水利工程論文-地下水的合理開發(fā)利用在南水北調(diào)中的作用一.doc

水利工程論文-地下水的合理開發(fā)利用在南水北調(diào)中的作用一摘要：在系統(tǒng)闡述地下水資源概念和地下水含水層特點的基礎(chǔ)上，分析了南水北調(diào)受水區(qū)地下水開采現(xiàn)狀，探討了解決城市和農(nóng)業(yè)地下水超采的措施，利用地下水超采形成的地下庫容調(diào)蓄引江水和當(dāng)?shù)亟涤陱搅?、合理開發(fā)利用地下水提高水資源利用率和改造咸水、防止土壤鹽堿化等在南水北調(diào)中的作用.關(guān)鍵詞：南水北調(diào)控制城市和農(nóng)業(yè)地下水超采合理開發(fā)地下水改造利用咸水黃淮海平原水資源緊缺，嚴(yán)重制約著社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，造成地下水超采和生態(tài)環(huán)境惡化。南水北調(diào)工程是解決我國北方水資源嚴(yán)重短缺問題的重大舉措。江水北調(diào)對減少與制止地下水超采可以提供必要的條件，同時，地下水的合理開發(fā)利用在南水北調(diào)中也可以發(fā)揮開源節(jié)流、改善生態(tài)環(huán)境、改造咸水和防止土壤鹽堿化等重要作用。1地下水資源的概念和地下水含水層的特點1.1地下水資源的概念地下水資源包括地下水的儲存量和補給量兩部分。不參與現(xiàn)代水循環(huán)、不可再生和恢復(fù)的儲存量稱為儲存資源；參與現(xiàn)代水循環(huán)、可再生和恢復(fù)的補給量稱為補給資源。儲存資源是地質(zhì)歷史時期累積形成的地下水資源量，是含水系統(tǒng)中不可再生和恢復(fù)、因而不能持續(xù)利用的水量。取用含水系統(tǒng)的儲存資源，將導(dǎo)致這部分資源的永久耗失。有些地區(qū)具有大厚度的含水層，地下水位變動帶以下的地下水靜儲量非常巨大。因此，20世紀(jì)60年代有人提出黃淮海平原地下存在著一個地下海,90年代初在塔里木盆地和河西走廊也有人提出發(fā)現(xiàn)了地下海，認(rèn)為可以利用的地下水資源非常豐富。然而，地下水儲存量雖然是一種寶貴的地下水資源，但它和礦產(chǎn)資源一樣，一旦消耗，難以恢復(fù)，因而是不可持續(xù)利用的。只有在利用過程中可以不斷恢復(fù)和補償?shù)牡叵滤a給量才是可持續(xù)利用的地下水資源。補給資源是指一個含水系統(tǒng)在單位時間里、可以持續(xù)獲得補充的水質(zhì)、水溫合乎一定標(biāo)準(zhǔn)的水量。原則上在一個含水系統(tǒng)中提取的地下水量不超過其補給資源時，水源便有持續(xù)供應(yīng)的保證。地下水的補給量包括天然補給（山前側(cè)向補給和垂向補給）和轉(zhuǎn)化補給（地表水體補給、地表水灌溉渠系和田間灌溉水補給，含水層之間的越流補給,以及地下水灌溉回歸補給等，但地下水灌溉回歸轉(zhuǎn)化補給只作為地下水的補給量，一般不能算作地下水資源）。由于地下水補給的一部分將消耗于不可避免的潛水蒸發(fā)、天然生態(tài)耗水、地下水的排泄，而不能全部被開發(fā)利用，地下水的可開采利用量僅是補給量的一部分。這部分可以開采利用又不致引起難以承受的環(huán)境損害（如城區(qū)和濱海地區(qū)的地面沉降，干旱地區(qū)的土地沙化等）的水量稱為可持續(xù)開采量或可采資源。有些地區(qū)將地下水的全部補給量作為地下水的可采量而進行開發(fā)利用，將造成地下水的超采。不同的地下水含水層可開采利用的地下水資源不同，必須根據(jù)含水層的特點合理開發(fā)地下水資源。1.2地下水含水層水資源的特點平原地區(qū)松散巖層中的主要含水層為淺層水和深層承壓水。淺層地下水指地表以下的潛水和潛水-微承壓水，可以直接接受大氣降水和地表水的補給。深層承壓水指埋藏在深部弱透水層間含水層中的承壓水。20世紀(jì)70年代初期，人們根據(jù)傳統(tǒng)的地下水資源的概念和地下水含水層的部分特點，認(rèn)為深層承壓水具有以下優(yōu)點：1）地下水承壓水位高，開采初期有的地區(qū)水位高出地面，水井可以自流；2）含水砂層厚、導(dǎo)水性強、水井出水量大；3）水質(zhì)好、不易受到污染；4）承壓水位不易受到氣候條件的影響等。而對淺層水則認(rèn)為：1）缺乏良好含水砂層或砂層厚度小、水井出水量??；2）含水層導(dǎo)水性差，側(cè)向補給相對較小；3）淺層水水質(zhì)差、易受地表水體污染等。在這種認(rèn)識下，20世紀(jì)6070年代許多農(nóng)村和城市大量開采深層承壓地下水，特別是某些地方的政策導(dǎo)向也是鼓勵開采深層水，打深井國家給予補助，而打淺井則不予補助。由于深層水的大量開采，造成承壓水位大幅度下降，形成大面積的承壓水位降落漏斗。近30多年來的實踐表明，上述對地下水含水層的認(rèn)識是不夠全面的。實踐使人們對淺層潛水和深層承壓水含水層和資源的特點有了更為全面的認(rèn)識。1.2.1淺層地下水（包括潛水和淺層潛水-承壓水）開采量的組成淺層地下水的補給和消耗：（1）地區(qū)內(nèi)部的垂向補給和消耗：降雨補給、河流和渠道滲漏補給、田間灌溉水補給、越層補給；潛水蒸發(fā)、越層消耗。（2）來自地下水側(cè)向補給和排出區(qū)外的地下水排泄。（3）開發(fā)利用過程中由于水位下降，含水層疏干而動用的地下水儲存量（這部分不能作為可持續(xù)利用的地下水資源量）。在含水層的給水度為，單位面積上（m2）由于水位下降S(m)而釋放的水量W(m3)為W=S淺層地下水的優(yōu)點是：1）可以直接接受大氣降水和地表水體和地下徑流的垂直和側(cè)向補給，開采利用后可以不斷得到恢復(fù)和補償，因而是可以持續(xù)利用的。2）含水層埋藏淺，可用淺井開采，工程造價低。3）淺層地下水的給水度遠大于深層承壓水含水層，相同開采水量條件下水位下降小，運行費用低于深層承壓水。在補給量和水質(zhì)有保證的條件下，淺層地下水可作為農(nóng)業(yè)用水的主要水源和城市工業(yè)和生活用水的后備或輔助水源。1.2.2深層地下水開采量的組成深層承壓水的補給和消耗：1）來自山前的天然地下水側(cè)向補給和排出區(qū)外的地下水排泄。在開采區(qū)遠離補給邊界的情況下，側(cè)向補給量是十分有限的。2）地區(qū)內(nèi)部的垂向補給和消耗：承壓含水層上下均有弱透水層或隔水層阻隔，不能直接承受降雨、河渠滲漏和灌溉水補給，在開采過程中只有來自或進入相鄰含水層的越層補給。3）開發(fā)利用中由于承壓水頭的下降，含水層和弱透水層的彈性（或彈塑性）壓密而釋放的水量（對粘性土主要是塑性壓密，即使回灌也難以恢復(fù)）。這部分水量是不可補償?shù)?，主要是動用的含水層中原有的地下水儲存量，不能作為可持續(xù)利用的地下水資源量。在承壓含水層的彈性給水度為e,單位面積上（m2）由于承壓水位下降Sc(m),承壓含水層和弱透水層釋放的水量Wc(m3)為Wc=eSc(1)承壓含水層的彈性給水度為e=ms+nm=m(s+n)e=1m1=(s+n)式中為水的容重，s為含水層的壓縮系數(shù)，n為含水層的空隙度，w為水的壓縮系數(shù)，1為單位厚度的含水層，單位承壓水頭下降所釋放出來的彈性釋水量（1/m）。在深層承壓水開發(fā)利用中，由于單位水頭的下降，自含水層上下的弱透水層釋放的水量計算方法與含水層相同，只是其厚度m、壓縮系數(shù)s和空隙度n不同。如上所述，開采深層地下水得到的水量主要來自由于水位下降而引起的含水層和弱透水土層壓密、水體膨脹引起的彈性釋放、側(cè)向補給和越層補給，來自土層壓密和彈性釋放的水量均是動用儲存量。在承壓含水層以上有咸水覆蓋的地區(qū)開采的越層補給的淡水量也是動用儲存量，只有在無咸水覆蓋的地區(qū)部分越層補給的水量來自潛水或淺層地下。這部分水量雖然是可以持續(xù)利用的，但它來自淺層水的越層消耗量，并已計算在潛水（或淺層水）資源量中，屬于淺層水和深層水資源的重復(fù)量。在遠離山前的地區(qū)側(cè)向補給十分微弱，由于地下水的開采水位下降而引起的側(cè)向補給實際上也是動用鄰區(qū)的地下水儲存量。根據(jù)以上情況自深層承壓水開采的水量，除山前地區(qū)有一定的側(cè)向補給和在無咸水覆蓋區(qū)有少量越層補給的水量外，幾乎全部是動用儲存量，而開采儲存量是不可持續(xù)的。1.3地下水可采量（地下水可采資源）如前所述，地下水的儲存量是不可持續(xù)利用的的資源，只有在開發(fā)利用過程中不斷可以恢復(fù)、補償?shù)牡叵滤坎攀强梢猿掷m(xù)利用的地下水資源。地下水資源評價的任務(wù)主要是估算可持續(xù)開采利用的符合水質(zhì)要求,且不會引起不可承受的生態(tài)環(huán)境損害的地下水量，即可采資源量。由于地下水補給的一部分將消耗于耕地農(nóng)作物的騰發(fā)和不可避免的潛水蒸發(fā)、天然生態(tài)耗水、地下水的排泄，而不能全部被開發(fā)利用，地下水的可開采量僅是補給量的一部分。一個地區(qū)的地下水可采量需要通過地下水的采補平衡分析和地下水的模擬才能確定，但為簡便計，生產(chǎn)實踐中一般常將地下水補給量乘以一個小于一的經(jīng)驗可開采系數(shù)求得地下水可開采量。半濕潤地區(qū)一方面有河渠滲漏和田間灌溉水的補給，另一方面又有降水入滲，地下水的可開采系數(shù)較高（有時可達0.70.9）。干旱地區(qū)降水量稀少，地下水的補給大部來自地表水的轉(zhuǎn)化，且有相當(dāng)一部分消耗于農(nóng)田和非耕地天然植被的騰發(fā)，地下水的可開采系數(shù)遠小于半濕潤地區(qū)。由于地下水的可開采系數(shù)是一個經(jīng)驗系數(shù)，一些干旱地區(qū)借用半濕潤的華北地區(qū)的經(jīng)驗數(shù)值，估算的地下水可開采量將顯著偏高。深層地下水在開采時獲得的補給量中除有限的側(cè)向補給和越層補給（且與潛水補給有重復(fù)計算）外，幾乎全部來自地下水的儲存量，而儲存量是不能作為地下水可采量而持續(xù)開采利用的。在地下水補給量的計算中需要有一系列的補給參數(shù)，在利用補給量計算可采量時又需要有一個經(jīng)驗的可采系數(shù)，計算的過程復(fù)雜，系數(shù)的選擇又有很大的任意性。由于降水量和地表引水量是地區(qū)地下水的主要補給來源，生態(tài)需水也主要決定于降水蒸發(fā)等氣象條件，地區(qū)內(nèi)地下水的可開采量除決定于土地利用系數(shù)和水文地質(zhì)條件外，主要決定于降水量和地表引水量。因此，可以近似地根據(jù)降水量不同的典型地區(qū)地下水可開采量與地表水引水量的經(jīng)驗比值，近似地估算地下水的可采量。2南水北調(diào)受水區(qū)地下水開采現(xiàn)狀近期南水北調(diào)受水區(qū)主要為海河平原和淮河平原的部分地區(qū)。根據(jù)國土資源部水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所海河流域地下水資源現(xiàn)狀評價及典型區(qū)環(huán)境地質(zhì)效應(yīng)分析資料，海河流域平原地下水可采量和現(xiàn)狀條件下實際年開采量如表1所示。.年平均總超采量為44.6億m3/a,其中淺層地下水超采量為23.6億m3/a,深層地下水超采量為21.0億m3/a.自1958年以來海河流域平原區(qū)累計超采量為895.8億m3,其中淺層地下水超采471.2億m3，深層地下水超采424.6億m3，見表1。根據(jù)表1,現(xiàn)狀年海灤河流域平原內(nèi)有部分地區(qū)淺層地下水超采，總超采量為23.63億m3。部分地區(qū)淺層地下水尚有盈余，總計盈余29.19億m3。根據(jù)表1，深層地下水年可采量為13.07億m3,是由側(cè)向補給和越流補給兩項組成的。海河?xùn)|部平原約有50%的面積存在上覆淺層咸水，由于在這種地區(qū)不能接受降雨入滲補給的淡水，所開采的越層補給的水量動用的仍然是地下水的儲存量，這種水量是不可持續(xù)的，因此不能作為可可持續(xù)開采資源。在越層補給的水量來自無咸水覆蓋的地區(qū)，深層地下水的補給來自淺層水的越層排泄，這部分水量應(yīng)自淺層水的可采量中扣除，才能作為可采資源，因此海河流域淺層水和深層水的可采量總和應(yīng)為表1中的淺層水的可采量與深層水側(cè)向補給量之和。對于河北平原深層水的補給量問題曾有多個文獻進行探討，例如，郭永海等認(rèn)為滄州地區(qū)深層水的側(cè)向補給僅有總開采量的34%左右8；根據(jù)陳寧生等對黑龍港地區(qū)地下水開采狀況的分析資料2，深層地下水的開采量中有10.57%來自山區(qū)的側(cè)向補給，各種文獻給出的數(shù)字差別很大。若采用最大的10.57%來估算深層水的側(cè)向補給量，在開采量為33.8億m3的情況下最多不超過3.6億m3。淺層和深層的總超采量可能在53.8億m3以上，大于表1中給出的44.64億m3。地下水的超采對農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。主要表現(xiàn)在：1)地下水持續(xù)下降、形成大面積地下水漏斗，部分地區(qū)含水層被疏干；2)海水入侵與水質(zhì)惡化；3)超采區(qū)發(fā)生地面沉降、裂縫和塌陷；4)提水費用增加、含水層枯竭、機井報廢；5)天然植被衰退，生態(tài)環(huán)境惡化；6)由于超采區(qū)地下水位低于臨近地區(qū)，不僅灌區(qū)地表水帶來的鹽分無法外排，鄰區(qū)地下水中的鹽分也向超采區(qū)聚集，造成地下水礦化度增加、土壤鹽漬化加劇