地下水庫設(shè)計(jì)理論初探[C].doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-地下水庫設(shè)計(jì)理論初探李旺林1，3束龍倉2殷宗澤1（1.河海大學(xué)土木工程學(xué)院南京210024；2.河海大學(xué)水資源環(huán)境學(xué)院南京210024；3.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院濟(jì)南250013）【摘要】探討了地下水庫的基本概念和建立地下水庫的基本條件，介紹了地下水庫的分類方法，探索性提出了地下水庫設(shè)計(jì)的基本理論框架。介紹了山東王河地下水庫的設(shè)計(jì)實(shí)例?！娟P(guān)鍵詞】地下水庫定義分類地下水庫工程學(xué)0前言地下水庫不同于地下水人工補(bǔ)給，它不是地下水資源超采后的一種補(bǔ)救措施，而是一種有目的、主動(dòng)性的儲(chǔ)存、調(diào)節(jié)和利用地下水資源的一種工程措施。本文在總結(jié)山東地下水庫實(shí)踐的基礎(chǔ)上，并結(jié)合國內(nèi)外其它的地下水庫，分析探討地下水庫的基本問題，初步構(gòu)造了地下水庫設(shè)計(jì)理論框架，最后簡(jiǎn)單介紹了山東王河地下水庫的設(shè)計(jì)情況。1地下水庫的發(fā)展簡(jiǎn)史地下水庫的發(fā)展離不開地下水人工補(bǔ)給的歷史，美國、荷蘭、俄羅斯等國家自二十世紀(jì)三十年代就開始了大規(guī)模的人工補(bǔ)給地下水實(shí)踐。如美國加州沿海岸線一帶的注水井，每年回灌處理后的幾十億方地下水，阻止了海水的繼續(xù)入侵。荷蘭阿姆斯特丹的濱海砂丘人工補(bǔ)給設(shè)施，利用洪水季節(jié)淡化萊茵河水，注進(jìn)天然入滲井和大井，年回灌量達(dá)4000萬立米。俄羅斯編制了地下水回灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程運(yùn)行指南?？梢哉f國外地下水人工補(bǔ)給的技術(shù)是比較成熟和先進(jìn)的。我國大規(guī)模的地下水人工補(bǔ)給始于二十世紀(jì)六十年代，上海為解決地面沉降問題，進(jìn)行了深井回補(bǔ)地下水的實(shí)踐。隨著地下水人工補(bǔ)給的發(fā)展，地下水庫由設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。日本于1972年在長崎縣野母崎町樺島建成了第一座地下水庫，盡管僅9000立方米的庫容，畢竟是世界上早期的地下水庫。1975年在河北省興建的具有深井回灌系統(tǒng)和開采系統(tǒng)的南宮地下水庫，卻標(biāo)志著我國地下水庫的開始。近年來，我國北方地區(qū)為解決干旱和海水入侵問題，又興起了建造地下水庫的高潮，北京進(jìn)行了西郊地下水庫的試驗(yàn)，山東從1990年開始，先后興建了黃水河地下水庫、王河地下水庫和大沽河地下水庫等，遼寧省也修建了龍河地下水庫、三澗地地下水庫，南方貴州省也興建了普定縣馬官地下水庫等?？梢哉f我國的地下水庫建設(shè)技術(shù)和水平達(dá)到和超過了世界先進(jìn)水平，地下水庫將是我國繼地表山區(qū)水庫、平原水庫之后興起的又一類重要的蓄水水利工程。2地下水庫基本概念和分類349四、水文學(xué)河流動(dòng)力學(xué)2.1地下水庫的基本概念在國外上，地下水庫(groundwaterreservoir)是一個(gè)水文地質(zhì)學(xué)術(shù)語，除指地下水庫意思外，還含有地下含水層(aquifer)的意思，地下水庫(groundwaterreservoir)與地下含水層（aquifer）具有相似的意思。而我國早期的“水文地質(zhì)學(xué)”中，沒有地下水庫的概念，只有含水層、含水構(gòu)造等專業(yè)術(shù)語。我國學(xué)者提出的地下水庫定義：林學(xué)鈺1984年提出“地下水庫是一個(gè)便于開發(fā)和利用地下水的儲(chǔ)水地區(qū)，具有多種功能，包括水的供給、儲(chǔ)存、混合和輸送”1。趙天石2002年提出：“地下水庫是利用地殼內(nèi)的天然儲(chǔ)水空間,儲(chǔ)存水資源的一種地下水開發(fā)工程。”2。杜漢學(xué)2002年提出：“地下水庫就是指存在于地下的天然大型儲(chǔ)水空間?！?。水文地質(zhì)術(shù)語中，將地下水庫定義為地下儲(chǔ)水層。而有些學(xué)者認(rèn)為：將一些地區(qū)的厚大含水層或大型儲(chǔ)水構(gòu)造應(yīng)命名為“地下水庫”?？梢?，國外沒有將地下水庫和地下含水層的概念區(qū)別開來，國內(nèi)雖將地下水庫與地下含水層的概念區(qū)別開來，但沒有一個(gè)嚴(yán)格的定義，有時(shí)又將地下含水層與地下水庫混為一談。地下水庫的概念是相對(duì)地表水庫而言的。地表水庫不同于地表湖泊，在于地表水庫具有人為地?cái)r蓄和調(diào)節(jié)地表水流的功能。與此類似，地下水庫不同于地下含水層，在于人為地干預(yù)了地下水流的天然調(diào)節(jié)能力和擴(kuò)大了地下含水層的蓄水能力?；\統(tǒng)地將厚大含水層或大型儲(chǔ)水構(gòu)造命名為“地下水庫”是不科學(xué)的，從水利工程的角度來講，可將天然的厚大含水層或大型儲(chǔ)水構(gòu)造命名為地下湖。從水利工程定義地下水庫的概念：地下水庫是利用天然地下儲(chǔ)水空間興建的具有攔蓄、調(diào)節(jié)和利用地下水流作用的一種水利樞紐。這個(gè)地下水庫的定義包含三層意思：一是地下水庫位于天然地下儲(chǔ)水空間中，這里的天然地下儲(chǔ)水空間一般指地下含水構(gòu)造，地下儲(chǔ)水空間由巖體和松散堆積層中的孔隙、裂隙和溶隙組成；二是強(qiáng)調(diào)地下水庫具有人為地?cái)r蓄和調(diào)節(jié)地下水流的作用；三指明地下水庫是一種水利樞紐，說明地下水庫是具有多種用途的水利工程。2.2地下水庫的分類我國地下水庫的分類，最初由林學(xué)鈺按工程構(gòu)筑形式將地下水庫分為有壩、無壩和混合類型三種。趙天石結(jié)合遼寧省的特點(diǎn)，根據(jù)地下水庫的介質(zhì)、地貌成因、位置、人為開采情況將遼寧省的地下水庫劃分為五種類型：調(diào)蓄型、開采漏斗型、河谷型、陸地巖溶型、濱海巖溶型。下面提出另外幾種分類方法。從地下水庫分級(jí)管理的角度，按地下水庫有效庫容的不同，可將地下水庫分為大型（大于1億m3）、中型（0.11億m3）、小型地下水庫（小于0.1億m3）。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)這里的庫容指有效地下庫容，即地下水庫中參與調(diào)節(jié)的那部分地下庫容。與地面水庫不同，地下儲(chǔ)水空間的深度可超過幾百米，深層地下水有可能占據(jù)大部分庫容，而從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)學(xué)的角度出發(fā)，僅能讓有限深度內(nèi)的地下水參與水庫的調(diào)節(jié)，用總庫容難以真實(shí)地反映地下水庫的實(shí)際規(guī)模。根據(jù)儲(chǔ)水介質(zhì)的不同，可將地下水庫分為松散介質(zhì)、裂隙介質(zhì)、巖溶介質(zhì)和混合介質(zhì)地下水庫。這是強(qiáng)調(diào)的是，由于儲(chǔ)水介質(zhì)的不同，地下水的分布特征也不同，地下水動(dòng)力性質(zhì)也不同，所采用的地下截滲、回灌、開采工程也會(huì)不同。如對(duì)于松散介質(zhì)地下水庫，中國水利學(xué)會(huì)第二首屆青年科技論壇論文集350庫區(qū)內(nèi)含水層分布相對(duì)均勻，一般采用板墻、防滲膜截滲，對(duì)回灌及開采工程布局限制較少；對(duì)于裂隙介質(zhì)地下水庫，庫區(qū)內(nèi)含水層隨斷裂構(gòu)造分布，灌漿截滲、回灌及開采工程布置受限于斷裂構(gòu)造；對(duì)于巖溶介質(zhì)地下水庫，庫區(qū)內(nèi)含水層分布由巖溶發(fā)育特點(diǎn)決定，一般采用級(jí)配灌漿、筑壩（地下河）截滲，回灌及開采工程布置受限于巖溶構(gòu)造。根據(jù)地下水埋藏條件，又可將地下水庫可分為潛水、承壓水和潛水承壓水混合地下水庫。這是考慮地下水壓力水頭的差異會(huì)影響到地下水回灌工程和地下水開采工程。此外，還可以根據(jù)地下水庫的用途進(jìn)行分類等。綜上所述，從不同的角度，地下水庫分類也不同，但按照儲(chǔ)水介質(zhì)進(jìn)行分類，最能反映地下水庫特征，具有實(shí)用性，上面提到山東、遼寧已建成的地下水庫大部分屬于松散介質(zhì)地下水庫，而貴州馬官地下水庫則屬于巖溶介質(zhì)地下水庫。3建立地下水庫的基本條件建立地下水庫最基本的條件有兩個(gè)：一是需要有足夠的天然地下儲(chǔ)水空間；一是需要有充足的水源。這也是建立地下水庫的兩個(gè)必要條件。此外，還應(yīng)考慮可持續(xù)條件、環(huán)境條件和生態(tài)條件等，特別是環(huán)境條件有時(shí)會(huì)成為建立地下水庫的決定因素。地下儲(chǔ)水空間構(gòu)成地下水庫庫容，天然地下儲(chǔ)水空間一般指各種地下含水構(gòu)造，如洪積扇、沖積扇、地下巖溶等，地下水庫的庫容由庫區(qū)內(nèi)巖體和松散堆積層中的孔隙、裂隙和溶隙等組成。地下水庫庫區(qū)由庫區(qū)邊界所圍成的相對(duì)封閉的地下空間組成，庫區(qū)邊界包括進(jìn)水邊界、泄水邊界以及由地下水分水嶺、地下壩或不透水帶組成的隔水邊界。水源是形成地下水庫的決定性條件。水源通常指本流域或跨流域調(diào)水引來的沒有污染的地下水、地表水，以及由廢水的再利用得到的中水、礦坑排水等。地下水庫最主要的特征就是實(shí)現(xiàn)了人工調(diào)節(jié)地下水流，它包括三種調(diào)節(jié)措施：一是通過建造地下截滲工程抬高地下水位，截住和多蓄地下水；二是通過人工入滲補(bǔ)源工程，增強(qiáng)了地表水轉(zhuǎn)化為地下水的能力；三是通過地下水開采，預(yù)留了地下蓄水空間，相應(yīng)地增大了地下水的蓄水量。環(huán)境因素是決定地下水庫能否興利的重要因素，它包括兩方面，一方面指庫區(qū)污染、地表水回灌等環(huán)境因素對(duì)地下水水質(zhì)的影響，被污染的地下水庫是沒有經(jīng)濟(jì)效益的；另一方面是指建立地下水庫后地下水位變化是否帶來不利的環(huán)境問題，地下水過高、過低都會(huì)影響庫區(qū)內(nèi)作物的生長，地下水位的大幅降低會(huì)產(chǎn)生地面沉降等?？沙掷m(xù)條件是指建立地下水庫不是一次性的，應(yīng)滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。生態(tài)條件指建立地下水庫是否會(huì)對(duì)植物、生物的生存帶來不良的生態(tài)問題。3.1地下水庫設(shè)計(jì)理論框架地下水庫的設(shè)計(jì)理論可稱為地下水庫工程學(xué)。它是研究如何利用地下儲(chǔ)水構(gòu)造蓄水、興利和防止災(zāi)害的一種水利工程學(xué)。水利工程學(xué)、地下水動(dòng)力學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、地下水水文學(xué)等學(xué)科的發(fā)展為地下水庫工程學(xué)的建立奠定理論基礎(chǔ)，國內(nèi)外陸續(xù)興建的地下水庫工程為地下水庫工程學(xué)的建立提供了豐富的實(shí)踐基礎(chǔ)。地下水庫工程學(xué)是水利工程學(xué)、地下水動(dòng)力學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)和地下水水文學(xué)等專門學(xué)科在地下水庫領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，既有別于各專門學(xué)科而自成系統(tǒng)，又不能代替各專門學(xué)科作用，更不能完全脫離各專門學(xué)科而單獨(dú)發(fā)展。地下水庫工程學(xué)的設(shè)計(jì)理論框架有：（1）地下水庫的建庫理論。主要研究適宜建造地下水庫的儲(chǔ)水構(gòu)造、水源，以及研究351四、水文學(xué)河流動(dòng)力學(xué)適宜建庫的環(huán)境、生態(tài)、可持續(xù)發(fā)展條件。（2）地下水庫地下水水文學(xué)計(jì)算理論。主要研究地下水的形成和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，地表水、包氣帶水和地下水的三水轉(zhuǎn)化規(guī)律，地下水的動(dòng)態(tài)特征和水均衡理論，地下水資源的計(jì)算和評(píng)價(jià)。（3）地下水庫回灌和開采理論。回灌理論主要研究地下水回灌的機(jī)理、地下水回灌優(yōu)化理論、回灌量的計(jì)算理論、回灌補(bǔ)給條件下地下水動(dòng)態(tài)的規(guī)律等。開采理論主要研究地下水的開采機(jī)理、地下水開采優(yōu)化理論、地下水開采量計(jì)算理論、開采條件下地下水動(dòng)態(tài)的規(guī)律等。（4）地下水庫建筑物設(shè)計(jì)。包括地下截滲工程，又稱地下壩，用于截?cái)嗟叵聺摿鳎纬蓭靺^(qū)不透水邊界，可采用各種地下防滲墻、地下防滲薄膜、灌漿帷幕（巖體灌漿），筑壩（對(duì)巖溶地下河而言）等方法進(jìn)行截滲。地表水回灌工程，主要指滲井、滲渠、回灌池（坑）和其它形式的入滲建筑物。地下水開采工程，主要指開采井和集水廊道等。地表水?dāng)r截工程，主要指閘、堰、壩等擋水建筑物。地下水泄水工程。主要指用于排泄庫區(qū)內(nèi)多余地下水和殘留物等。地表排污工程。潮水?dāng)r截工