北方小流域地表水与地下水联合开发新模式探讨

叶 勇,谢新民,柴福鑫,杨丽丽,赵全升

(1.中国水利水电科学研究院水资源研究所,北京 100038;2.中国水利水电科学研究院遥感技术开发研究中心,北京 100044;3.青岛大学环境科学系,山东青岛266071)

北方小流域一般降水集中,汛期短。平原区受多种条件限制,往往不利于修建地表水库。近年来水污染加剧,生态环境问题日益凸现,使水资源开发利用更加困难。单纯基于地表水利工程的水资源开发模式已不合时宜。地下水在北方地区供水中占主导地位[1],然而在长期的掠夺式开发下,引起了诸多的生态环境地质问题[2]。故仅单一考虑水量开发而不注重相关的水环境改善与治理及多水源联合补给的传统模式已不能完全胜任现代水资源管理的需求,而联合开发地表水与地下水,并采用生态修复等辅助措施增加自然生态系统的自净能力,实现水资源的可持续利用是未来北方小流域合理开发利用水资源的一种理想选择。本文以沈阳市辽河支流长河-羊肠河流域为例,分析水资源开发利用所面临的主要问题,探讨地表水与地下水联合开发新模式。

1 研究区概况

研究区位于沈阳市区东北部,距市区约13km,总面积为361.8km2,西部平原区面积为296.2km2,东南部山丘区面积为65.6km2。区内长河、万泉河、左小河、新西小河及羊肠河均位于辽河左岸。长河、左小河为辽河一级支流,其他为辽河二级支流,见图1。流域内以农业为主,仅新城子区有少量企业,有部分污水排放。

该流域内主要含水层为第四系冲、洪积地层,平均厚度约40m,以潜水为主,地下水资源比较丰富。北部地下水流向基本与辽河一致,由东北流向西南;南部由东南流向西北,见图2。地下水位埋深较浅,与地表水有密切的水力联系,在水力梯度的作用下二者相互补给。

图1 研究区位置及水系分布

图2 地下水流场示意图

2 水资源条件及面临的问题

2.1 水资源条件

流域内多年平均总径流量为0.73亿m3。通过区域均衡法及地下水流数值模拟2种方法综合计算得出地下水资源量为1.09亿m3,其中地下水可开采量为0.89亿m3。

本区缺乏合理的水利工程,地表水几乎没有得到有效利用。辽河漫滩区地下水开发相对较多,主要用于农田灌溉。据2003～2006年统计,流域内年均供水量为0.515亿m3,其中地表水仅占3.73%,地下水占96.27%。

总体上流域内水资源开发利用程度较低,地表水几乎未得到开发,地下水开采量仅占可开采量的35.94%,尚具有进一步开发利用的潜力。目前沈阳市供水较为紧张,现状用水需求基本已达到供水能力,预计近期(2010年)需水量将达到294.6万m3/d,缺水量将达到50.6万m3/d;远期(2020年)需水量将达到414.0万m3/d,缺水量将达到170.0万m3/d,未来沈阳市的供水缺口主要由大伙房水库输水工程解决。然而为满足沈北新区的进一步用水需求,以及增加城市供水保障和为应急供水做准备,规划在此建立常规与应急复合型水源地。

2.2 面临的主要问题

通过对区域水资源条件综合分析及2008年的实地调查,结果表明水资源开发利用尚面临诸多难题,主要包括以下4个方面:

a.水资源时空分布不均,不利于长期稳定供水。时间上,受降水时间分配不均的影响,水资源主要集中于汛期,缺乏合理的水利工程,不能蓄积汛期水资源,导致枯季缺水,难以保障稳定的供水需求;空间上,辽河漫滩区水资源相对丰沛,阶地水资源相对贫乏。水资源缺乏时空调控能力,与未来社会经济发展的需求不相适应。

b.缺乏地表蓄水工程,不能有效利用地表水。本流域以辽河冲积平原为主,地势平坦,受地形地貌及水资源条件等综合影响,不利于修建地表水库[3]。1956～2007年的降水统计资料表明:流域内降水主要集中在6～9月,占全年的75%;7～8月降水量占全年的51%,在没有拦蓄工程的情况下往往形成较大的洪水,地表径流得不到有效利用,同时增加了下游河道的防洪压力。

c.地下水资源相对丰富,但未被充分利用。辽河平原区地下水资源较丰富,含水层补给、排泄及径流条件均良好。第四系潜水含水层渗透系数约为42.78～73.54m/d,辽河漫滩区常规井单井涌水量可达8000m3/d,若以现代新型辐射井技术,采用5根辐射管单井涌水量可达30000m3/d。含水层中的砂砾石层厚度约为20m,给水度为0.18～0.22,具有较好的赋水条件。然而在没有合理的地下水开发规划的情况下,仅于灌期抽取地下水用于农田灌溉以及供应生活用水,地下水资源没有得到充分利用,更没有发挥出含水层的多年调蓄功能。

d.地表水与地下水均存在不同程度的污染。据历史资料分析及2008年的2次水质通测结果,以GB5749—2006《生活饮用水卫生标准》进行评价,地表水污染较严重,主要超标项目有色度、浑浊度、氨氮、锰离子,其中浑浊度与氨氮超标最严重;地下水主要超标项目为菌落总数、色度、浑浊度、氯化物及锰离子,其中锰离子及菌落总数超标最严重,见图3。

图3 主要超标项目平均超标倍数

采用物元可拓法综合评价2次所取水样[4],结果表明:地表水质总体为Ⅳ类,地下水质为Ⅲ～Ⅳ类,地表水污染程度大于地下水,见表1。综合评价结果与上述超标情况总体趋势基本一致。

表1 2008年2次水质综合分析评价结果

水体较差的原因可以概括为:①部分工业废水和城乡生活污水无节制排放,造成河道的较重污染;②大量的农村生活垃圾、废弃物及死亡牲畜等被扔到河中,堵塞河道,污染河水,通常使河水发绿、发黑、发臭,浑浊不堪;③非汛期来水减少,河水不能及时被更新及稀释,在地势平坦河段形成局部堆满污染废弃物的臭水洼地,只有来年汛期才能被冲走;④沿河放牧现象普遍,部分牲畜粪便进入河道,尤其在部分村落有成堆的粪便堆放在河道边,成为河流的重要污染源;⑤地表水与地下水具有较强的水力联系,地表污水在汛期被引入到地下,是造成地下水水质较差的重要原因之一;⑥地下水中锰离子含量超标主要受本区地质环境的影响,该区域内锰离子的天然背景值较高。

3 地表水与地下水联合开发模式分析

3.1 联合开发思路

据前述分析,研究区水资源进一步开发利用的潜力较大。其面临的主要难点有:①没有工程,缺乏水资源调蓄,特别是年际间的水资源调蓄能力弱;②水污染严重,地表水与地下水均受到不同程度的污染。既要发挥水资源的供水功能,又要解决上述面临的问题,需要选择适宜的水资源开发模式。

针对流域内的水污染问题,虽然从评价结果看污染较为严重,但从主要污染物及导致污染的原因来看,污染源主要为农村垃圾,超标项目相对容易处理。结合沈阳市生态城市建设的推进,拟采用以下措施:从源头上减少乃至根除农村垃圾污染源;采用疏浚等工程措施使河道畅通,防止径流不畅形成臭水沟;利用人工湿地等生态修复措施改善水质。针对水源调蓄,建设地表拦蓄工程,截住地表径流以增加可利用水量;建设地下水库以使水资源能够多年调节。由此以地表拦蓄结合地下水库为水资源调蓄工程主体,以生态修复及人工湿地为手段净化水体,构成地表水与地下水联合开发的新模式开发利用水资源,其概念模式如图4所示。

图4 地表水与地下水联合开发模式示意图

3.2 针对地表水采取的措施

研究区生活、灌溉及工农业用水几乎全靠地下水,地表水基本未被利用,规划时无需过多地考虑当地用水的需求。由此结合目前已有的防洪堤,在长河、万泉河汇流处下游约600m处建立长约550m、高约1.5m的溢流坝或橡胶坝拦蓄地表径流,并于形成的约1.22km2的水域建立人工湿地,与在建的溪泉湖湿地结合可形成5.4km2的地表水域。既通过拦水坝截留汛期地表径流,并对含水层补给,平均每年可增加约0.1239亿m3的地下水补给量,又利用人工湿地净化地表水体。针对地表农村垃圾污染问题,在中上游通过清淤疏浚、护坡(重点是清除垃圾)等措施,畅通河道、改善水质;在人工湿地种植芦苇、养殖河蚌等,利用生态作用净化水体。通过水生态修复及小流域环境治理改善河流水质,防止引起地下水污染。

3.3 针对地下水采取的措施

在人工湿地西部辽河漫滩区利用水源地开采形成的降落漏斗建立地下水库。通过地下水库的建设条件分析,在此建立地下水库具有相对充足的补给水源,特别是建立了以人工湿地为主要补给区后补给水源将更加充足。分析区内67个钻孔及7条剖面资料,结果表明,含水层岩性从上到下可概化为亚黏土、亚砂土、细砂及砂砾石层,其中细砂与砂砾石层互层,详见图5。采用建立的GMS三维地质实体模型得到含水层不同岩性的体积[5],根据含水层特征和防止引起生态环境地质问题综合确定各特征水位[6-8],再依据式(1)对拟建地下水库库容进行估算[9],得出地下水库总库容为1.65亿m3,其中兴利库容达到1.09亿m3。表明地下水库具有实现水资源多年调节的调蓄空间。

图5 GMS三维地质实体模型切割剖面图

式中:V为库容,m3;μi为第i个蓄水体的重力给水度;V*i为第i个蓄水体的体积,m3;n为不同岩性的蓄水体个数。

总之,从含水层条件、地下水补给水源、地下水库调蓄空间、地下水开采条件等方面综合分析可知,建立地下水库从而进行水资源多年调节及开发利用是可行的。

3.4 情景模拟分析

根据含水层特征参数,以2002～2006年观测水位数据建立地下水流数值模拟模型,利用GWMS软件进行参数识别、模型验证后,利用上述地表水与地下水联合开发的思路,设置不同的情景,模拟地表水与地下水联合利用的可行性及分析可能出现的问题。

以不同的开采规模为情景进行模拟分析,结果表明:以10万m3/d的规模持续开发不会引起环境问题,开采稳定后形成约6km2的地下水位降落漏斗,漏斗中心水位埋深约13m;若考虑为城市应急供水,分别以25万m3/d,40万m3/d,50万m3/d这3种开采规模模拟,其持续应急供水时间可分别达到12个月、6个月及4个月。

4 结 语

a.受气候、地形等因素综合影响,在北方小流域采用地表水与地下水联合开发的模式开发利用水资源具有较高的可行性。既能较充分地利用地表水资源,又能利用含水层的天然调蓄功能实现水资源的多年调节,对区域的稳定供水有较大的现实意义。

b.地表水与地下水联合开发模式在沈阳市辽河支流长河-羊肠河流域内可行,可持续提供10万m3/d的可供水量,在应急状态下可提供更为可观的供水量,能够保障当地城市的应急供水安全。

c.北方小流域受污染情况较为严重,尤其是流域内地表水污染已经影响当地生态环境。人工湿地等水生态修复措施不仅对小流域生态环境改善具有重要意义,而且对地表水与地下水联合开发的水源水质提供保障。未来可加大利用生态修复对水质改善程度的实证研究。

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