开展人工调蓄工程建设 修复沧州地下水环境

袁淑芳,姚洪敏,杨 惠

(1.河北省沧州市水务局,河北 沧州 061000;2.邯郸市漳滏河灌溉供水管理处,河北 邯郸 056002)

1 沧州地下水环境现状

沧州是我国水资源严重短缺的地区之一,全市多年平均水资源量为 12.3亿m3(1956～2005年)[1],人均水资源占有量仅为 180 m3,为全国平均值的8%,河北省平均值的60%。为维持本地区人民的正常生活和生产,自20世纪70年代以来,主要依靠超采深层地下水,年均超采约5亿m3。由于大量开采深层地下水,地下水位逐年下降,形成了大面积“漏斗群”,同时致使地下水降落漏斗快速发展,2009年底漏斗中心水位埋深达82.94 m,埋深大于80 m的封闭面积为299.7 km2,较2008年同期增加30.7 km2;埋深大于60 m的封闭面积为 5418.0km2[2],较 2008年同期增加93.0km2;并引发了地面下沉、机井报废、工程设施遭到不同程度破坏、地面积水、排水不畅、地下水环境恶化等一系列环境地质问题。

面对水资源紧缺的严峻形势和由此引发的不良后果,沧州多年来进行了大量的工作和探索研究。按照统筹规划,综合治理原则,在统筹规划沧州各种水源和节约用水的前提下,减少超采区地下水开采量,合理安排沧州地下水替代水源和开展地下水库及深层地下水回灌工程建设,以修复地下水环境[3]。

2 修复地下水环境的措施

2.1 地下水库建设

2.1.1 地下水库地点的选定

建造地下水库的区域须具有理想的蓄水孔隙和底部隔渗层,具有充沛的回补水源和良好的入渗途径等条件,即渗得进、蓄得住、采得出[4]。按区域地质的成因类型及物质来源,沧州可划分为3个水文地质区,即西部的冲洪积平原区、中部的海陆交互相沉积区、东部的滨海平原区。东部和中部地区砂层发育不及西部地区,西部为滹沱河与沙河古河道发育而成。该区域砂层发育,并有全淡水区,底板埋深30 m,含水层以细砂为主,少数为中砂,厚度5～12 m。多年来由于该区大量开采地下水,致使地下水位大幅度持续下降,地下调蓄库容不断增大,达 7亿m3,为地下水库建设提供了良好的储水空间。该区域调蓄含水层透水性强,单位涌水量2.5～5.0 m3/(h◦ m),利用原有的取水设施即可将储存的地下水采出供生产、生活用。因此,建设地下水库较为理想的区域为肃宁大部、献县、河间、任丘西部,水库面积为3211 km2。

2.1.2 地下水库调蓄水源分析

调蓄水源主要依靠天然降水和引蓄外来水,外调水有剩余的情况下可直接补入地下水库。

1)天然降水入渗补给量。根据水文气象资料,该区多年平均降水量为 549.5 mm,P=50%的降水量为527.9 mm,P=75%的降水量为428.4 mm。大气降水入渗补给量为

式中,W入为入渗补给量,亿 m3;P为多年平均降水量,mm;T为入渗补给系数,取0.20;F为计算面积,km2。

2)调节储水量。地下水库调节储水量为

式中,W为调节储量,亿m3;F为计算面积,取 3211km2;_为平均给水度,取0.035[5];ΔH为水位变幅,取平均值14.5[5]。

通过调节计算,该地下水库可调节储量为16.97亿m3,而天然入渗补给量仅为3.53亿m3,仅靠天然降水的入渗补给不能达到修复地下水环境的目的,必须有充足的外来水源做补充才能实现修复地下水环境。沧州于 2001年修建“王大”引水渠,肃宁、献县、河间连续多年引水灌溉,引水量 0.77亿m3;根据引黄西线远期规划,为献县、河间和任丘供水或通过白洋淀调蓄后向任丘供水;南水北调配套工程的沙河干渠为肃宁、河间、任丘、献县输水;这些外来水源在满足当地用水需求的前提下,可通过引渠、渗井等工程,回灌至地下水库,以修复地下水环境。

2.2 深层地下水回灌工程

2.2.1 回灌水源

由于沧州基本上无地表水,回灌水源主要有浅层淡水、外调水和汛期来水、降水。浅层淡水直接受降水补给,易采易补,根据浅层淡水的分布和开采量不同,选择适当时机,可将其作为深层地下水的回灌水源。随着引黄线路和水量的不断增加(2010年,沧州在原有位山引黄线路的基础上,又开辟了潘庄引黄线路,同时做好了小开河引黄线路前期工作),外调水量将越来越大,在满足当地用水的前提下,可将适量外调水进行深层回灌,作为回灌水源。沧州位于九河下梢,汛期上游来水和本地降水集中,通过河渠联网,联合调控,充分拦蓄上游来水和本地降水,经处理达标后,可作为回灌水源。

2.2.2 回灌方法

1)浅、深井联动

在深井旁边 10 m左右打一浅井,用导管把深、浅井连接起来,在中间安装离心泵或真空泵。具体做法：在浅井一端的导管,放到距井底 1～2 m处,深井一端的导管深度在大于浅井井深4～5 m处,用离心泵或真空泵在浅井中抽水或抽气,当导管中过水后,停止开泵。在深、浅井水位差的作用下,浅井水流向深井,开始自流回灌,如图1所示。

2)利用深井自身回灌

深井自身回灌是在打深井下井管时,在浅层地下淡水层部位把下实管改为下滤水管,经坑塘、洼淀拦蓄的洪沥水入渗地下浅层含水层后,就会经滤水管自动流入深井,补充深层地下水。

3)SPD法回灌[6]

SPD补给系统就是在人工补给地下水的过程中,不是将回灌的地面水直接通过回灌井回灌入深层地下水含水层中,而是首先利用地面水补给浅层含水层,再把经过潜水含水层净化过滤了的浅层地下水补入深层地下水含水层中,如图2所示。

深层地下水埋藏较深,与外部的水力联系较差,补给深层地下水只能采用回灌井注水法。但该方法又存在以下问题：一是回灌井容易产生淤堵,影响回灌效率;二是深层地下水一旦污染,极难恢复,对补给水源的水质要求较高;三是一般利用地表水、大气降水等作为廉价补给水源,但为了符合回灌水质要求,须对其进行净化处理,提高了成本。因此在选择回灌方法时要因地制宜,根据不同的回灌要求,不同的补给水源,选择与之相应的回灌方法,以达到最佳效果。

图1 回补承压水模式示意图

3 结语

通过地下水库的调节,可改变地下水补给量与开采量在数量上和时间上的不适应性,促使大气降水、地表水尽量转化为地下水,以利于开发利用。同时,由于地下水库蓄水,增加土壤含水量,能改善土壤墒情,逐步修复地下水环境。通过深层地下水回灌,将优质地表水、大气降水、汛期来水及外调水回注到地下,使深层地下水位埋深减少,增加深层地下水补给量,减少超采,有效遏制地下水位持续下降、降落漏斗面积扩大趋势,缓解地面沉降,改善区域地下水水质,使地下水环境逐步得到修复。

图2 SPD补给系统

[1]沧州市水资源调查评价[Z].沧州市水务局.

[2]付学功,等.2009年沧州市水文勘测报告 [Z].沧州水文水资源勘测局.

[3]张桂平,等.南水北调沧州受水区地下水环境综合治理研究 [C].//沧州市水务局.地下水保护行动专题成果,2010.

[4]李少华,李岩,李少贞,等.沧州区域雨洪资源综合利用模式研究与实现[J].节水灌溉.2010(2).

[5]胡荣花.建设地下水库促进沧州水环境良性循环 [J].水科学与工程技术.2005(S1).

[6]贺屹,等.深层地下水 SPD人工补给系统 [J].地球科学与环境,2006,28(1).