地下水库调蓄水资源的研究现状与展望

点 (! 蒸 发 损 失 小 ! 提 高 了 蓄 水 的 有 效 利 用 率 )" 不 占 土 地 资 源 % 不 动 迁 % 不 筑 高 坝 % 建 库 投 资 少 ! 但 水 资 源 开 发 成 本 较 高 )# 无 淹 没 %淤 积 及 次 生 盐 渍 化 等 问 题 !相 应 的 环 境 负 效 应 小 )$ 与 地 表 水 体 $ 河 流 % 水 库 & 等 联 合运用 ! 可以有效进行 水 资 源 的 统 一 规 划 )
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对策
地下水库研究方面存在的主要问题及 地下水库在工程技术上的难点主要集
0.,/’ ! 总 库 容 % "%* 万 ’"! 年 可 增 加 水 资
源 利 用 量 " ((( 多万 ’"% 为防止地下水质污 染 ! 修建 了 总 长 "+,.-’ 的 地 下 排 污 工 程 % 还 在 地 下 坝 内 外 和 库 区 内 建 立 观 测 井 ++ 眼 ! 定期监测水位 & 水质的变 化 $ 山 东 省 还 开 展 了滨海平原地下水库建设 的 研 究 工 作 ! 主 要 在建库设计可供水量计算 & 高 压 喷 射 灌 浆 地 下建坝孔距优选及板墙厚 度 设 计 & 地 下 水 库 雨洪回灌工程设计 & 地下 坝 防 海 水 入 侵 技 术 指 标 &地 下 坝 质 量 评 价 无 损 检 测 方 法 &地 下 水 库 补 给"― 开 采 优 化 调 度 研 究 以 及 地 下 建库经济效益分析方面进行了深入研究 $
自 !" 世纪 +7 年 代 以 来 ! 美 国 开 始 实 施 ’ 含 水 层 储 存 和 回 采 ):;<=>45 ?@A59B4 96C
D4EAF45G !:?D * 工 程 计 划 (! 在 干 旱 和 半 干 旱
地区推广利用含水层调蓄 水 资 源 的 做 法 + 在 丰水季节将水通过注水井储存到合适的含 水 层 中 !当 需 要 的 时 候 !再 通 过 该 井 将 水 抽 取出来以供使用 )HG64!)**%* , :?D 工程的
%由 于 含 水 层 的 过 滤 作 用 !水 质 良 好 !不 易
污染 ! 但污染后难于治理 #
"
国内外研究的现状
根据国内外地下 水 库 建 设 的 工 程 实 践 !
可将地下水库从工程形 式 上 划 分 为 两 类 ( 有 坝地下水库和无坝地下水库 #
!
地下水库
地下水库是指修建于地下并以含水层
"#!
水坝方能形成有效调蓄 库 容 时 ! 这 种 地 下 水 库称为有坝地下水库 # 早 在 !"#$ 年 ! 日 本 的 松 尾 氏 便 提 出 了 较为具体的关于修建地下水库的设想#
%"&’ 年 ! 在 长 崎 县 野 母 崎 町 桦 岛 采 用 灌 浆
法建设了第 ! 座有坝地下水库! 总库容约 为 " ((()*# 但由于当时的技术与条件所限 ! 出现了水质咸化问题 !%"+( 年对该防渗墙进 行了改进后 ! 水中盐分浓度从未超过饮用水 标准 ! 达到了蓄水与防止海水入侵的双重效
余水量通常储备于地下含水层中 ! 因此 !水银 行的储水实体也常被称为 ’ 地下水库 ($ 位于 加州河谷南部的 3456 县水银行 ! 以 3456 河 冲积扇为蓄水实体 ! 其蓄水能力至少有 !0$"% 亿 ’"! 目前已蓄水 !7$/ 亿 ’"! 抽水能力达到 约 " 亿 ’ 89!是世界上最大的水银行 $
果 # %"&" 年在冲绳县宫古岛建成了总库容为
&( 万 )* 的皆福地下水库 ! 地下坝采用灌浆
方法将水泥浆灌入珊瑚礁石灰岩空隙 ! 造成 连续的截 水 墙 ! 长 ,(()! 高 %-.,)! 厚 ,)! 考 虑到避免农业上的化合物集聚 ! 防渗墙为半 透水 !使含水层蓄水后仍可向海里渗流 # 继宫 古岛地下水库建成后 ! 又相继兴建了福井县 常神地下水库 %福冈县天熊地下水库 % 冲绳县 砂川和福里地下水 库 等 %( 余 座 有 坝 地 下 水 库 /%0! 总 储 水 量 可 达 1 +(, 万 )*! 有 效 实 现 了 增加农业和生活供水能力以及防止海水入侵 的目标 !成为日本水资源管理的重要措施 # 由于日本所处的 特 殊 地 理 位 置 ! 其 所 修 建的地下水库均为有坝 地 下 水 库 ! 日 本 在 地 下坝施工方面目前居于 世 界 领 先 地 位 ! 在 地 下坝建设方面发展了原 位 搅 拌 法 % 灌 浆 法 % 置 换 法 $地 下 连 续 墙 法 &和 钢 板 桩 法 等 多 种 方法 /%0# 我国的有坝地下水库基本可以分为 1 种 (! 岩 溶 山 区 有 坝 地 下 水 库 ( 在 岩 溶 含 水 层 径 流 集 中 地 段 !建 筑 地 下 拦 水 坝 !主 要 用 于封闭地下洞腔 % 抬高 地 下 水 位 # 据 不 完 全 统计 ! 至 %"", 年 南 方 , 省 已 建 成 岩 溶 地 下 水库 ,1 座 ! 总蓄水量达 $ ((( 万 )*! 可 灌 溉
1&2
#+"-’# 的面积为地下水库库区范围 ! 总库容
约 + 亿 ’", 通过模型研究 ! 论证了控制地下 水位持续下降和进 行 优 化 调 蓄 的 方 案 ! 虽 然 这一方案论证后并 未 实 施 ! 但 为 平 原 区 地 下 水库建设论证工作提供了可供借鉴的模式 ,
设计思想与地下水库的理 念 不 谋 而 合 ! 但 由 于它主要以承压含水层为 目 标 ! 并 以 井 灌 为 补给手段 ! 因此我们只能 将 其 视 为 地 下 水 库 的一种类型 , :?D 工程的应用范围除了水资 源地下调蓄外 ! 还广泛用 于 保 护 和 修 复 生 态 环境 # 改善水质以及管理废水等 , 到 #77# 年
/ 月 ! 美国正在运行的 :?D 系统共有 %. 个 !
而建成的系统则在 )77 个 以 上 1%2, 美 国 水 资 源委员会于 #777 年 底 完 成 的 - 区 域 和 全 国 尺 度 地 下 水 系 统 调 查 .报 告 !在 所 确 定 的 全 国和区域地下水系统 / 个 优 先 研 究 领 域 中 ! 含 水 层 储 存 和 回 采 工 程 ):?D * 被 列 为 第 二 项 1.2, 我国的无坝型地下水库研究工作主要 是在人工补给实践与浅层地下水开发利用 研 究 相 结 合 的 基 础 上 发 展 起 来 的 , )*//I
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中在人工补给工程 补 给 效 率 问 题 ) 入 渗 速 度 和入渗量 *& 堵塞的 预 防 与 治 理 问 题 & 地 下 储 水的水质变化和水 岩 相 互 作 用 等 问 题 ! 对 于 这些问题 ! 可以借 鉴 国 内 外 关 于 地 下 水 人 工 补给方面的相关研究成果 , 尽管世界各国在利用地下水库进行水 资源人工调蓄的实 践 方 面 已 有 多 年 历 史 ! 但 至今尚未形成系统 的 地 下 水 库 理 论 体 系 ! 目 前存在以下主要问题 + )) * 地下 水 库 的 概 念 界 定 问 题 , 在 美 国 的 科 技 文 献 中 ’B5A<6CJ9@45 54K45FA=5 ) 地 下 水 库 *( 通 常 指 的 是 含 水 层 ! 而 水 银 行 )C5A<BL@
修建地表水库一直是水资源人工调蓄 领域中的主要方法 ! 可以发 挥 防 洪 " 供 水 " 发 电 "灌 溉 的 综 合 效 益 !提 高 水 资 源 的 利 用 程 度 # 但修建地表水库的损失 $ 如淹没 % 占地 &% 风险 $ 如诱发地震 % 溃坝等 & 以 及 引 起 的 环 境 负 效 应 $如 下 游 流 量 锐 减 %库 区 土 壤 盐 渍 化 等 & 也日益受到人们的 关 注 # 而 且 大 多 数 河 流 !经 过 梯 级 开 发 !已 不 具 备 建 设 地 表 水 库 的条件 # 因此 ! 世界上 一 些 国 家 已 经 放 弃 了 修建大型地表水库调蓄 水 资 源 的 作 法 ! 而 是 越来越多地利用地下含水层的广阔空间修 建地下水库 ! 实现水资源的地下人工调蓄 #
综
述
地下水库调蓄水资源的研究现状与展望
杜新强 ,"廖资生,"李砚阁 ’"冶雪艳 ,
%,/吉林大学 环境与资源学院 ’吉林 长春 3*((’-$0/ 南京水利科学研究院 ’江苏 南京 ’3((’" &
摘
要 (地下水库是水资源人工调蓄领域中的热点问题 ’ 在水资源开发 ) 利 用 与 保 护 方 面 都 Байду номын сангаас 具 功 效 ’ 是 实 现 水 资
(.+" 万 2)’ 粮田 /30# 建于 %""( 年的贵州普定
收稿日期 !1((!4"#43& 基金项目 ! 水利部科技创新项目 "$%&’""()*+ #$ 吉林省科技厅社会发展重点项目 %’**’**, & 作者简介 ! 杜新强 %,-..) &’ 男 ’ 黑龙江肇东人 ’ 吉林大学环境与资源学院 ’ 助教 ’ 博士研究生 ’ 主要从事地下水资源评价与管理的教学与科研工作 (
源可持续利用的重要途径之一 ( 我国目前应该大力开展对地下水库相关理论问题与实践技术的研究工作 ’ 逐步建立和 完善指导实际工作的理论方法和操作性强的应用规范 ( 地下水库技术对于我国干旱 ) 半干旱地区 ) 岩溶山区 ) 滨海地区 ) 地下水超采区的水资源可持续开发具有十分重要的意义 ( 关键词 ! 地下水库 $ 人工调蓄 $ 人工补给 $ 含水层 中图分类号 !1#!, 文献标识码 !2 文章编号 !3((34&*$+ #’((,$(’43,.44(*
! 月号! !""" #$% 科技进步与对策!
综
述
县马官地下水库便是一个 成 功 实 例 ! 该 水 库 处于峰丛洼 地 " "" 峰 林 谷 地 过 渡 带 ! 主 要 利 用当地发育的落水洞 # 地 下 河 及 与 其 连 通 的 岩溶 洼 地 联 合 蓄 水 ! 总 库 容 为 !"#$%& 万 ’"! 挡 水 坝 体 为 砌 石 拱 坝 ! 拱 厚 ($&’ ! 虽 然 工 程 量很小 ! 却充分发挥了灌溉 # 防 洪 # 供 水 的 重 要作用 $ ! 其它地区有坝 地 下 水 库 ! 主 要 指 修建在岩溶山区以外的平原地区或丘陵山 区的有坝地下水库 ! 其地 下 坝 修 建 理 念 与 方 法主要 来 源 于 日 本 的 工 程 实 践 $ )**( 年 ! 山 东省龙口市在国内首次采用高压喷浆技 术 ! 修 建 了 八 里 沙 河 地 下 水 库 $ )**+ 年 又 建 成了目前亚洲规模最大的有坝地下水 库" "" 黄 水 河 地 下 水 库 ! 该 地 下 水 库 位 于 黄 水 河 河 谷 ! 距 入 海 口 ),#-’ ! 地 下 坝 采 用 高 压 喷 浆 技 术 建 成 ! 全 长 . /((’ ! 平 均 深 度
有坝地下水库 当地下水库的储水区需要修建地下挡
为 调 蓄 空 间 的 蓄 水 实 体 !它 在 取 水 %用 水 和 调节水资源方面与地表水库具有相似的功 能 ! 目前还没有严格和 通 用 的 定 义 # 地 下 水 库调节水资源的基本原 理 是 ! 在 丰 水 期 将 多 余的地表水储存在地下 水 库 中 ! 干 旱 缺 水 的 时 期 大 量 取 用 !同 时 腾 出 地 下 库 容 !为 下 一 个丰水期储水提供空间 条 件 ! 以 这 种 周 期 性 补 给’ ’’ 开 采 的 运 行 方 式 调 节 水 资 源 供 需 的时空矛盾 # 与地表水库相比 ! 地 下 水 库 具 有 如 下 特
"
术方法 & 地下水人 工 补 给 堵 塞 机 理 及 消 除 堵 塞的 方 法 &人 工 补 给 地 下 水 的 水 动 力 场 &浓 度场和温度场的变化特征& 探讨地下水人 工补给渗流理论和方法! 为建立西郊地下 水库提供科学依据, 北京市地质局水文地 质 工 程 地 质 公 司 于 )*+) %)*+" 年 间 ! 在 北 京 近 郊 约 ) 777-’# 范 围 内 开 展 了 大 量 的 水 文地质调查 & 回灌 试 验 以 及 室 内 模 拟 实 验 ! 进行了各种水文地 质 参 数 的 测 试 ! 取 得 了 近 百万个数据! 综合研究圈定出西郊地区