美国中亚利桑那调水工程(CAP)地下水银行经验对我国调水工程的启示

美国中亚利桑那调水工程(CAP)地下水银行经验对我国调水工
程的启示
管光华;王长德;候峰
【摘要】美国中亚利桑那调水工程(CAP)已成功运行三十余年,堪称世界上大型调水工程的典范.该工程包括运用地下水银行对富余水量进行存贮以备枯水年之需已有十几年的历史,并且通过水权置换的方式与上游的内华达州在水源短缺的年份进行交换.工程在管理上具有政府委托,地方参与的董事会管理,企业化运营的特色,在技术、运行管理、环境保护、印第安人特殊的水权保护、农户地下水开采权的置换、以及与工程相关的立法,税务,水资源安全等积累了很多经验.其地下水回灌效率超过99%,且实施地下水回灌以来观测地下水位稳步上升,这些都对我国正在建设中的南水北调工程有着重要的参考价值.%The Central Arizona project (CAP) with its thirty years of operation experience has been a worldwide model for large scale water transfer projects, CAP has a history of over ten years to use underground water bank as a storage reservoir, and exchange water right with the upstream Nevada State. They have rich experience on engineering, techniques, operation and environment protection. The efficiency of underground water recharge was over 99 ％, and the underground water level kept rising after the recharge, which were good examples for our Southto-North Water Diversion Project.
【期刊名称】《南水北调与水利科技》
【年(卷),期】2011(009)001
【总页数】4页(P156-159)
【关键词】地下水回灌;大型调水工程;水银行
【作者】管光华;王长德;候峰
【作者单位】武汉大学,水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉,430072;武汉大学,水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉,430072;中亚利桑那调水工程运行控制中心,菲尼克斯,亚利桑那,美国,85024
【正文语种】中文
【中图分类】TV211.12;TV68
1 研究背景
我国人均水量不足、水资源北枯南丰的现状决定了我国需要兴建大型长距离、跨流域调水工程。

北方(黄、淮、海河流域)地下水的过量开采导致地下水位逐年下降,以致部分工程出水量减少甚至报废、有的出现吊泵现象、城市地区出现地面沉降、近海地区发生海水入侵,华北地下水超采1 200亿m3成为世界最大漏斗区,这些都给生产和生活造成极大危害,严重制约了城乡经济的可持续发展。

调水工程的兴建旨在改变这一现状,通过调水水量替换地下水开采量,以达到缓解水源紧张、遏制地下水位继续下降的目的。

然而由于地下水补给过程较长、补给水源地较远,地下水位的回升将会是一个非常缓慢的过程。

对于这一问题的解决,利用丰年多余的水进行地下水的回灌不失为一个好的方法。

大型调水工程由于其自身的大滞后特点,无法进行灵活的启闭调节,因而调蓄就显得尤为重要。

虽然我国的诸多调水工程(以南水北调中线为例)缺少调蓄配套设施,工程的运行希望受水区的取水量能够尽量保持恒定,这样一来在丰水季节则会造成多余
的水量无法储蓄的问题。

此时如能将多余的水量直接进行回灌补给地下水,将地下水水库作为调蓄枯丰年,以备在用水高峰期适量开采则可以使问题迎刃而解。

然而地下水的回灌以及再利用也有其局限性,因此在合理利用的同时也应注意避其害。

在长距离调水工程补给地下水的技术方面,美国的中亚利桑那调水工程(以下简称CAP工程)有着较为丰富的经验。

本文的主要目的在于介绍CAP工程利用地下水银行进行调蓄并补给地下水的做法,以期对我国的大型调水工程提供一个参考的思路。

2 CAP工程简介
CAP工程位于美国西部的亚利桑那州,所调之水为该州最大的地表活水资源。

该地区年降雨量不足500 mm,常年高温,属于干燥沙漠气候。

该工程上游从科罗拉多河取水,经过14级泵站加上中游一个蓄水蓄能水库,提水约885 m,最远输水至亚利桑那南部城市图桑,年输水量19亿 m3。

工程基本设计数据见表1,示意图见图1。

表1 CAP工程基本设计数据Table 1 General Designed Diameter of CAPCAP 项目干渠总长/km设计流量/(m3◦s-1)底宽/m设计水深/m糙率底坡节制闸数/个分水口/个数值 540 85 7.3 5 0.016 0.00008 39 40
图1 中亚利桑那工程布局图Fig.1 Layout of Central Arizona Project
CAP工程于1968年由当时美国总统签署文件并批准立项,委托美国内务部垦务局负责设计并建设。

CAP工程1973年动工,经20年的建设于1993年竣工通水,工程总造价超过400亿美元。

由于采用多级泵站提水,该工程年耗电量超过25亿kW◦h,有自备火电厂。

工程在建立开始运行时即开始进行地下水回灌,并与1996年成立亚利桑那省水银行权力机构。

目前有回灌点6个,并有一处新增回灌点正在设计施工,2009年总回灌量达3.2亿m3。

工程用于回灌,购水由州政府财政支出,属于公益预算。

在上游的内华达州根据联邦政府的水权协议有富余水时,交由CAP水银行存入地下,以备枯水年用做和亚利桑那州进行科罗拉多河水权置换。

回灌实施
以来区域内地下水位稳步上升,取得了良好的生态和环境效益并对工程实现了调蓄
作用。

3 地下水银行的原理及其在国际上的应用
“水银行”是一个比喻,其相当于一个虚拟的水资源存储调配系统,其主要包括水权分配、水量存储与支出、水权交易等。

其本质作用相当于金融业的银行,利用一定
的地表水库、堰塘、河网、湖泊以及具有一定封闭性的地下水库进行水量的整体积蓄与调配。

由于水资源流动性强,水文现象时空波动性大,经常出现供需矛盾,使用一对一式的存储使用模式成本很高,而水银行的建立可以大大降低交易成本。

地下水银行是水银行的一个重要组成部分,其基本原理是采用相对封闭的不透水岩
层组成的地下水库来进行水量的储蓄以及净化。

在这一领域内美国、以色列、荷兰处于世界领先地位。

加拿大、日本、澳大利亚、印度等国也都在极力发展地下水回灌技术,目前已建地下水回灌工程回灌能力由每年几千立方米到几百万立方米不等。

由于土壤自身有一定净化能力,许多国家都选择将污水处理厂的出水直接回灌地下水。

美国加州有200多个污水回用厂,它们为850多个用户提供回用水(非饮用),每年回用水量约3.8亿 m3。

在德国,Langen市为解决地下水位下降问题,采用就近污水处理厂的二级出水经曝气、沉淀、砂滤池过滤、臭氧氧化、活性炭吸附等措施深度处理后,通过土壤渗滤补充地下水,该项目于1979年投入使用。

水在土壤中的状
态可以分为汽态水,附着水,薄膜水,毛细水和重力水。

汽态水以蒸汽的状态混合在空气中而存在于土壤孔隙中;附着水和薄膜水都是由于土粒与水分子的相互作用而形
成的;毛细水是由于毛细管作用而保持在土壤孔隙中的,重力水是指在重力及液体动水压强作用下流动的水。

作为通常意义的地下水,主要是指重力水。

地下水存储在
深度上可以分为浅层地下水和深层地下水,浅层地下水一般由当地地表水补给,埋藏深度较浅,开采容易,补给较快并且直接;而深层地下水一般埋藏较深(100m以上),并且补给的水源难以探明,但往往水质较好。

因此地下水银行的操作,主要是集中在可
以直接、迅速补给的浅层地下水部分,利用土壤中的孔隙存储水量并通过毛细吸附作用得到一定的净化效果。

4 地下水银行的适用条件
地下水银行作为一种新型的水量储蓄手段,有着其自身的特点和适用性。

首先,采用地下水库最为重要的一个先决条件是区域的地质结构,区域应当具有一个相对闭合的不透水层。

CAP工程的每一个回灌点在选取之前都做了大量的地质勘探工作,以确保不透水岩层形成盆状结构。

其次,所选回灌点的土质以沙土为宜,较快的入渗速度保证了较少的蒸发蒸腾损失。

再次,回灌水源的水质应满足一定的要求。

目前也不乏污水回灌利用土壤的吸附作用达到净化水质的做法,然而即使是回灌的污水也需满足一定的化学及病毒学标准。

CAP工程的水源水质较好,因此适合直接回灌,这同我国的南水北调中线工程有相似点。

5 CAP工程地下水银行的设计思路、回灌效率及效果
CAP的回灌工程主要分为两种:一种是间接回灌,即采用CAP工程地表水替换部分井灌水源;另外一种就是直接回灌,即选择回灌点通过地表水入渗来补给地下水,本文主要讨论直接回灌工程。

回灌水主要分三部分:政府出资生态补偿、企业出资回灌替换地下水水权、部分企业投资性购买水权以作储蓄。

回灌工程主要由回灌受益区投资建设,并由CAP工程统一运行管理。

回灌点一般选择在干渠附近,这样可以减少输水管道铺设的成本,提高回灌效率。

入渗池以从高到低的次序排列,采用天然土层下挖2～3 m。

从CAP 干渠通过地下埋管引水至回灌点,水量以设计的速度进入回灌池并开始入渗补给。

目前CAP回灌输水管道直接由工程控制中心进行调配,在工程有剩余水量的时候进行回灌操作。

CAP工程地下水回灌的管理也是依照回灌水的出资方以及用途来分类的。

首先,对于政府出资进行生态补偿的回灌水,在经由本年度水文分析以及上游来水条件、区
域用水情况的平衡计算后,政府会从财政直接出资购买部分剩余水量直接用于地下水回灌,以利于改善生态环境。

其次,对于其它州(譬如内华达州)的水权交换,由内华达州根据自身用水供需矛盾提前一年提供年度购水计划并缴纳水费,亚利桑那州根据这一计划将相应的水量进行地下水回灌。

来年内华达州可以从科罗拉多河上游多取走这一水量而亚利桑那州则应少取,这部分水量则通过抽取地下水来补足。

再次对于部分没有地下水取水权的企业譬如矿山和工厂,可以通过向CAP工程缴纳水费,由CAP将水量回灌至地下而后这些企业则可得到相应水量的地下水开采权,并且实施就近开采。

最后,部分投资性水权,则由企业或者个人出资购水,CAP工程将这一水量回灌至地下进行储存。

在日后水价上涨的时候这些企业或者个人则可以卖出这些水量,购买者实际获得的是可以抽取地下水相应水量的取水权。

以位于工程北部的HMRP(Hieroglyphic Mountains Recharge Project)回灌工程为例,该工程完工于2003年1月并同时开始回灌操作。

工程预算547万美元,年设计回灌量为0.43亿 m3,设计回灌速率为0.83～1.46 m/d。

回灌池分为7块,总面积为15.378 hm2,输水系统采用直径为61～122 cm,见图2。

图2 HM RP回灌工程回灌池布置Fig.2 Recharge pool of HMRP site
从2003年开始,CAP就在回灌点附近埋设地下水位观测井跟踪记录地下水位变化规律。

其中1号井为距离回灌点较近观测点,其水位变化规律如图3。

由图中可见,在回灌点附近,地下水位受回灌影响较为迅速,2个月之内水位即开始明显回升并且初始阶段回升速度较快,3年以后地下水位趋于稳定,回灌水量开始向更远处扩散。

观测结果显示,6年的回灌运行使地下水位直接回升65 m,并且稳定在76.2 m的水平。

同时,观测点由于距离回灌池较近,地下水位受回灌的季节性影响也较大。

图3 HMPR工程1号观测井地下水位变化趋势Fig.3 Underground water level changing at N o.1 w ellof HMPR
为了了解回灌对较远距离地下水位的影响,HMPR工程在距离回灌池10 km以外埋
设了2号观测井,其观测结果见图4。

2号井由于距离回灌池较远,地下水位回升开始也较慢,回灌开始后12个月地下水位才开始回升,并且回升速度也较为缓慢。

然而地下水位在观测期间持续上升,直至2009年初已累计回升34 m,并有继续上升的趋势。

图4 HMPR工程2号观测井地下水位变化趋势Fig.4 Underground water level changing at N o.2 well of HMPR
由以上两组观测结果可见,CAP的地下水回灌工程对于补给地下水水量,恢复地下水水位起到了显著的效果。

在回灌的实施过程中,地下水的回升由近及远,形成了与地下水超采导致的喇叭形相反的地下水位。

回灌池的入渗速度每天由0.6m到2 m 不等,经工程管理人员测算,蒸发蒸腾损失约占入渗水量的0.5%。

然而回灌的速率并不是一成不变的,随着回灌操作的进行,回灌池表层土壤会有泥沙淤积以及固体颗粒的沉积,这会堵塞入渗通道并降低回灌率而延长回灌时间。

因此工程运行每隔一段时间需要进行表层入渗土壤清理。

工程常规运行时期每年放干4次,以解决回灌池中水藻繁殖的问题,并且每隔2年清淤一次,采用工程机械刮除回灌池底表面20 cm的淤积层。

6 地下水回灌在我国南水北调工程的应用前景
我国目前黄、淮、海河流域普遍缺水,导致地下水严重开采,地下水位连年下降。

北京、天津、河北以及河南等地水位下降已经超过20 m以上,部分地区地下水位已经逼近第一层不透水层。

南水北调工程的修建旨在缓解这一问题。

然而仅靠南水北调的水量替换地下水的开采,水位回升速度将较为缓慢。

并且由于渠道系统的特性以及运行操作的需要,在冬季需水量不大的情况下也要求渠道保持一定的水位以及流量。

因此选取合适的地质条件在调水工程的沿线进行回灌操作将显著加速地下水位恢复,并且起到对调水工程的水量进行调蓄的作用。

对于南水北调中线工程而言,调水线路1 420 km并且目前沿途没有规划调节水库,在需水量产生变化的时候可
以采用地下水水量作为调节库容,增强系统运行的灵活性及稳定性。

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