董偉科 欒 琦 劉 陽

（大連北方基礎工程有限公司 遼寧 大連 116037）

0 前言

據(jù)世界“水組織”最新估算，淡水資源占地球總水量的6%，減掉冰蓋、冰川等，那么地下水幾乎占有了淡水資源的全部。地下水泛指充分飽和了的土層和地質(zhì)層中的地下水位以下的水體。大氣降水是地下水資源最基本來源之一，由于陸域上各種因素的影響，導致大氣降水系分布的不均勻性，因此，陸地水資源在時空領域分布上亦不均衡。地表徑流（面狀、線狀、常年性和季節(jié)性等）和各類地下徑流的存在，造成很大程度上的水資源浪費，如何利用各種工程手段，有效的攔截這些徑流取之利用，成為現(xiàn)今專家、學者廣泛觀注的課題。“地表儲水體系”即地表水庫，成為迄今為止水利工程建設的主體。對于地下水庫的概念，世人之今還比較陌生，工程實例也較少，僅在國內(nèi)及少數(shù)省份以探索、研究的方式開發(fā)利用，缺乏根本性的認識。

國外一些學者經(jīng)過系統(tǒng)的研究分析，將地下水庫稱之為“環(huán)保型水資源開發(fā)工程”。近幾年這類工程，國外發(fā)展速度很快，日本、以色列、美國、荷蘭、前蘇聯(lián)、法國等國家，早在上個世紀二、三十年代就已開始這方面的工程實踐。我國在20世紀80年代后也相繼在北京、河北、山東、大連等地試驗性的建設了一批不同類型的地下水庫（見表1），取得了寶貴的經(jīng)驗。

表1 我國已建的部分典型地下水庫

目前還有一批濱海河谷型地下水庫正在遼東半島和山東半島孕育施工，有力地顯示了這種環(huán)保型水資源開發(fā)方式的強大生命力，尤其在水資源貧乏海水入侵嚴重的濱海地區(qū)，實踐意義更為重大,不失為一種即可充分地開發(fā)地下水資源又可有效地防止海水入侵的可靠的地下水開發(fā)模式。

筆者根據(jù)我國的部分省、市成功的建成這類工程實例，在我公司以往研究成果的基礎上，就地下水庫其本概念和有關的幾個基本問題取得了一點認識與同行學者一起共同探討。

1 地下水庫基本概念與分類

1.1 地下水庫基本概念

地下水庫是以巖石天然空隙為儲水空間并在人工干預作用下形成的儲存水資源和調(diào)蓄能力的一種地下水開發(fā)工程之一。所謂天然儲水空間就是指地下含水層，包括天然狀態(tài)下堅硬巖石存在的裂溶隙、溶洞和松散堆積物中的空隙、孔隙等。從大的“水文循環(huán)”理論到專門水文地質(zhì)學科來說，這些天然含水層在地殼內(nèi)，由外動力地質(zhì)作用下形成了很多形式不一的儲水構(gòu)造，如：沖洪積扇、沖積平原、洪積錐、巖溶儲水構(gòu)造、斷裂儲水構(gòu)造等，這些儲水構(gòu)造無論充水與否都構(gòu)成了巨大的儲水空間，被水文地質(zhì)學家稱之為“天然地下水庫”。地下水庫與地表水庫相比，二者都是以儲存和調(diào)節(jié)水資源為基本目的，但是由于它們處地貌和地質(zhì)體的不同位置和不同的空間及所處的不同的水文地質(zhì)環(huán)境，因此存在著較大的差異性：

其一，它們攔截方式和儲存水的對象不同。地表水庫主要攔截地表徑流，以大氣降水為主要來源儲存對象，形式上比較直觀易見；地下水庫是通過某一區(qū)域大氣降水入滲攔截地下徑流，它的儲存對象和賦存方式來源于地下，因此客觀上比較隱蔽和復雜。

第二，地表水庫將水儲存在人工修建的地表空間中（如峽谷、洼地等），僅是水的單相運轉(zhuǎn)體系；地下水庫將水儲存在天然的地下含水（儲水構(gòu)造又稱“蓄水空間”）介質(zhì)中，形成“地下水運移—調(diào)蓄”完整體系。

第三，地表水庫必須要有地表攔水壩和平面上的蓄水空間，這是水庫的主體，滲漏、決堤、污染等問題是它的敝端；地下水庫僅需地下截水壩，平面上不需占地空間，天然的巖、土體成為它的良好綠色屏障，有利阻止地表污物和海水倒灌等污染問題。

第四，地下水庫需有輔助性的人工補給系統(tǒng)實現(xiàn)庫容內(nèi)的蓄水（天然含水層除外），如連通井、引滲渠、溝等，將大氣降水引入地下含水層中，這是實現(xiàn)調(diào)蓄的基本條件之一；地表水庫不需要這種工程，地表攔截和引進天然地表徑流自然匯入即可。

第五，地表水庫的很多功能如航運、發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游等是地下水庫所不具備的，地下水庫也有一些特殊功能如儲能功能。

1.2 地下水庫的分類

地下水庫的分類是一個比較復雜的問題，可以從很多角度進行分類。曾有的學者以有無地下水壩的角度將地下水庫分為兩大類，即：①天然地下水庫；②人工地下水庫。又有人提出以地方性分類方案，還有人按地下水庫規(guī)模的大小以大型-中型-小型來劃分，總而言之，眾說分云。筆者認為在實踐中不必過多的拘泥于復雜的分類，實際應用中結(jié)合地區(qū)水文地質(zhì)條件和地貌特點進行分類，重點考慮地下含水介質(zhì)、地貌成因和所處位置及開采狀況等因素，以這種方式分類，地下水庫不外乎有如下五種基本類型，即：①調(diào)蓄型；②開采漏斗型；③河谷型；④陸地巖溶型；⑤濱海巖溶型。它基本函蓋了目前我國已應用的地下水庫的全部類型。

2 地下水庫的基本組成

根據(jù)我公司在大連地區(qū)勘察設計（含可行性研究）和建設龍河地下水庫、三澗堡地下水庫、三官廟地下水庫、青云河地下水庫等和外省市地下水庫的建設經(jīng)驗，筆者認為地下水庫的組成應包括四個基本功能部分：一是，具有天然儲水構(gòu)造的有效庫容；二是，攔截地下徑流的圍帷壩（隔水邊界完整的儲水構(gòu)造可省略）；三是，地表攔水和引滲功能系統(tǒng)；四是，地下水開發(fā)利用工程。當然，在地下水庫實際應用中，還需一些輔助性工程與之相匹配，如地表排污處理、濱海區(qū)庫內(nèi)殘留咸水體的處理和地表海水攔截及管理監(jiān)測系統(tǒng)等。眾所周知，理想的水資源開發(fā)模式是：中上游建“地表水庫”，中下游建“地下水庫”，實現(xiàn)地上、地下全流域綠色的地表水庫-地下水庫聯(lián)合開發(fā)的理想模式，地下水庫是實現(xiàn)這一模式的重要組成部分，而上述主體工程和輔助工程的確立，正是地下水庫綠色、良性運轉(zhuǎn)的保證。

2.1 確立地下水庫庫區(qū)

地下水庫的庫區(qū)既邊界條件清楚的儲水構(gòu)造。地下儲水構(gòu)造是指在一定的地質(zhì)、地貌、地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件下形成的蓄水空間和三維邊界條件的總和。評價地下儲水構(gòu)造的特征有這樣幾個方面：一是，通過地質(zhì)勘察確定儲水構(gòu)造的三維邊界和幾何特征；二是，確定組成儲水構(gòu)造的天然含水層的空隙率（孔隙率、裂隙率、巖溶率），確立天然含水層組成的地下水庫的庫容量（地下水儲存能力）；三是，勘察研究、分析地下儲水構(gòu)造的邊界條件和邊界性質(zhì)（流量邊界、隔水邊界、混合邊界、水質(zhì)邊界等）；四是，確定地下水儲水構(gòu)造含水層的滲、流場特征以及其它與之相關的特性。

2.2 修筑地下攔水壩

地下攔水壩是攔截地下水徑流的主體工程，也是地下水庫的人工隔水邊界。作為地下工程，其施工方法一般有：明挖施工法、地基改良施工法（灌注施工法）、預制防滲材料施工法、地下連續(xù)墻施工法、鋼板樁法、排列樁法等，這些都是借用了巖土工程的施工方法和手段實現(xiàn)的。作為隔水邊界它的隔水作用是雙向的，即可阻止庫區(qū)內(nèi)地下徑流的外排，又可阻止庫區(qū)外地下徑流的侵入（如海水入侵），還可以在提高庫區(qū)地下水位的同時，提高包氣帶含水量，改善土壤墑情。

2.3 地表水攔截和引滲

這是實現(xiàn)地下水庫調(diào)蓄的一項關鍵性工程。一般情況下，對庫區(qū)表層透水性較差的巖、土層進行改良，以增大地表水的入滲能力和延緩地表徑流速度。地表水通過引滲、攔截將更多的地表水灌入庫區(qū)地下含水層中，人為增加地下水的補給量（也稱為“人工補源”）。實際上這一舉措目的就是建立地表徑流與庫區(qū)內(nèi)主要含水層間的密切水力聯(lián)系，改善徑流通道，人為增大徑流通道的滲透系數(shù)，提高入滲率和入滲效應。地下水庫經(jīng)人工補源后，對天然含水層來說形成了新的人工補給點和補給面，而對天然補給量來講這又是一種擴大的補給量，可稱之為第二補給量，其補給量一般可以通過野外原位試驗的方法測定。

實施這種引滲、攔截的方法，目前大多采用開挖法（回填反濾層）建設引滲坑、引滲槽（垂直地表徑流方向）、引滲溝等，對深部含水層要修筑人工回灌井（井深≥含水層的頂板）。在引滲、攔截整體工程中，應注意回灌水質(zhì)的檢測，其標準根據(jù)地區(qū)性用水的目的不同而定，我國一般采用飲用水質(zhì)標準進行處理回灌。目前國外個別國家對回灌水也采用二度處理法進行回灌（荷蘭）。

2.4 地下水開采工程（取水工程）

實際是指通常的地下水開采方法，除了各種類型的取水井外，對于含水層埋藏較淺、水資源豐富的較大型地下水庫，更適用于集水廊道的開采模式，其特點供水途徑明了簡便、快捷，便于輸水線路維護，適宜現(xiàn)代化大型工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的集中供水、經(jīng)濟效益優(yōu)越等條件。

2.5 輔助性工程

2.5.1 地表排污處理

是保障地下水庫綠色環(huán)保的重要措施之一，它是將地下水庫庫區(qū)的各類廢水、廢液和工、農(nóng)業(yè)及生活垃圾等集中起來，排到區(qū)外或廢水、廢品處理廠，防止人為污染地下水和含水層。

2.5.2 殘留咸水體處理

濱海地區(qū)的地下水庫近海地段，通常已受到不同程度的海水入侵，在原有的含水層中殘留一定量的咸水體，無疑它的存在，造成庫內(nèi)水質(zhì)變壞。緩解或根治這一污染的方法：一是，采用藥物分解排出法處理，這種方法只在極少數(shù)國外小型地下水庫中應用，成本高且易造成二次污染，筆者不建議采用；二是，大流量強抽水的方式進行往復疏干排放處理，在庫區(qū)內(nèi)形成疏干—重畜水過程的自然溶解淡化，特別是在海水集中污染的區(qū)域，這種處理方法效果鮮而易見。以我公司已建的龍河地下水庫為例，由庫區(qū)內(nèi)三口監(jiān)測井水質(zhì)分析資料不難看出，1999年一次疏干-畜水過程完成后，Cl-由1675.6mg/L變?yōu)?02.18 mg/L，減少了三倍以上，2000年疏干—畜水取樣分析，Cl-由502.18mg/L變?yōu)?82.41mg/L，減少了近二倍，經(jīng)過三年的取水—畜水自然溶解淡化過程，現(xiàn)今Cl-含量基本已達到飲用水質(zhì)標準。

2.5.3 地表攔潮工程

濱海河口攔潮工程是為了防止海潮侵入地下水庫庫區(qū)修建的地表水利工程，如翻板攔河閘、橡膠壩等，這種地表水利工程雖然簡單，但有其特殊的功能要求，主要起到攔潮、攔截地表水和泄洪的三種功能。

2.5.4 管理監(jiān)測系統(tǒng)

它的確立對地下水庫的信息采集、處理、控制和反饋致關重要，曾有學者稱之為“地下水庫的靈魂”。應該指出這一系統(tǒng)的研究對象，除了包括地下水相關信息外，如水位、水質(zhì)、水溫、開采量，還應對水文、氣象相關信息的采集，如降雨量、蒸發(fā)量、河流徑流量、河流水質(zhì)及其它污染信息等。地下水庫控制中心和區(qū)域地下水庫管理中心將對采集的信息，直接或間接的反饋到管理者或面向用戶，以提省當前地下水庫所處的狀態(tài)，達到控制地下水庫良性運轉(zhuǎn)的目的。從水地質(zhì)環(huán)境的角度看，地下水位過高和過低都將導致環(huán)境水文地質(zhì)問題的發(fā)生，例如：含水層疏干、沼澤化、鹽漬化、咸水入侵等。因此，控制系統(tǒng)的基本功能是控制地下水位、開采量、回灌量、水質(zhì)等，實現(xiàn)我們所需要的地下水可持續(xù)開發(fā)利用，顯然控制系統(tǒng)的實現(xiàn)是要以信息反饋為前提。

3 地下水庫的發(fā)展前景與存在問題

3.1 發(fā)展前景

在水資源保護和可持續(xù)開發(fā)利用地下水資源的今天，地下水庫是繼地表水庫之后所拓展出的一種替代性和補充性的水資源調(diào)蓄形式，它以巨大的環(huán)保效應和可持續(xù)充分利用水資源開發(fā)效應將成為新世紀的最重要的水資源開發(fā)模式之一，因此，展現(xiàn)出一系列發(fā)展前景：

①不動遷居民，原則上對地面其它建筑影響很小，因此建設成本較低；

②安全性較高，沒有跨壩和洪水決堤的危險以及水庫誘發(fā)地震的發(fā)生，也沒有岸邊侵蝕和再造等次生環(huán)境地質(zhì)問題；

③庫區(qū)內(nèi)地下水蒸發(fā)損耗小，建庫條件比較簡單，尤其提高了水資源可調(diào)蓄空間，為地表水、地下水聯(lián)合調(diào)度提供了基礎條件；

④綠色環(huán)保和城鄉(xiāng)建設環(huán)境效果明顯，無需占地，有效的利用土地資源，在濱海地區(qū)減小海水入侵等一系例污染問題。

3.2 存在問題

盡管地下水庫有它諸多不可比擬的優(yōu)越性，但在我國目前地下水庫理論研究和實踐方面也還處于初級發(fā)展階段，許多問題尚在探索之中如：

①地下水庫的資源量計算相對困難，誤差亦較大；

②庫區(qū)選址勘察精度高，工作量大、運轉(zhuǎn)使用周期較長，地下壩工程檢測技術(shù)和方法較復雜；

③管理中的社會問題較多，補給、開采和水位必須處于受控狀態(tài)，需要建立一個較完整的綜合利用、開采規(guī)劃系統(tǒng)。

4 結(jié)論

地下水庫被稱為環(huán)保型水資源開發(fā)工程，在水資源可持續(xù)開發(fā)戰(zhàn)略日受關注的今天，在水資源開發(fā)應用中的作用十分重要。地下水庫利用天然儲水空間，擴大儲存水資源是一種新的地下水開發(fā)模式，它具八個功能組成部分，其中四個為基本組成部分，包括庫區(qū)、攔水壩和引滲回灌及地下水開采工程。地下水庫即有其它的優(yōu)越性和也存在一定的問題，但它將以“環(huán)保型水資源開發(fā)工程”顯現(xiàn)其廣闊的發(fā)展前景。

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