地表地下水联合调度

地表地下水联合调度--以豫北灌溉区为例

黄河下游引黄灌区概况

1自然地理

黄河下游自桃花峪至入海口,地跨河南、山东两省,河道长785.6km,横贯华北大平原。黄河下游地区属黄河冲积洪积平原区,地势平坦。由于黄河泥沙的淤积,河床高出地面,形成“二级悬河”,使下游地区具有理想的引输水条件,同时也容易发生决口和洪涝灾害。高出两岸的河床和沙壤土的高透水性,使得河水侧渗比较强烈,历史上涝、碱灾害比较严重,盐碱地、沙荒地和涝洼地分布较广。

黄河下游引黄灌区位于东经113°24’~118°59’，北纬34°12’一38°02’之间,在黄河两岸沿河道走向呈条带状分布。灌区总的地势由西南向东北呈缓缓倾斜之势,地面坡降在1/4000一1/10000之间,到下游河口地区,地面坡降更缓,多在1/10000以下。

由于黄河的历次决口、改道和泛滥,区内遍布古河床、古漫滩和沙丘岗地等,加之现代河流的作用和人类活动的影响,灌区内岗洼交错分布,微地貌复杂。

2气象水文

该区域属于暖温带半湿润半干旱季风气候,春旱多风、夏季多雨、秋旱冬寒、缺雨少雪是这一地区的主要气候特点。区内多年平均降水量600~700mm左右,降水量由东南向西北方向递减;区内蒸发量在1200mm左右,是降水量的2倍。降水的年际变化大,年内分配不均,降水量的70%集中在6~9月份,并多以暴雨形式出现,能为作物有效利用的降雨仅为作物需水量的三分之一左右,因此该地区几乎年年春旱, 夏涝秋又旱,冬寒干燥,旱涝灾害交替出现,而且常常出现连续干旱年或涝灾年。

3水资源及利用现状

3.1水资源概况

(1)降水量

降水是黄河下游地区当地地表水和地下水的主要补给来源,又是对灌区农作物生长有着直接影响的水资源。降水量的大小及时空分配对区域水资源量的多少与时空变化以及灌溉用水量的多少都起着决定性的作用。

(2)地下水

灌区的地下水资源补给来源主要有降水入渗、河道渗漏、灌溉入渗(包括渠系入渗和田间渗漏)、湖泊及闸坝渗漏等,通过地下水开采、潜水蒸发和地下径流等形式排泄。

3.2水资源开发利用现状

黄河下游地区水资源开发利用工程主要包括引河工程(含引黄工程、引用其它河水灌溉工程)、蓄水工程(含水库、坑塘、湖泊等)、机电提灌工程、机电井工程等。

4.以豫北灌溉平原为例

4.1联合调度的必要性

豫北平原第四系浅层地下水天然资源量为35.28×108m3/a,可采资源量为32. 2×108m3/a。据1991～2000年均衡计算,每年采补均衡差为-1. 54×108m3,即开采量大于天然补给量,已超采。同时地下水资源量分布与开采量分布的不吻合性,给地下资源的科学应用带来了诸如濮阳地面沉降等环境问题。有资料表明,到2010年豫北平原年需水量为45. 42×108m3, 2030年为76. 82×108m3,届时水资源问题会更加突出。

由于黄河断流现象逐年加剧,地表水资源保障力减弱,浅层地下水资源的不足在很大程度上意味着将来豫北平原水资源不能满足人类生产生活的需要,因此我们必须想办法增加补给量满足人们的需要。

同时,豫北平原属于暖温带半湿润半干旱季风气候,一年四季分明,年内降水量在时间及地域上分布不均匀。年内降水多集中于5～8月份,占全年降水量的71.2%,沿黄地带及太行山前地带降水量较大,造成大量地表水资源流失。每年汛期大量的黄河水过境入海成为弃水。因此我们有必要开展地表水与地下水的联合调度增加可利用水资源量。

4.2联合调度的理论基础

我们习惯说的水循环是指水文循环,它发生于大气水、地表水和地壳岩土体空隙中的地下水之间,在太阳辐射和重力作用下以蒸发、降水和径流等方式周而复始地进行。它通过不断循环转化来保证水质水量的不断更新,并在其再生速度水平上满足生物的永续利用。目前人力无法改变海洋与大陆之间的水文大循环,但却可以通过调节大陆内部的水文小循环条件,改善局部水资源状况。当天然条件下的水资源更新再生不能满足人类的需要时,不可避免的人们就要在一定范围内改造它。豫北地表水与地下水联合调度研究即是利用了水资源的系统性、流动性、可恢复性和调节性,结合其实际条件而进行的人类干预水文小循环改善水资源状况的探索。现在人们可以调节的水资源系统包括地表水系统、地下水系统及云水系统。近几十年人们开始认识到了云水系统,也就有了人工降雨等云水系统的调节手段,但调节能力还很有限,人们有能力调节的主要水资源系统还是地表水系统、地下水系统。

受各自系统补给条件影响,各

自在系统内部的水量时空分布的不均性方面相对独立,同时两者都是水文循环的一部分,又可通过补给、径流和排泄等各种关系相互转化,即通过水的运动过程表现出相互联系性。地表水系统在与地下水系统联系较弱时水量调节能力较差,水量变化主要受大气降水的影响,降水汇集到河流后快速成为入海弃水,大部分不能成为人类活动的可利用资源,因此人们改造湖泊和修建人工水库以获取更多的水资源。地下水系统则可以使不连续的水量输入变为持续水量输出。集中的水量补给可蓄积在巨大的地下水库中,然后缓慢释放或供人类活动开采,成为人类活动的可利用资源。因此开展地表水与地下水联合调度研究,增加可利用水资源量在理论上是可行的。

5.蓄洪的技术思路

5. 1水量保障思路

为了做到最大限度获取洪水资源量只有两种办法,一要尽可能加大入渗面积,二要加快入渗速度。加大入渗面积我们可以尽可能使豫北平原河渠网络化,实现“一处有水处处有水”;还可在适当条件下使林地适度淹水以加大入渗量。为加快入渗速度可选择合适地带适当地打砂井,还可在水质条件、地质条件许可的情况下打注水井实现加压快速蓄水。

5.2 水质保障思路

以野外调查和水土分析试验为主要手段,开展地表环境背景值调查,查明可能随水入渗造成地下水污染的主要污染物及分布区,确定输水线路及主要蓄洪区。以钻探、模拟试验、水土分析为主要手段,开展地下环境背景值调查,查明输水线路及主要蓄洪区包气带污染物情况,用水盐平衡理论预测评价水位上涨后可能出现的情况。开展不同条件下砂井模拟试验,依据拟引水源的的实际情况确定保证水质情况下砂井所需参数。

5. 3水位保障思路

水位保障分为地表水水位保障和地下水水位保障。地表水水位保障也就是保障调水不出事故。地表大规模调水处理不当很容易造成下游或地势低洼地区的水淹事件的发生。为此我们应以测量和水利工程为主要手段进行实地勘测,修建必要的水工构筑物,例如水闸等,以防水淹事件的发生。地下水水位保障也就是保障地下水水位不严重超过预定水位,不致给人类生产生活造成负面影响,例如局部盐渍化等。为此应在蓄洪期在典型地带建立地表水和地下水动态自动监测系统和人工监测系统,随时监测水位变化情况。

5. 4动态通讯保障思路