王從榮，尤愛菊，束龍倉(cāng)

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

地表水庫(kù)與地下水庫(kù)在水資源調(diào)控領(lǐng)域都發(fā)揮著較大作用，其中地下水庫(kù)可通過將部分多余地表水轉(zhuǎn)入地下進(jìn)行多年調(diào)節(jié)，達(dá)到以豐補(bǔ)欠、調(diào)節(jié)水資源時(shí)空分配不均，進(jìn)一步提高水資源利用效率的目的[1]。相比于地表水庫(kù)，地下水庫(kù)具有不占用土地資源、庫(kù)區(qū)蒸發(fā)損耗小、受污染風(fēng)險(xiǎn)較低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)缺水地區(qū)而言，在水資源開發(fā)利用中有較大的挖掘潛力。

1 地下水庫(kù)研究現(xiàn)狀與分類

地下水庫(kù)相對(duì)于地表水庫(kù)具有減少蒸發(fā)損耗、水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外都有較早的應(yīng)用。

早在20世紀(jì)初，日本、美國(guó)、荷蘭等國(guó)家就開始地下水人工補(bǔ)給的實(shí)踐研究。1972年，為應(yīng)對(duì)水資源短缺，海水入侵等問題，日本在長(zhǎng)崎縣野畝崎町樺島采用灌漿法建造了世界第一座有壩地下水庫(kù)[2]。自20世紀(jì)80年代以來，美國(guó)開始實(shí)施“含水層儲(chǔ)存和回采（Aquifer Storage and Recovery，ASR）工程計(jì)劃”，該工程通過注水井將水注入合適的含水層中，在需要時(shí)，再通過抽水井將水抽取出來以供使用[3]。20世紀(jì)50年代起，荷蘭阿姆斯特丹市引萊茵河水，利用天然風(fēng)積沙丘人工補(bǔ)給地下水[4]。

我國(guó)水資源缺乏并且時(shí)空分布極不均勻，國(guó)內(nèi)學(xué)者很早就提出地下水的人工補(bǔ)給和調(diào)蓄的概念，許多省份都積累了利用地下水庫(kù)來調(diào)蓄利用水資源的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。1975年，在河北南宮利用古河道河床相砂層厚度大，透水性好的地下儲(chǔ)水空間修建的僅有深井回灌系統(tǒng)的南宮地下水庫(kù)，標(biāo)志著我國(guó)地下水庫(kù)發(fā)展的開端[5]。山東省修建的地下水庫(kù)多用于攔蓄調(diào)節(jié)地下水和防止海水入侵，具有代表性的地下水庫(kù)有：八里沙河地下水庫(kù)[6]、王河地下水庫(kù)[7]等。東北也是我國(guó)修建地下水庫(kù)最早的地區(qū)之一，比較典型的有大連市的龍河地下水庫(kù)[8]。我國(guó)南方一些巖溶地區(qū)依托地下巖溶建設(shè)地下水庫(kù)，如貴州省普定縣馬官地下水庫(kù)[9]。

我國(guó)目前地下水庫(kù)分類有2種：林學(xué)鈺[10]根據(jù)工程構(gòu)筑形式將地下水庫(kù)分為有壩、無壩和混合型3類；趙天石[11]根據(jù)地下水庫(kù)的介質(zhì)、地貌成因、位置和人為開采情況將地下水庫(kù)分為調(diào)蓄型、開采漏斗型、河谷型、陸地巖溶型及濱海型5種。第一種分類比較簡(jiǎn)單、直觀，可以清楚地反映有無地下壩，但無法反映地下水流的特征，而地下水流的特征影響著地下水庫(kù)回灌和開采工程的布置等；第二種分類可較好反映不同地域特色，但分類依據(jù)較多。2種分類方法都無法概括所有的地下水庫(kù)。為克服以上缺點(diǎn)，李旺林等[2]采用儲(chǔ)水介質(zhì)分類法將地下水庫(kù)分為松散介質(zhì)地下水庫(kù)、裂隙介質(zhì)地下水庫(kù)、巖溶介質(zhì)地下水庫(kù)和混合介質(zhì)地下水庫(kù)，考慮同一類儲(chǔ)水介質(zhì)的地下水庫(kù)特性上的差異，由此再進(jìn)行二級(jí)分類（見表1）。

表1 地下水庫(kù)儲(chǔ)水介質(zhì)分類法表

2 地下水庫(kù)的主要研究?jī)?nèi)容

在我國(guó)，地下水庫(kù)的研究主要集中在地下水庫(kù)的調(diào)蓄庫(kù)容分析、地下水庫(kù)回灌技術(shù)、地下水庫(kù)防滲技術(shù)以及地下水庫(kù)選址適宜性分析等方面。

2.1 調(diào)蓄庫(kù)容分析

在地下水庫(kù)庫(kù)容分析方面，一般認(rèn)為隨著儲(chǔ)水介質(zhì)不同，庫(kù)容確定方法也有較大差別。在巖溶介質(zhì)地下水庫(kù)，由于對(duì)喀斯特滲流場(chǎng)進(jìn)行勘察測(cè)試較困難，計(jì)算地下庫(kù)容時(shí)，存在信息不全、誤差較大等問題。為克服上述缺點(diǎn)，張禎武等[12]利用示蹤探測(cè)方法計(jì)算巖溶介質(zhì)地下水庫(kù)，示蹤劑因擴(kuò)散規(guī)律而對(duì)滲流場(chǎng)具有遍歷性、因質(zhì)量守恒而對(duì)流場(chǎng)充水空間具有可測(cè)性，所以計(jì)算的巖溶介質(zhì)地下水庫(kù)庫(kù)容較為接近實(shí)際。鄭德鳳等[13]采用蓄水空間幾何形態(tài)概化法對(duì)擬建地下水庫(kù)不同水頭高度的水庫(kù)庫(kù)容進(jìn)行計(jì)算。蓄水空間幾何形態(tài)概化法就是將巖溶管道概化為柱體形狀，將巖石空隙概化為三角錐體形狀，然后將柱體體積與三角錐體體積相加求和即得巖溶介質(zhì)地下水庫(kù)庫(kù)容。在松散介質(zhì)地下水庫(kù)，庫(kù)容計(jì)算誤差主要來自于給水度的確定，束龍倉(cāng)等[14]討論了在給水度均值不變的情況下，庫(kù)容均值和均方差都隨給水度均方差的增大而增大；在給水度均方差不變的情況下，隨給水度均值的增大，庫(kù)容均值隨之增大，同時(shí)，庫(kù)容均方差也隨之增大，但增大的趨勢(shì)逐漸變緩。這些結(jié)論為地下水庫(kù)的合理規(guī)劃、人工回灌水量的準(zhǔn)確計(jì)算提供依據(jù)。

2.2 回灌技術(shù)

在地下水庫(kù)回灌方法方面，不同學(xué)者從不同角度進(jìn)行闡述。歸納起來，主要有池塘法、淹灌法、溝渠法和注水法?；毓鄷r(shí)應(yīng)結(jié)合引滲地段的特點(diǎn)進(jìn)行選擇，同時(shí)應(yīng)考慮土壤類型、地質(zhì)構(gòu)造、地形條件、有效補(bǔ)給面積、水質(zhì)狀況、水流特性、地下水流向、埋深及動(dòng)態(tài)等[15]。在回灌技術(shù)方面，應(yīng)該考慮回灌區(qū)域的地理特性、降雨時(shí)空分布、多種灌溉方式結(jié)合等因素。一般而言，地表水回灌體系需要在短時(shí)間內(nèi)最大限度地將洪水回灌到含水層，此時(shí)需要考慮多種灌溉方式結(jié)合，注重點(diǎn)面結(jié)合、平面均衡布置、淺層與深層相結(jié)合等[16]。

2.3 防滲技術(shù)

在地下水庫(kù)防滲技術(shù)研究方面，不同學(xué)者從不同層面進(jìn)行闡述。例如：在地下水滲漏勘察方面，傳統(tǒng)巖溶庫(kù)區(qū)滲漏及壩基滲漏勘察往往需要投入大量人力、財(cái)力，而利用地下水示蹤技術(shù)，難度小，易操作，投入低，可以為查明滲漏途經(jīng)和發(fā)展趨勢(shì)提供直接幫助[17]。在地下水庫(kù)防滲處理技術(shù)方面可歸納為修筑圍堰、澆筑截水墻、帷幕灌漿、截滲壩等[18]。在充分查明地下水庫(kù)地貌、水文、氣候、巖性、水動(dòng)力條件、地質(zhì)構(gòu)造條件后，采取有針對(duì)性的防滲措施。

2.4 選址適宜性分析

在地下水庫(kù)選址方面，由于含水層空間自然條件復(fù)雜多樣、不確定性因素較多，通常選擇邊界條件清楚的天然儲(chǔ)水構(gòu)造，在建立地下水庫(kù)之前必須對(duì)庫(kù)區(qū)的水文地質(zhì)條件做出系統(tǒng)、準(zhǔn)確、全面的評(píng)價(jià)[19]。主要觀點(diǎn)可總結(jié)為：一是以地下水作為供水水源，選擇水文地質(zhì)條件優(yōu)越、含水層富水性強(qiáng)、水質(zhì)良好、補(bǔ)給條件好、具有多年調(diào)蓄功能的地下水庫(kù)作為地下水水源地；二是遵循豐補(bǔ)旱采，以豐補(bǔ)歉的原則，保證在枯水年有足夠的儲(chǔ)存量可以借用，在豐水年有足夠的水量可以儲(chǔ)存；三是地下水和地表水聯(lián)合調(diào)蓄的原則，充分利用本區(qū)優(yōu)良的地表水入滲條件及充足的調(diào)蓄水源，實(shí)施地下水和地表水聯(lián)合調(diào)蓄[20]。

3 地下水庫(kù)現(xiàn)狀研究的不足

從1975年南宮地下水庫(kù)建成至今，我國(guó)對(duì)地下水庫(kù)的應(yīng)用和研究已有40多年的歷史，然而還存在一些問題和不足。

3.1 研究類型具有局限性

多數(shù)文獻(xiàn)研究的地下水庫(kù)主要為巖溶地下水庫(kù)和松散介質(zhì)地下水庫(kù)，在庫(kù)容計(jì)算、水庫(kù)回灌、水庫(kù)防滲和水庫(kù)選址方面遇到的問題、所用的方法和得出的結(jié)論主要適用此類型。上述2類地下水庫(kù)是基于自然構(gòu)造形成的，而基于人工構(gòu)造的可蓄水工程如坑道，尚未納入地下水庫(kù)的研究對(duì)象中。坑道在我國(guó)廣泛存在，原有功能主要用于運(yùn)輸?shù)V石、廢石、材料、設(shè)備以及通風(fēng)排水和行人等。近年來，對(duì)坑道在蓄水方面的利用需求日益增長(zhǎng)，但是目前針對(duì)該類型地下蓄水工程的相關(guān)研究較少。

3.2 回灌水源的影響分析較少

回灌水源問題包括水質(zhì)問題和水量問題，水源對(duì)地下水庫(kù)的功能發(fā)揮影響較大，但國(guó)內(nèi)關(guān)于回灌水源的相關(guān)分析研究較少?；毓嗨此|(zhì)問題主要是回灌水對(duì)地下水環(huán)境的影響、地下水環(huán)境對(duì)回灌水源的影響以及回灌水在地下水庫(kù)存儲(chǔ)的過程中水質(zhì)的變化情況等?；毓嗨此康膯栴}主要是如何做到以豐補(bǔ)欠，能否通過建立水量調(diào)度模型調(diào)節(jié)水資源時(shí)空分配不均，提高水資源的利用效率；當(dāng)回灌水源為區(qū)域調(diào)水時(shí)，水源成本因素分析等。

3.3 環(huán)境效益研究相對(duì)較少

從相關(guān)研究文獻(xiàn)可知，地下水庫(kù)工程建設(shè)評(píng)估多數(shù)是以其經(jīng)濟(jì)效益為主要指標(biāo)。地下水庫(kù)工程雖具有不占用土地資源等眾多優(yōu)點(diǎn)，但是否會(huì)帶來其他環(huán)境問題，目前國(guó)內(nèi)關(guān)于地下水庫(kù)影響評(píng)價(jià)研究較少，地下水庫(kù)的環(huán)境效益風(fēng)險(xiǎn)性研究尚不多見。

3.4 水質(zhì)保護(hù)問題

由于地下水庫(kù)一旦受到污染，通過自身凈化能力很難將其清除，故其污染防范措施十分重要。目前我國(guó)對(duì)地下水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)以及水庫(kù)受到污染后的應(yīng)對(duì)措施研究較少。

4 地下水庫(kù)研究方向探討

4.1 坑道型地下水庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)研究

坑道型地下水庫(kù)相關(guān)研究包括庫(kù)址選擇、庫(kù)區(qū)建設(shè)、水資源調(diào)蓄、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等方面。庫(kù)址選擇可從地質(zhì)條件、供輸水工程布局、環(huán)境生態(tài)效益等方面考慮；庫(kù)區(qū)建設(shè)可從庫(kù)區(qū)勘探、庫(kù)區(qū)防滲等方面考慮；水資源調(diào)蓄可從地表水和地下水聯(lián)合調(diào)蓄、跨區(qū)域水源調(diào)蓄等方面考慮；水質(zhì)監(jiān)測(cè)可從水源水質(zhì)以及庫(kù)區(qū)地下水存儲(chǔ)期間水質(zhì)變化等方面考慮。

4.2 回灌水源的水質(zhì)、水量保障技術(shù)研究

水源水質(zhì)是地下水庫(kù)效益評(píng)價(jià)的重要因素。在水庫(kù)回灌過程中，應(yīng)充分考慮回灌水源水質(zhì)是否滿足要求，如不滿足，應(yīng)考慮相關(guān)的凈化技術(shù)。開展回灌水對(duì)地下水環(huán)境的影響研究，尤其是含水層對(duì)回灌水水質(zhì)的響應(yīng)機(jī)制。建立地下水庫(kù)及周圍地下水水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下水水質(zhì)的變化。進(jìn)行回灌水水量評(píng)估與分析，建立水庫(kù)調(diào)度與供需水平衡分析模型，通過優(yōu)化調(diào)度，最大限度提高水資源利用效率。

4.3 地下水庫(kù)環(huán)境效益評(píng)價(jià)技術(shù)

綜合考慮修建地下水庫(kù)對(duì)環(huán)境造成的影響，例如：地下水庫(kù)會(huì)不會(huì)引發(fā)庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害；地下水庫(kù)會(huì)不會(huì)造成庫(kù)區(qū)日夜溫差發(fā)生變化，改變庫(kù)區(qū)的氣候環(huán)境；由于地下水位抬高，會(huì)不會(huì)造成土壤鹽堿化，影響庫(kù)區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)等。

4.4 地下水庫(kù)水質(zhì)污染防范技術(shù)

保護(hù)地下水庫(kù)水質(zhì)不受污染可從治理污染源、控制污染途經(jīng)以及實(shí)施地下水污染防治措施等方面進(jìn)行。在污染源方面，可以調(diào)整工、農(nóng)業(yè)廢水排污點(diǎn)位置，納污水體設(shè)置截留工程等；在污染途經(jīng)方面，采取防滲措施、減少污染面積等；在防治措施方面，可以建立地下水庫(kù)環(huán)境評(píng)價(jià)體系和監(jiān)控機(jī)制等。

5 結(jié) 語

地下水庫(kù)作為一種環(huán)保型水資源開發(fā)工程，可以通過地表與地下水的聯(lián)合調(diào)蓄，達(dá)到以豐補(bǔ)欠、調(diào)節(jié)水資源時(shí)空分配不均。地下水庫(kù)不僅可以有效解決生態(tài)環(huán)境惡化和海水入侵，還可以緩解水資源短缺等問題。同時(shí)，地下水庫(kù)在坑道型地下水庫(kù)方面還未深入研究；回灌水源的水質(zhì)、水量是地下水庫(kù)建設(shè)與管理的關(guān)鍵；地下水庫(kù)環(huán)境效益評(píng)價(jià)可分析地下水庫(kù)建設(shè)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益，避免修建地下水庫(kù)對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響；地下水庫(kù)水質(zhì)污染防范技術(shù)研究可以為地下水庫(kù)水質(zhì)提供保障，建立地下水庫(kù)環(huán)境評(píng)價(jià)體系和監(jiān)測(cè)機(jī)制是未來深入開展的方向。所以，地下水庫(kù)將有十分廣闊的發(fā)展前景。