠的連通性,保證地下水在整個庫區(qū)范圍的流動性。地下水庫的天然儲水空間必須滿足地表水和地下水快速進行水量交換的條件,即需要天然儲水空間本身具有或通過工程措施能夠達到足夠的滲透性。亞砂土等低孔隙度、低滲透性的蓄水構(gòu)造一般不宜選作地下水庫。地下水庫的天然儲水空間必須滿足可利用地下水的要求,地下水可開采,經(jīng)濟合理,這要求地下含水層的埋深適宜。地下水庫的天然儲水空間的底部存在相對不透水層,庫區(qū)四周邊界相對封閉或通過工程措施使之相對封閉,庫區(qū)不存在無法控制的深大、導(dǎo)水性斷裂構(gòu)造,以保證能夠有效的控制進入庫區(qū)內(nèi)的地下水流,避免過量的庫區(qū)滲漏。2.3代表性地下水庫常見的地下水庫蓄水構(gòu)造類型有:①砂礫石層沖積平原蓄水構(gòu)造和山間河谷蓄水構(gòu)造,代表性的地下水庫有山東省萊州市王河地下水庫等;②地下河和管道巖溶蓄水構(gòu)造,代表性的地下水庫有貴州省普定縣馬官地下水庫等;③濱海及島嶼地區(qū)蓄水構(gòu)造,代表性的地下水庫有日本長崎縣野母崎町樺島地下水庫和福井縣的常神地下水庫等。3地下水庫蓄積相指地下水庫蓄水構(gòu)造由具有空隙構(gòu)造的巖層組成,如砂卵石層及具有巖溶構(gòu)造的石灰?guī)r、白云巖等。指大地構(gòu)造、新構(gòu)造運動、褶皺、斷層、火成巖入侵等對地下水庫蓄水構(gòu)造的控制。一方面指地質(zhì)構(gòu)造影響、形成了蓄水構(gòu)造的巖層,一方面指構(gòu)造運動產(chǎn)生了蓄水構(gòu)造的節(jié)理、裂隙及斷層破碎帶。這些因素對地下水庫蓄水構(gòu)造的形成和地下水的富集都有重要的影響。如氣候的差異影響降雨量的大小,降雨入滲是地下水補給的重要組成部分;地形的不同影響地下水的富集環(huán)境和排泄方式;河流的狀況直接影響河水補給地下水等。指興建地下壩、人工回灌設(shè)施對地下水的補給、存儲、運移和排泄的影響。4地下水庫與一般儲水結(jié)構(gòu)的相似之處4.1同樣的點地下水庫中的蓄水構(gòu)造是一種特定的蓄水構(gòu)造,其儲水空間是蓄水構(gòu)造中各種空隙。地下水庫的蓄水構(gòu)造具有普通蓄水構(gòu)造的共性。4.2地下水補徑排、人工補給蓄水構(gòu)造主要研究地質(zhì)體的空隙系統(tǒng),以及地下水系統(tǒng)的天然補給、匯集和開采。地下水庫是除研究蓄水構(gòu)造的內(nèi)容外,還研究人工補給系統(tǒng)和地下截滲系統(tǒng)等。蓄水構(gòu)造重點研究地下水的開采、及其開采區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造。地下水庫重點研究建庫條件、地下水的人工補給和地下儲水空間的防滲性等。蓄水構(gòu)造是生活、工農(nóng)業(yè)用水的水源地。地下水庫除用作水源地外,還可用于防止海水入侵、改善生態(tài)環(huán)境及防洪工程的一部分等。蓄水構(gòu)造中地下水主要是自然調(diào)節(jié)和自然控制,人工補給為輔。而地下水庫中地下水主要是自然調(diào)節(jié)、自然控制和人工調(diào)節(jié)、人工控制并舉,更主要的體現(xiàn)在人工調(diào)節(jié)和人工控制。蓄水構(gòu)造中地下水補給主要是天然補給,人工補給是開采后的被動措施。而地下水庫中地下水補給除了天然補給外,更重要的是人工補給,人工補給是有目的積極的、主動措施。目前構(gòu)成地下水庫的地層巖性通常是砂層、卵石層、巖溶管道和巖溶地下河等大孔隙、高透水性的巖層,而構(gòu)成蓄水構(gòu)造的地層巖性比較廣泛,除了砂層、卵石層、巖溶管道和巖溶地下河,還有亞砂土、黃土類亞砂土、黃土層、凍土區(qū)冰水沉積層等。斷裂構(gòu)造往往是基巖地區(qū)導(dǎo)水的主要通道和蓄積地下水的重要場所,易構(gòu)成良好的蓄水構(gòu)造。但是,對地下水庫而言,通常需要一個相對封閉的蓄水空間,由斷層構(gòu)成的蓄水構(gòu)造,往往難以控制地下水的流動,不易選作地下水庫庫區(qū)。5地下水庫的蓄水結(jié)構(gòu)5.1沖洪積砂石層沉積王河地下水庫位于山東省萊州市王河下游,西與渤海相鄰,水庫總庫容0.596億m3。庫區(qū)含水層以沖洪積堆積或洪積堆積物為主,主要巖性為微含土礫質(zhì)粗砂,局部為微含土礫質(zhì)中砂、中粗砂,空間上分布3～4層,砂層總厚度5～15m,最大埋深23.7m。庫區(qū)內(nèi)無深大導(dǎo)水性斷裂,通過建設(shè)地下截滲壩,可形成封閉性蓄水空間。是典型的砂礫石層沖積平原蓄水構(gòu)造。王河地下水庫代表性的地層剖面見圖1。5.2地下水庫儲水空間馬官地下水庫位于貴州省普定縣馬官鎮(zhèn),處于峰叢洼地-峰林谷地過渡帶,庫區(qū)地層巖性為三疊系關(guān)嶺組中段薄層至中厚層泥質(zhì)灰?guī)r夾少量泥頁巖,該段巖溶發(fā)育,形成了具有單管狀、單層狀、單一出口的懸掛式尖滅型地下河。地下水庫儲水空間由地下河管道系統(tǒng)組成,即由單一的水平溶道與兩個垂直豎井及裂隙組成的巖溶管道系統(tǒng)構(gòu)成,通過地下河出口的砌石拱壩,抬高水位形成地下水庫,是典型的地下河及管道蓄水構(gòu)造。馬官地下水庫形態(tài)縱剖面示意圖見圖2。5.3水下地層結(jié)構(gòu)常神地下水庫位于日本福井縣敦賀市西面,西臨日本海,利用沖積形成的砂礫石含水層儲存地下水,是一座有壩地下水庫。地層結(jié)構(gòu)分為三層,沖積層上部為粘土和混有巖石碎片的砂礫石層組成,厚12～15m;沖積層下部為厚4～5m,軟塑狀的青灰色混有礫石的粘土層;基巖為粘板巖和泥巖,強風(fēng)化帶厚2～3m,是典型的濱海及島嶼地區(qū)蓄水構(gòu)造,地質(zhì)剖面圖見圖3。6利用地下水流作用的水庫地下水庫是利用天然地下儲水空間興建的具有攔蓄、調(diào)節(jié)和利用地下水流作用的特殊的水