大連市地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用模式

大連市地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用模式

由于世界水資源嚴(yán)重不足和頻繁降雨，對(duì)降雨資源的研究已開始從簡(jiǎn)單的洪水防治轉(zhuǎn)向洪水資源轉(zhuǎn)化。在利用地表水庫(kù)調(diào)蓄雨洪資源的過程中,暴露出了蒸發(fā)損耗過大、使用壽命短、成本高、易引起地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害等問題。因此,部分發(fā)達(dá)國(guó)家正在放棄修建地表水庫(kù),甚至考慮拆除一些已建水庫(kù),轉(zhuǎn)而利用地下儲(chǔ)水空間進(jìn)行雨洪資源的調(diào)蓄。瑞典、德國(guó)、澳大利亞、日本等國(guó)都建立了“引洪回灌”工程,實(shí)施地下水人工補(bǔ)給。我國(guó)地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用的研究始于20世紀(jì)80年代,發(fā)展于90年代,主要是在缺水地區(qū)有一些小型、局部的非標(biāo)準(zhǔn)性應(yīng)用。大連市是素有“東北之窗”之稱的經(jīng)濟(jì)中心城市,人均水資源占有量?jī)H相當(dāng)于全國(guó)人均水資源量的1/4,水資源的短缺嚴(yán)重限制了該區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。然而大連市降水充沛,多年平均降水量為724mm。受自然地理因素影響,降水在年內(nèi)分配上高度集中,6~9月降水量占全年降水量的75%,形成了汛期洪水和非汛期枯水的狀況,每年約14.8×108?m3雨洪水量未經(jīng)人類利用而白白流入大海。同時(shí),大連市分布有面積廣大的河谷沖積層,受沉積條件影響,含水層一般蓋層較薄,滲透能力強(qiáng),并且?guī)烊葺^大,沿碧流河、英那河等相間分布的22個(gè)含水層天然庫(kù)容約為3×108?m3。此外,大連市還分布著巖溶含水層,以及近幾年在大連市區(qū)、革鎮(zhèn)堡、大魏家、南關(guān)嶺等地區(qū)由于過量開采地下水形成的降落漏斗,為雨洪資源利用提供了良好的調(diào)蓄場(chǎng)所。由上述分析可知,大連市水資源短缺,但是雨洪資源量較大,并且有充足的雨洪調(diào)蓄空間;國(guó)內(nèi)外已有研究也為大連市地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用提供了借鑒。因此,為緩解大連市用水危機(jī),地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用就成為一種重要的舉措。1下地殼內(nèi)地下水富集區(qū)雨洪資源即汛期降雨中扣除雨期蒸發(fā)以及產(chǎn)流前濕潤(rùn)下墊面損失量以后,可能被攔蓄入滲或集蓄利用的水量。由于大連市降水集中,因此可用汛期多年平均降水量衡量雨洪資源量。地下儲(chǔ)水空間是指外力作用下在地殼內(nèi)自然形成的地下水可富集區(qū),一般指厚度較大、范圍較廣的大型層狀孔隙含水層、大型巖溶儲(chǔ)水空間或大型巖溶斷裂帶等。按照地下儲(chǔ)水空間的賦水介質(zhì)類型可將地下儲(chǔ)水空間分為孔隙介質(zhì)地下儲(chǔ)水空間、裂隙介質(zhì)地下儲(chǔ)水空間和巖溶介質(zhì)地下儲(chǔ)水空間。地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用是指利用地下儲(chǔ)水空間存儲(chǔ)雨洪資源,增加區(qū)域水資源可利用量,并且能夠適應(yīng)環(huán)境或能改善環(huán)境的雨洪調(diào)蓄方式。與地表水利工程相比,利用地下儲(chǔ)水空間調(diào)蓄雨洪資源,可將雨洪水轉(zhuǎn)入地下進(jìn)行多年調(diào)節(jié),豐蓄枯采,不僅可提高水資源利用程度,還具有蒸發(fā)損耗少、不占用土地資源、水質(zhì)較好、投資小、無(wú)移民問題等優(yōu)點(diǎn)。2地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用模式分類雨洪資源量決定了調(diào)蓄源的多少;地下儲(chǔ)水空間類型和調(diào)蓄容積密切相關(guān),決定了調(diào)蓄能力。而城區(qū)由于受人為影響,原來(lái)的下墊面條件、降水入滲特征等已經(jīng)發(fā)生了巨大改變,其利用雨洪資源的方式明顯區(qū)別于非城區(qū),故本文將地下儲(chǔ)水空間類型、雨洪資源量、城市化程度3個(gè)指標(biāo)作為地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用模式分類的依據(jù)。大連市汛期降水在時(shí)間上高度集中,在空間上由于地形坡度大,雨洪匯流時(shí)間很短,因此雨洪資源量的分級(jí)可根據(jù)汛期多年平均降水量等值線將大連市分為豐水區(qū)、平水區(qū)和貧水區(qū)(表1,圖1)。將3個(gè)指標(biāo)不同等級(jí)相互交叉即可得不同的利用模式,但基于城市功用性質(zhì)差異不大,基巖裂隙型地下儲(chǔ)水空間儲(chǔ)存和調(diào)蓄雨洪的作用有限,在此,筆者對(duì)城區(qū)和基巖裂隙型地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用模式不進(jìn)行細(xì)分。因此,地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用模式可分為豐水-河谷型、平水-河谷型、貧水-河谷型、豐水-巖溶型、平水-巖溶型、貧水-巖溶型、基巖裂隙型和城區(qū)模式共8種模式。3豐水-巖溶型模式在大連的分布各種類型的地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用模式在大連市的分布如圖2所示,其中豐水-巖溶型模式在大連市分布面積小,可忽略,重點(diǎn)論述其余7種模式。3.1地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用方案豐水-河谷型模式主要分布在莊河市及普蘭店市的東部地區(qū)。在地窨河、湖里河、英那河、莊河、三岔河、碧流河中游的流域內(nèi)及河間地塊地帶,砂礫石廣布,形成沖積、洪積、沖洪積河谷平原,含水層厚度為2~10m,單井涌水量在100~1000m3/d之間。該區(qū)雨洪資源豐富,汛期地表徑流迅速集中,水位漲落快,形成暴漲暴落的洪峰,雨洪調(diào)蓄潛力約為1.4×108?m3。針對(duì)該模式雨洪特點(diǎn),工作的重點(diǎn)是如何迅速、大量地將雨洪水引進(jìn)地下儲(chǔ)存起來(lái)。因此,地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用可采用以下方案:①在不引發(fā)洪災(zāi)的情況下,在雨洪匯流區(qū)內(nèi)(主要為河道)建設(shè)多道地表和地下攔水工程,延長(zhǎng)雨洪水的匯流時(shí)間,使之充分與地下儲(chǔ)水空間發(fā)生水交替活動(dòng)。②該模式區(qū)域地下水一般埋藏較淺,故在汛期降水來(lái)臨前,在透水性良好的山前沖洪積扇和沿河道鄰近地區(qū),結(jié)合地下水取水工程需要,抽取地下水用于該區(qū)消耗或通過調(diào)水工程調(diào)到其他缺水地區(qū),如金州以南地區(qū),形成一定范圍的降落漏斗,以騰出足夠的空間儲(chǔ)納雨洪資源,減少雨洪流失量。③間接利用地表水庫(kù)存儲(chǔ)雨洪資源,進(jìn)行地表水-地下水聯(lián)合調(diào)度。即在汛期來(lái)臨前的一段時(shí)間內(nèi),將部分水庫(kù)蓄水引滲地下,由于時(shí)間充足,引滲強(qiáng)度可控性較大,待汛期來(lái)臨時(shí),水庫(kù)即可有足夠的空間容納雨洪水。該種方法等效于將部分雨洪資源提前引滲地下,以地表水庫(kù)作為工具進(jìn)行地下儲(chǔ)水空間蓄水。④可在水文地質(zhì)條件適宜的地方培植草坪,增加植被覆蓋率,當(dāng)汛期來(lái)臨時(shí),采用漫灌法對(duì)地下儲(chǔ)水空間進(jìn)行補(bǔ)給。3.2沖積層人工高效排水模式平水-河谷型模式主要分布在普蘭店市、瓦房店市、金州區(qū)以及大連市東部地區(qū)。在贊子河、清水河、大沙河、登沙河、青云河、北大河、旗桿河、夾河、復(fù)州河、九道河流域范圍內(nèi),河谷沖積層受沉積條件的影響,一般含水層蓋層較薄,主要為砂性土。該區(qū)含水層厚度為2~20m,單井涌水量在500~1000m3/d之間,雨洪利用潛力約為0.8×108?m3。利用該模式可采用以下方案:①田面蓄水入滲。在不引起內(nèi)澇的情況下,培高田埂蓄雨補(bǔ)源,將河谷平原排水系統(tǒng)按照蓄泄兼顧的原則加以改造。②沿河床修建階梯狀攔水壩,分段截流。③采用抽水-回灌兩用井,利用井群調(diào)控雨洪。在汛前,抽取淺層地下水灌溉農(nóng)田,降低地下水位,以騰出足夠的調(diào)蓄空間;汛期時(shí)這些抽水井可作為地下水的補(bǔ)給通道,實(shí)現(xiàn)地下水回灌。3.3地下儲(chǔ)水空間分布貧水-河谷型模式主要分布在大連市西部以及旅順口區(qū),由于該區(qū)地表徑流不發(fā)育,僅在龍河及大西山水庫(kù)附近有零星分布。該區(qū)含水層厚度為2~7m,單井涌水量在100~1000m3/d之間,雨洪利用潛力約為0.09×108?m3。由于該區(qū)汛期降水量較少,水位埋深較大,工作的重點(diǎn)是如何將有限的雨洪資源通過低廉簡(jiǎn)潔的措施儲(chǔ)存起來(lái),因此地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用可考慮湖塘、補(bǔ)給坑等小型儲(chǔ)水措施。這些儲(chǔ)水措施應(yīng)建在潛水位足夠深、底部入滲能力強(qiáng)的地方,以使水連續(xù)不斷地滲入地下而不至成為死水。此外,儲(chǔ)水設(shè)施結(jié)構(gòu)應(yīng)合理,防治坦塌并盡量減少堵塞。3.4高水勢(shì)“海洋引滲”模式平水-巖溶型模式分布在瓦房店市西部、金州區(qū)的西部和東南部、甘井子區(qū)東部地區(qū)。地下儲(chǔ)水空間由碳酸鹽巖組成,在各種地質(zhì)構(gòu)造作用下巖層形成大量裂隙,由于水巖的相互作用形成很多溶洞,成為調(diào)蓄雨洪資源的基礎(chǔ)。單井涌水量大部分在1000~5000m3/d之間,但受海水入侵影響,水質(zhì)較差,并在一定條件下會(huì)發(fā)生地面塌陷,雨洪利用潛力約為0.24×108?m3。利用該模式可采取以下方案:①在入?？诘囟问褂勉@探、物探、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等勘察方法,摸清斷裂構(gòu)造、巖溶裂隙等構(gòu)成水力通道的分布位置和規(guī)律,采取高壓注漿形成地下帷幕壩的施工方法,一方面可以切斷海水與地下水的水力聯(lián)系,另一方面可以減少地下水的排泄。②采用水引滲法,即在地表布置攔水工程,增加雨洪水對(duì)地下儲(chǔ)水空間的補(bǔ)給時(shí)間,在雨洪水流入海洋之前,使之充分與地下儲(chǔ)水空間進(jìn)行水力聯(lián)系。該方法既可增加地下水儲(chǔ)存量,又能提高地下水位,起到淡水壓咸的作用。③在海水入侵嚴(yán)重的地區(qū)可采用回灌井法,利用當(dāng)?shù)貎?chǔ)存的雨洪水或引自其他區(qū)域的雨洪水用壓力將其注入地下,抬升地下水位,防治海水入侵和咸水倒灌。3.5地下水儲(chǔ)集區(qū)貧水-巖溶型模式分布在大連市區(qū)和旅順口區(qū)的北部,地下儲(chǔ)水空間由大理巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r等組成,單井涌水量多數(shù)小于1000m3/d,個(gè)別地區(qū)(如旅順三澗堡北大河)可達(dá)1000~5000m3/d。該類型區(qū)地下儲(chǔ)水空間容積大、入滲條件良好,但降水量較小,年平均值在600mm以下,并且由于嚴(yán)重超采地下水位低,海水入侵嚴(yán)重,雨洪利用潛力約為0.21×108?m3。該區(qū)水量較少,布置攔水工程意義不大,可利用方案:①在地形適宜的地方布置補(bǔ)給坑或小型低洼地,提高對(duì)雨洪水的攔截率。②利用引滲措施,加快雨洪資源對(duì)地下巖溶儲(chǔ)水空間的補(bǔ)給。③采用井注法加大補(bǔ)給,在海水入侵嚴(yán)重的地區(qū)停止部分或全部開采井的使用,并征用為回灌井,用于雨洪資源的直接或間接注入。④利用地下帷幕灌漿的工程手段建設(shè)地下水壩,此舉有著雙重作用,一方面攔蓄淡水地下徑流,另一方面堵截海水入侵通道。3.6山區(qū)雨水纖維調(diào)蓄基巖裂隙型模式主要分布在莊河市、普蘭店市、瓦房店市東部、金州區(qū)東部、大連市區(qū)和旅順口區(qū)南部。分布范圍雖廣,但含水介質(zhì)不均勻,且連通性較差,對(duì)雨洪資源的調(diào)蓄作用有限,僅在個(gè)別裂隙發(fā)育較好的地方才有利用價(jià)值。由于該種含水介質(zhì)在大連市主要分布于山區(qū),而山區(qū)是許多河流的發(fā)源地或河流的雨水匯聚補(bǔ)給區(qū)。因此,可在山區(qū)種植林木或培植草類,建設(shè)“綠色水庫(kù)”,蓄水保土,增加山區(qū)水源涵養(yǎng)。此外,在裂隙發(fā)達(dá)的地方,可修建山塘等小型集水工程,攔截汛期坡面雨洪,大搞山區(qū)水利富民五小工程。當(dāng)儲(chǔ)存于裂隙中的雨洪水量較大時(shí),可作為小型供水水源;當(dāng)水量較小時(shí),可用于旅游景觀用水等。3.7地下儲(chǔ)水空間的雨洪利用模式城區(qū)一般人口密集,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),是區(qū)域經(jīng)濟(jì)、科技、文化的中心,因此防洪任務(wù)較大。但在目前水資源緊缺的情況下,人們應(yīng)適時(shí)改變防洪理念,爭(zhēng)取寓資源利用于災(zāi)害防治之中。該模式可采用以下方案:①修建雨水集蓄設(shè)施,增加城市透水面積。在屋頂、房檐等修建雨水收集設(shè)施;在公園、廣場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等休閑場(chǎng)所及城市道路上采用透水性輔助材料,促進(jìn)城區(qū)完整的雨水收集、控制和入滲體系的形成。②廣泛利用城市低洼地。利用學(xué)校的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、住宅區(qū)樓間空地、地下停車場(chǎng)、公園等作為臨時(shí)雨水儲(chǔ)留設(shè)施,或建立專用蓄洪池等。③采用雨污分流的排水系統(tǒng)。興建或擴(kuò)建排水管網(wǎng)、設(shè)置專用排洪管道,將雨水引到適當(dāng)?shù)牡攸c(diǎn)集中入滲補(bǔ)給地下儲(chǔ)水空間。④加強(qiáng)宣傳教育。鼓勵(lì)或要求對(duì)雨洪水進(jìn)行的截流、儲(chǔ)存、利用或回灌地下,對(duì)未采取雨洪收集措施的地區(qū)收取雨水排放費(fèi)等,從體制上加強(qiáng)雨洪水的利用。在大連市各種類型的地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用模式中,豐水-河谷型、平水-河谷型、平水-巖溶型雨洪調(diào)蓄模式潛力較大,是主要的開發(fā)類型;而貧水-河谷型和基巖裂隙型調(diào)蓄模式潛力較小,貧水-巖溶型由于海水入侵嚴(yán)重,重點(diǎn)在引洪回灌,而非利用。城區(qū)雨洪潛力也較大,但由于調(diào)蓄空間小,因此利用潛力也有限,但修建雨水儲(chǔ)蓄設(shè)施,為城市消防、植樹、洗車、沖廁所或冷卻等提供用水是可以滿足的。4增加區(qū)域水資源的可利用量大連市地下儲(chǔ)水空間雨洪資源利用模式可通過地下儲(chǔ)水空間類型、雨洪資源量、城市化程度進(jìn)行構(gòu)建。合理處理三者之間的關(guān)系,并與相應(yīng)的人工調(diào)蓄方案緊密結(jié)合,可以更有效地指導(dǎo)大連市雨洪資源利用,增加區(qū)域水資源的可利用量。河谷型和巖溶型地下儲(chǔ)水