北方沿海中小流域地下水库建设可行性研究——以六股河平原区为例.pdf
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1、Vo 1 3 7 No 1 J a n 2 01 0 水文地质工程地质 HYDROGEOLOGY ENGI NEERI NG GEOLOGY 第 3 7卷 第 1 期 2 0 1 0年 1 月 北方沿海 中小流域地下水库建设可行性研究 以六股河平原区为例 兰双双 , 迟宝明 , 姜 纪沂 ( 1 吉林 大 学环境 与资源 学院 ,长春1 3 0 0 2 6 ; 2 防灾科技 学院 , 三 河0 6 5 2 0 1 ) 摘要 : 我 国北方沿海 中小流域地表水资源相对 比较丰富, 但 受到 自然地理 条件的约束 , 大 部分被弃流入海 , 水 资源的有 效利用程度低 , 局部地区地下水位持续下降
2、 , 造成海水入侵等 问题 , 严重威胁着有 限的地下淡水资源。针 对存 在的问题 , 本文以辽宁省六股河平原 区为例, 从补给水源 、 地下储水空间 、 水更替条件 等角度分析了该 区地下水库的建设条件 , 通过 拟建水源地和人工回灌补源工程等措施 , 利用地下水流数值模拟模型对该区地下水库 的运行状态进行 了预测 。结果 表 明 , 该区修建地下水库可有效地将 丰水期( 年 ) 多余的地表水储存于地下 , 增加地下水 的补给量 , 实现地下水与地表水 的 联合开发利用 , 提高水资源的利用率 , 同时表明人工回灌补源工程是地下水库建设成功与否的关键因素。 关键词 : 地下水库;人工回灌 ;
3、 沿海 中小流域 中图分类号 : P 6 4 l 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 3 6 6 5 ( 2 0 1 0 ) O 1 - 0 0 4 0 - 0 5 1 问题 的提出 修建地表水库一直是人工调蓄水资源的有效途 径 , 但地表水库选址具有其局限性, 同时也可能引起很 大 的风险和损失 。与此 相 比, 地 下水库具有安 全性高 、 投 资少 、 不 占地 、 无淤 积 问题 等优 点 , 故地 下水 库 作为 一 种 “ 环 保 型水 资源 开 发 工程 ” 越 来 越受 到 广 泛 的关 注 , 成为 国 内外研 究 的热 点 之一 。 日本 、 以色列 、 美
4、国 等 国家早 在 3 0年 前就 已开 展这 方 面 的研究 。我 国 在 这方 面的研 究起步较 晚 , 但在 北京市 西郊 、 河北南 宫 等地 已修建 了地下水 库 , 在地 下水 库 的建 设 方 面积 累 了宝 贵的经验 。 我国北方 沿 海 中小 流 域 地 表 水 资 源 相对 比较 丰 富 , 但 受到 自然地 理条件 的限制 , 大部 分地表水 以径流 形式排泄 人海 , 水 资源 的有效 利用程度 低 , 同时 随着工 业 及城市 的发展 , 地下 水被大 量开采 , 地 下水位持续 下 降, 导致沿海地带发生海水入侵等环境灾害, 严重威胁 着有 限的地下淡 水 资源 。
5、 因此 , 如何 针对 北方 沿 海 中 小流域平原区水文地质条件和水资源开发利用现状 , 通过地下储水空间的调蓄功能, 将地表水蓄存于地下, 减少地表径流损失 , 提高水资源有效利用程度 , 是亟待 收稿 日期: 2 0 0 9 -03 - 2 3 ; 修订 日期 : 2 0 0 9 0 6 - 2 4 基金项 目:教育部博士点基金( 2 0 0 6 0 1 8 3 0 2 6 ) 作者简介:兰双双 ( 1 9 8 2一) , 女 , 博士研究生 , 主要从 事地 下水 资源评价与开发利用等研究 。 E ma i l : l a n s hu a n g s t o m c o m 解决 的
6、重要研究课 题 。论 文 以辽 宁省葫芦 岛市 的六股 河平原区为例, 对地下水库在北方沿海 中小流域地 区 的调蓄功 能进行 了有 益 的探讨 。 2研究区建库条件 2 1 研 究 区概 况 六股河冲洪积平原和冲海积平原 , 总面积为 2 4 8 7 8 k in , 位于辽宁省葫芦 岛市 的西南部。该区地 下水 补 给来源 以大气 降水 为 主 , 主要消耗 于人工开 采 , 地下 水资源年内基本处于均衡状态( 表 1 ) 。但根据现状开 采及 未来发 展规划需 求 , 到 2 0 1 6年地下水 需水量将 达 到 8 7 0 01 0 11q a , 而 目前的供水现状已远不能满足 未来
7、的需水要求 , 故该区水资源面临着严重短缺的潜 伏危机 。该 区地 表径 流 比较 丰 富 , 多 年平 均 径流 量 为 6 。 0 4 6 41 0 m , 年人 海量却 达到 5 5 6 5 31 0 m , 说 明该区目前只注重 了地下水资源的开发利用 , 忽略了 地 表水与地 下水 的统一 规划 与 管 理 , 从 而 也 引起 了大 量地表水浪费, 局部地区地下水位持续下降, 水资源利 用效率低等问题。故探讨在该区修建地下水库 , 对实 表 1 2 0 0 6年地下水资源量均衡表 T a b l e 1 G r o u n d w a t e r r e s o u r c e s
8、 e q u i l i b r i u m t a b l e f 1 0 n l l a ) 补给量 排泄项 均衡差 大气降水人渗量 3 1 6 0 0 9 人工开采量 灌溉回渗量 l 9 3 8 3 河流排泄地下水 量 边界补给量4 7 4 4 5 下游边界流出量 河流渗漏补给量1 0 9 6 2 4 潜水蒸发量 合计 6 6 6 9 0 8 合计 4 9 3 3 2 7 7 0 5 23 0 8 3 1 6 8 5 2 9 2 6 5 8 5 9 2 第 1 期 水文地质工程地质 现 地表水 与地 下水 的联 合 调 度 , 缓 解 该 区未 来 水 资 源 压 力具有 积极 的作 用
9、 。 2 2 建库 条件 分析 地下 水库 的建设 必 须 满 足 一定 的基 本 条件 , 应 选 择边 界条 件清 楚 的储 水 构 造 , 储 水 空 问 的底 部 存 在 相 对不透水层, 除进水 、 出水边界外, 储 水空间的四周边 界应 相对 封 闭或通 过工 程 措 施 可使 之 相 对 封 闭 , 储 水 空 间要有充 足 的补给水 源 和一定 的调 蓄能 力 。 2 2 1补给 水源 建设地 下水 库 的先决条 件是 具有 一定数 量和 质量 的地 下水 源补 给 条件 。 , 它直 接 关 系 到 地 下水 库建 设 的成败 。研究 区 内第 四系孔 隙潜水 主要来 源 于
10、地表 水入 渗补 给 , 而地 表 径 流 年 人 海 量 达 到 5 5 6 5 31 0 m a , 拦蓄率低 , 尤其是在汛期 , 大量被弃 流入 海 , 故 地表 水径 流的拦 蓄利 用 潜 力很 大 , 应 在 保 证 流域 生态 环境需 水量 的前提 下 , 汛期极 大 限度地 激发河 流人 渗 , 或通过 渗流渠 、 地 下 暗渠 等 人工 措 施 将 河 水 引入 地 下 储 水空 间 , 补 充枯水 期 的消耗 量 , 为地下 水库 的建设 提 供充裕 的补 给水 源 。 2 2 2 储 水 空间 研 究 区地 下水 库储 水空 间含水 层 主要 由第 四系 的 砂 砾石 、
11、 砂砾 卵石 组 成 ( 图 1 ) , 分 三 部 分 : 上部 为 全 新 统含水层 , 包 括全 新统 冲洪积 物 和海积 物 , 冲洪积 物沿 六 股河广 泛分 布 , 厚 度 一 般 28 m, 岩性 为 亚 粘 土 、 亚 砂 土 、 砂 含砾 、 砂砾 石 、 砂 砾卵石 , 海 积物 呈条带 状或 扇 状分布于近海地带 , 厚 3 8 m, 岩性为亚砂土、 细砂、 砂 砾 卵石 、 砾卵 石 ; 中部为 上更新 统 含 水层 , 厚 度 为 1 4 2 2 m, 主要岩性 为砂 砾石 、 砂 砾 卵石 、 砂 砾 卵石 混 土 ; 底 部 为 中更 新统 含水 层 , 隐 伏
12、于六 股 河 冲洪 积平 原 中部 及前 缘上 更新 统之 下 , 基 岩 之上 , 厚度 1 0 m左 右 , 主 要 岩 性为砂 砾卵 石 、 砾 卵石 混土 、 亚粘 土混 砂砾 卵石 。可 见 , 第 四系潜水 含水层 水力 联 系密切 , 含水 层分 布 面积 广 、 厚度大 , 为该 区地 下水 库 的修建 提供 了 良好 的储 水 空 间 。 研究 区储 水空 间含 水 层 下 伏 太 古界 混 合 花 岗 岩 , 为 隔水边 界 。库 区北 部 为 六 股 河 入 口处 , 为地 下 水 径 流补 给边 界 ; 东 、 西侧 边 界 均 靠 近基 岩 , 有 少 量 的 侧 向
13、 径 流补给 ; 西南 部边 界 为六 股 河 平 原 与 狗河 平 原 的 分 界线 , 为地 下水 分水 岭 。此 外 , 六 股 河下 游地段距 海 岸 带平 均约 1 k m 处 , 分 布 着 带 状 基 岩 区 , 可充 分 利 用 天 然条 件 , 作 为地 下水 坝 , 有 效地 起 到避 免 海水 入 侵 、 淡水流失等作用。总之, 库区四周边界相对 比较封闭, 能够 有效地 控 制进入 库 区 的地 下水 , 避免 库 区 淡 水 资 河 湾 盔 1 团 2 囵 3 圈 4 巨 5 囫 6 图 1 六股河平原 区水 文地质立体剖面 图 Fi g 1 Thr e e - di
14、 m e ns i o n pr o f i l e o f s t o r a ge s pa c e i n t he pl a i n ar e as of Li ug u Ri v e r 1 一基岩 ; 2 一砂砾石; 3 一粘土夹层 ; 4 一 中粗砂 5 一 一亚粘土或亚砂土 ; 6 一河流 源 的径 流损 失 , 并 可有效 地 防止淡 水成化 。 研 究 区含水层 厚 度 一般 在 1 55 0 m, 由西 北 向东 南逐渐 增厚 , 东 、 西 两 侧 以北 均 靠 近 基 岩 , 厚 度 较 薄 。 研究区最大库容为 6 5 3 1 7 X 1 0 m , 根据 目前地下
15、水 的埋藏 条件 , 实 际库容 为 5 8 3 9 51 0 I T 1 , 故 目前地下 水 库 的可调 蓄库容 为 6 9 2 21 0 m , 占可 开采 资 源量 的 6 3 4 8 , 可见 , 研 究 区地下 储 水 空 间具 有较 大 的调 蓄潜力 。若增 加地 下 水 的开 采 量 , 可 为丰 水 季 节地 表 水的入渗腾出一定的库容 , 则地下水库的可调蓄库容 必 将 随之增 大 。 2 2 3 水 更替 条件 研究 区地 表断 续分 布着亚 砂土 、 亚粘 土层 , 厚 度较 薄 , 有利于大气降水的天然入渗补给。六股河河床渗 透 性好 , 可采取 沿河 线状 布井 方
16、式开 采地 下水 , 激 发河 流的入渗补给 , 促进河水与地下水的水量交换。同时 , 可选 取地 形平 坦开 阔 的地 区 , 在 垂 直地 下 水 径 流方 向 采用 梅花 布井方 式 开采地 下水 , 一方 面拦蓄 地表径 流 , 另一方面增加地下水开采量 , 形成区域地下水位 降落 漏 斗 , 进 而通 过沟渠 或 渗渠 等 人 为 干 预方 式 调 蓄补 给 水源, 加快地表水与地下水 的水量交换 。 3地下水库人工 回灌调蓄方案 3 1 方案 拟定原 则 ( 1 ) 新 建水 源地 的开采 量 应最 大 限度 地 满足 该 区 未来发展规划的用水需求。 ( 2 ) 水源地的选取应尽
17、可能大地截取地表径流, 兰双双 , 等 : 北方沿海 中小流域地下水库建设可行性研究 以六股河平原区为例 2 0 1 0年 激发河流的入渗补给量。 ( 3 ) 枯水 期 动 用地 下 水储 存 量 , 形 成 局 部人 工 降 落漏斗, 腾 出一定的可调库容, 以便丰水期进行人工补 给 或天然 回灌 , 恢 复地下水 储存量 。 ( 4 ) 充分 利用沿 海地 区天然 基岩 带 或通 过人 工 回 灌措施 , 防止地下水位下降过大, 引起海水 回灌 , 水质 咸化等环境地质问题。 3 2 方案 的设计 遵循 上述 建库 原则 , 选 取六 股河 沿岸 的孤 家 子一 后永安寨一海泉东和远河的大
18、施堡一塔山两处为拟建 水 源地 , 根据 未 来 发展 , 设 计 总开 采 量 为 3 7 6 71 0 I T a 。地下水库具 体取水工程设计如表 2 , 开采井的 布 置如图 2 。 E 二 二 开 采 井 沟 渠 1 三 三 边 界 基 岩 图 2 研 究 区拟 建 水 源 地和 补 源 工 程 位置 图 Fi g 2 Si t e pl an of pr op o s e d wa t e r - s o ur c e s i t e s a nd r e c h a r g e - p r o j e c t i n t h e s t u d y a r e a s 回灌补源是
19、保 证地 下水库高效 运行 的一 项重要工 程。六股河由绥中县城北部流入区内, 向东南注入辽 东湾 , 对 地下水 回灌 补 给 极为 有利 , 尤 其 在汛 期 , 河流 径流量很 大 , 傍河水 源 地适 当地 增 加开 采量 可 以有 效 地激发河 流 的人 渗补 给 。远 河 地 区枯 水 期 增 大 开 采 量 , 动用地下水 静储量 , 为丰水期 尽可能 大地截取地 表 水源 地腾 出库 容 , 丰水期 不进行 开采 , 以免地 下水位 下 降过 大 , 造成海水 入侵等 问题 , 可通 过人工修 建沟渠 的 措施 , 增加 地下水补 给量 。依实际条 件 , 远河 区 回灌补 源
20、的沟渠位置选取在大施堡 一塔山水源地井排的南北 两侧( 见图2 ) , 垂直于地下水流方向, 回灌区各沟渠设 计 长度为 5 1 5 8 m, 宽 2 m, 深 2 m。 回灌 期选 定 为 丰 水 期 , 回灌期沟渠水头保持在 44 5 m。通过上述涉及 可保证 任意 时间段 内 , 地下水 总开采不变 , 实现地 下水 库从 时空上 凋蓄地 下水资源 的功能 。 表 2 地 下 水 库取 水工 程 设 计 Tabl e 2 De s i g n e x pl o i t a t i o n of n e w wa t e r s o ur c e s i t e s 子 二 雪 变 大 拖
21、 堡 一 塔 山 安 寨 一 海泉东 一 帅段 , 1 0 4 m 总开 采 量 1 0 m a 4地 水 厍 调 蓄 效 果 分 析 4 1 地下水库 水流模 型 的建立 将 研究 区地下水 流概化 为非均质各 向同性 的潜水 二维非 稳定 流 , 建立相 应 的水 流数学模 型 : 击 砌 ) 卜 ( tt , 】 + : 警 ( , , , , 0 )I : 0=Ho ( , Y ) 日( , y , )I 。 。=H ( , , f ) ) -g ( f ) c I 凡 J ( , Y D, t 0 ) ( , Y D, =0 ) ( , YD1 , t 0 ) ( , YD 2 ,
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