撓力河流域地下水水位恢復(fù)與降水入滲關(guān)系研究

伊利河位于黑龍江省三江平原的內(nèi)陸。它是烏蘇里河左岸的重要河流。發(fā)源于萬(wàn)達(dá)山脈北坡，全長(zhǎng)約596公里。這是三江平原的最大河流。自河源至河口,沿途有寶石河、大索倫河、蛤蟆通河、七星河、外七星河、寶清河、奇爾心河、小佳河匯入,見(jiàn)圖1。整個(gè)水系流經(jīng)寶清、富錦、饒河三縣(市)和五九七、八五二、八五三、大興、紅旗嶺、紅衛(wèi)、勝利、八五九、饒河等9個(gè)農(nóng)場(chǎng),流域面積為2.4863萬(wàn)公頃。寶清站以上多為山區(qū),面積為1.0363萬(wàn)公頃,寶清站以下大部分為平原,面積為1.45萬(wàn)公頃。撓力河流域內(nèi)水資源缺乏,大部分地區(qū)遠(yuǎn)離外江,調(diào)水困難。三江平原全區(qū)的問(wèn)題在撓力河流域都有所體現(xiàn)。該流域近些年水田面積發(fā)展速度很快,而流域又沒(méi)有統(tǒng)一的水資源開(kāi)發(fā)利用規(guī)劃,致使地表水的利用各自為政,地下水嚴(yán)重超采引起地下水水位下降、地下水降落漏斗形成、地面沉降、地面塌陷、水質(zhì)惡化等水環(huán)境問(wèn)題。因此,地下水恢復(fù)理論是值得研究的課題。1地下水動(dòng)態(tài)變化特征根據(jù)三江平原近期規(guī)劃成果,撓力河干流平原區(qū)地下水開(kāi)采模數(shù)為7.76萬(wàn)m3·km-2·年-1,干流地區(qū)多年平均地下水總補(bǔ)給量為430×106m3·年-1,其中,多年平均地下水可開(kāi)采量為341.44×106m3·年-1,為多年平均地下水總補(bǔ)給量的79%。隨著水田面積的迅速增加,地下水開(kāi)采強(qiáng)度迅速增加,再加上打井缺乏合理規(guī)劃和布局,這樣就不可避免的將會(huì)出現(xiàn)局部超采的現(xiàn)象。撓力河流域某典型區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化資料見(jiàn)表1。由表1可得八五三農(nóng)場(chǎng)3分場(chǎng)7隊(duì)2000~2001年地下水動(dòng)態(tài)實(shí)測(cè)曲線,見(jiàn)圖2。由圖2可知,該區(qū)域的地下水位總體上呈下降趨勢(shì)。2地下水水處理系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)地下水恢復(fù)包括地下水水位恢復(fù)和水質(zhì)恢復(fù)兩個(gè)方面,本文主要討論地下水水位恢復(fù)(也稱為地下水補(bǔ)給)理論方法。地下水補(bǔ)給包括自然補(bǔ)給和人工補(bǔ)給兩種方式。2.1降水入滲對(duì)地下水位的影響應(yīng)建立地下水的自然補(bǔ)給方式主要是大氣降水和地表水入滲,還包括鄰區(qū)地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給。大氣降水是面狀補(bǔ)給,地表水體是線狀補(bǔ)給。大氣降水是地下水的最終補(bǔ)給來(lái)源。許昆認(rèn)為降水入滲補(bǔ)給是地下水的主要補(bǔ)給源,研究降水與地下水的關(guān)系,主要是分析由于降水垂直入滲引起的地下水位的變化。他通過(guò)對(duì)降水入滲機(jī)理、影響降水入滲的因素、降水入滲補(bǔ)給量計(jì)算的研究,分析了降水量與地下水補(bǔ)給量的關(guān)系。Eugenio采用泉水流量、降雨量及氣溫?cái)?shù)據(jù),通過(guò)水位曲線分析和多元回歸分析,提出了盆地石灰?guī)r含水層地下水自然補(bǔ)給量的估算公式:R=aP-bT+c。Mau等通過(guò)分析河川徑流水文曲線,提出可以采用瞬時(shí)補(bǔ)給和持續(xù)補(bǔ)給兩種方法確定排入美國(guó)新罕布什爾州鏡湖的兩個(gè)小盆地的地下水自然補(bǔ)給量。近些年來(lái),我國(guó)北方地區(qū)天旱少雨,多年來(lái)盲目的大量開(kāi)采,造成地下水采補(bǔ)失衡,許多地區(qū)的地下水都下降到創(chuàng)紀(jì)錄的最低水位,一般的降雨量不可能恢復(fù)地下水的儲(chǔ)備。因此,應(yīng)大力加強(qiáng)地下水人工恢復(fù)理論的研究。2.2地下水的充分利用地下水人工補(bǔ)給,又稱為地下水人工回灌、人工引滲或地下水回注,是當(dāng)今世界各國(guó)廣泛采用的增加地下淡水補(bǔ)給的措施。地下水人工補(bǔ)給的實(shí)質(zhì)就是借助某些工程設(shè)施將地表水自流或用壓力注入地下儲(chǔ)水層,以便增加地下水的補(bǔ)給量,穩(wěn)定地下水位或?qū)λY源進(jìn)行季節(jié)之間及年度的調(diào)節(jié),保證地下水的充分利用。地下水人工補(bǔ)給具有悠久的歷史,早在18世紀(jì)末19世紀(jì)初,歐洲的一些國(guó)家已經(jīng)有了人工補(bǔ)給地下水。20世紀(jì)以來(lái),隨著生產(chǎn)力的迅速發(fā)展以及伴隨的環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重,地下水人工補(bǔ)給在理論、方法上有所突破,應(yīng)用上更加廣泛。許多國(guó)家地下水人工補(bǔ)給已經(jīng)跨出試驗(yàn)階段,成為調(diào)節(jié)和控制地下水的主要方法。2.2.1高水回灌人工補(bǔ)給的設(shè)計(jì)地下水人工補(bǔ)給理論與方法隨著地下水科學(xué)的發(fā)展而發(fā)展。從基本理論到模型模擬研究,從定性研究到定量研究,再到成果展示的數(shù)字化,地下水人工補(bǔ)給研究不斷取得新進(jìn)展。鮑戈莫洛夫等總結(jié)了井孔、滲水區(qū)及線狀地下水補(bǔ)給(取水)水源(渠道、排水溝、河流等)在不同條件下的運(yùn)轉(zhuǎn)特性的計(jì)算關(guān)系式,還可以用來(lái)設(shè)計(jì)取水(回灌)井孔、滲水區(qū)(取水區(qū))及線狀地下水取水(補(bǔ)水)的設(shè)計(jì)(或利用)。陳雨孫提出用傳統(tǒng)的井流理論來(lái)計(jì)算人工補(bǔ)給中的井灌和坑灌兩種情況下的水文地質(zhì)參數(shù)。李云峰等用非均質(zhì)準(zhǔn)三維流數(shù)學(xué)模型對(duì)引黃回灌試驗(yàn)進(jìn)行了模型模擬研究,并用系統(tǒng)分析方法選擇了人工回灌方案。張蓮花提出回灌和抽水的機(jī)理是有區(qū)別的,井抽水過(guò)程會(huì)在井過(guò)濾器周圍形成一個(gè)滲透性增高的地帶,而回灌過(guò)程中的情況恰好相反。朱桂娥等以上海市浦西地區(qū)為例,對(duì)其承壓水的動(dòng)態(tài)進(jìn)行了綜合分析,提出人工開(kāi)采和回灌對(duì)地下水水位動(dòng)態(tài)、水質(zhì)動(dòng)態(tài)和水溫動(dòng)態(tài)起著決定性的作用,但大氣降水等其他因素對(duì)地下水動(dòng)態(tài)仍有一定的影響,對(duì)于研究上海地區(qū)地下水變化規(guī)律以及建立準(zhǔn)確完整的地下水水流模型和地面沉降模型具有重要的參考價(jià)值。2.2.2地下水補(bǔ)徑排技術(shù)研究地下水人工補(bǔ)給方式隨著自然條件的不同和人們認(rèn)識(shí)上的差異而有所不同。美國(guó)地下水人工補(bǔ)給的水源通常采用洪水、地面斜坡徑流、排水、剩余灌溉水。其補(bǔ)給方式為水池、活水犁溝、小渠道、高頻灌溉、鉆井等,所有滲入方法通常都對(duì)水進(jìn)行澄清和處理。Sukhija等采用環(huán)境氯化物總體平衡方法對(duì)人造濾池補(bǔ)給地下水進(jìn)行了評(píng)價(jià),他們認(rèn)為,為了滿足印度硬質(zhì)巖石地區(qū)日益增長(zhǎng)的地下水需求,這種人造濾池對(duì)于增加地下水補(bǔ)給是非常重要的。呂保華等認(rèn)為采用生產(chǎn)井、干井、勘探井、河谷、溝渠,利用整修古河道、人工修筑地下水壩截取降水和地表徑流,使之自然入滲將是一種行之有效的方法,技術(shù)簡(jiǎn)單,經(jīng)濟(jì)合理,且質(zhì)量有所保證。不論如何進(jìn)行方法的分類研究,常用方法共同的優(yōu)點(diǎn)是相同的,即建造簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、效果顯著,不受水源和水量限制?？睖y(cè)、測(cè)試及計(jì)算機(jī)技術(shù)在最近十余年里廣泛應(yīng)用到地下水科學(xué)研究工作中,提高了科研效率和所獲取資料的質(zhì)量,地下水人工補(bǔ)給研究工作也獲得了新的技術(shù)和手段。運(yùn)用航空紅外線成像和掃描技術(shù)對(duì)地下水補(bǔ)給編圖進(jìn)行研究,可以將地下水補(bǔ)給帶和非補(bǔ)給帶區(qū)別開(kāi)來(lái),并進(jìn)一步能確定補(bǔ)給的水量。這種方法確定的補(bǔ)給帶面積,誤差在0.9%以內(nèi)。2.2.3地下水回灌的目正確設(shè)計(jì)人工補(bǔ)給方案,以取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,是當(dāng)前地下水人工補(bǔ)給中亟待解決的重要問(wèn)題。倪紅珍等提出利用物元理論對(duì)地下水回灌工程進(jìn)行方案的綜合經(jīng)濟(jì)評(píng)判,并為山東某一回灌工程提供了決策依據(jù)。地下水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)用是地下水人工補(bǔ)給研究的另一項(xiàng)重要內(nèi)容。地下水源熱泵(Ground-WaterHeatPump,GWHP)系統(tǒng)的低位熱源為地下水,熱泵機(jī)組冬季從生產(chǎn)井提供的地下水中吸熱,提高品位后,對(duì)建筑物供暖,取熱后的地下水通過(guò)回灌井回到地下,同時(shí)蓄存一部分冷量。夏季則生產(chǎn)井與回灌井交換,一則為了養(yǎng)井,二則為了利用冬季蓄存的冷量。如果地下水溫度較低,可以直接利用地下水冷卻或者預(yù)冷,否則可以通過(guò)地下水帶走熱泵機(jī)組冷凝熱對(duì)建筑物供冷,同時(shí)把熱量轉(zhuǎn)移給地下水,供冬季使用。國(guó)內(nèi)近幾年,在山東、河南、湖北、遼寧、黑龍江、北京和河北等地已有100多個(gè)地下水熱泵工程項(xiàng)目,供熱、空調(diào)面積達(dá)100余萬(wàn)平方米。雨水回灌是有效實(shí)施地下水人工補(bǔ)給的重要途徑。地下水一般利用雨水、地表水(江河、湖泊、水庫(kù)、池塘)、工業(yè)回水和工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)公共供水(自來(lái)水)、中水進(jìn)行補(bǔ)充,其中后四種方法造價(jià)偏高,且中水補(bǔ)充還有污染地下水的可能,利用雨水補(bǔ)充地下水資源是最經(jīng)濟(jì)的方法,它不僅可以提高地下水水位,阻止或延緩地面下沉,還可以改善生態(tài)環(huán)境。德國(guó)在雨水綜合利用方面的研究始終位于世界科技前沿。一些發(fā)達(dá)國(guó)家的城市,雨水利用已經(jīng)相當(dāng)普遍,如美國(guó)加州雷斯諾市的地下水回灌系統(tǒng),目前地下水回灌總量為1.338億立方米,占該市年用水量的20%。李懷正等通過(guò)討論實(shí)施雨水回灌地下的可能性和必要性,闡述了我國(guó)地下水資源現(xiàn)狀以及如何在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上利用和保護(hù)地下水資源。陳海波等認(rèn)為發(fā)展井灌與保持地下水采補(bǔ)平衡,一靠節(jié)水,二靠回灌。他們提出改進(jìn)耕作方式,采用科學(xué)種田新方法,利用雨季增加雨水回灌量,為補(bǔ)充地下水,使井灌區(qū)水資源可持續(xù)發(fā)展,開(kāi)辟了一條新途徑。3地下水人工補(bǔ)給的理論研究盡管地下水人工補(bǔ)給在理論、方法、技術(shù)、工程應(yīng)用研究方面都進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段,但和生產(chǎn)實(shí)踐的需要相比,還存在一些問(wèn)題。①由于地下水問(wèn)題本身的復(fù)雜性,雖然目前對(duì)地下水人工補(bǔ)給的機(jī)理基本認(rèn)識(shí)清楚,但還沒(méi)有形成一套公認(rèn)的定量研究和計(jì)算方法。因此在工程中實(shí)施地下水人工補(bǔ)給時(shí)無(wú)法預(yù)知補(bǔ)給效果。而且已有的文獻(xiàn)中,也很少有對(duì)補(bǔ)給效果的理論評(píng)價(jià);②許多學(xué)者對(duì)地下水人工補(bǔ)給方法進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和創(chuàng)新性研究,但對(duì)地下水人工補(bǔ)給方法的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)效益和管理辦法缺乏深入系統(tǒng)研究,導(dǎo)致科研和生產(chǎn)在一定程度上脫離;③地下水人工補(bǔ)給的理論和方法研究需要通過(guò)大量試驗(yàn)來(lái)支撐。雖然許多學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)研究對(duì)補(bǔ)給過(guò)程中的淤積(塞)、補(bǔ)給效率、巖土層的凈水機(jī)理等方面取得了一些認(rèn)識(shí),但實(shí)踐中急需解決的一些理論研究試驗(yàn)開(kāi)展的很少;④最近幾十年,地下水科學(xué)研究領(lǐng)域廣泛利用了先進(jìn)的技術(shù)手段,也為地下水人工補(bǔ)給研究工作創(chuàng)造了提高科研效率和質(zhì)量的條件。但是真正將GIS、ModFlow等先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)和地下水人工補(bǔ)給相結(jié)合來(lái)解決工程實(shí)際問(wèn)題的還不多,因此,地下水人工補(bǔ)給整體研究水平有待于進(jìn)一步提高。4地下水人工補(bǔ)給研究的展望隨著應(yīng)用數(shù)學(xué)和地下水動(dòng)力學(xué)的相互滲透,現(xiàn)代水文水資源分析優(yōu)化技術(shù)以及電算技術(shù)的廣泛應(yīng)用,地下水人工補(bǔ)給模擬軟件的進(jìn)一步開(kāi)發(fā),地下水監(jiān)測(cè)設(shè)備的精密化,地下水人工補(bǔ)給整體研究水平必將迅速提高。地下水人工補(bǔ)給的研究手段將由單一化向著多樣化、綜合化方向發(fā)展,研究成果的展示方式將由圖示化向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。根據(jù)地下水人工補(bǔ)給研究現(xiàn)狀以及生產(chǎn)實(shí)踐的需要,預(yù)計(jì)今后地下水人工補(bǔ)給研究在以下幾個(gè)方面有著重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景:①地下水人工補(bǔ)給理論研究應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng),應(yīng)積極研究回灌條件下地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、計(jì)算方法、GIS等計(jì)算機(jī)技術(shù)在地下水人工補(bǔ)給中的應(yīng)用和地下水人工補(bǔ)給效果的評(píng)價(jià)方法;②探索符合區(qū)域特點(diǎn)的合理使用地下水人工補(bǔ)給的方法,加強(qiáng)地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)儀器設(shè)備的研制和推廣工作;③加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)條件、回滲工程等諸多約束條件下,人工補(bǔ)給的影響因素的研究;④加強(qiáng)地下水人工補(bǔ)給水源的研究,重點(diǎn)研究雨水、城鎮(zhèn)污水用作地下水人工補(bǔ)給水源的凈水機(jī)理;⑤加強(qiáng)地下水人工補(bǔ)給工程的管理辦法、產(chǎn)業(yè)化模式研究。5地下水開(kāi)采量經(jīng)濟(jì)分析結(jié)合地下水恢復(fù)研究的發(fā)展趨勢(shì),提出以下地下水恢復(fù)研究工作設(shè)想:①對(duì)三江平原撓力河流域地下水開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研,利用隨機(jī)模型對(duì)撓力河流域地下水動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行模擬預(yù)測(cè),對(duì)撓力河流域進(jìn)行超采評(píng)價(jià);②選擇典型區(qū),利用GIS技術(shù),通過(guò)對(duì)地形、地貌、包氣帶巖性、植被覆蓋等因子建立的專題圖層的疊加分析,確定地下水的自然補(bǔ)給潛力分區(qū),結(jié)合研究區(qū)含水層分布特征,綜合確定開(kāi)采潛力區(qū);③在地下水自然恢復(fù)比較困難的地區(qū),選擇若干種地下水人工回灌方案(機(jī)井、大口井注水回灌、坑塘回灌、河道兩側(cè)引滲回灌、激發(fā)補(bǔ)給等),對(duì)地下水回灌工程的方案進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)評(píng)判,為實(shí)際應(yīng)用提供決策依據(jù);④根據(jù)所選擇的地下水回灌方案,設(shè)計(jì)試驗(yàn)觀測(cè)方案,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),計(jì)算出地下水補(bǔ)給量,對(duì)地下水回灌效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。6加強(qiáng)城市地下水資源開(kāi)發(fā)和高效利用技術(shù)研究a.撓力河流域地下水資源短缺問(wèn)題已經(jīng)成為制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”,為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,區(qū)域地下水資源的可持續(xù)利用,開(kāi)展地下水人工回灌恢復(fù)地下水無(wú)疑是緩解水資源短缺的一條有效途徑。b.隨著各種先進(jìn)的計(jì)算理論、優(yōu)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與地下水科學(xué)的有機(jī)結(jié)合,地下水恢復(fù)研究已經(jīng)取得了一定成果,但仍不能滿足實(shí)際需要。今后應(yīng)大力加強(qiáng)地下水恢復(fù)的理論和方法研究,特別應(yīng)加強(qiáng)地下水恢復(fù)的工程應(yīng)用研究,更好地為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。c.為了合理開(kāi)發(fā)利用區(qū)域地下水資源,使地下水超采現(xiàn)象得到有效控制,應(yīng)結(jié)合自然條件本身的空間變異性,對(duì)撓力河流域的地下水資源進(jìn)行評(píng)價(jià),研究自然補(bǔ)給條件和回灌條件下地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,確定科學(xué)合理的地下水補(bǔ)給方案,為區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和政府決策提供科學(xué)依據(jù)。三江平原位于黑龍江省東北部,位于北緯47°11′3