地下水库发展的探究

汤洪洁

地下水库发展的探究

汤洪洁

（水利部水利水电规划设计总院 北京 100120）

地下水库的发展在我国正处于起步阶段，有关规划、设计、建设及运行管理的若干技术问题还有待深入研究，逐步完善。根据修建地表水库已经成熟的经验，地下水库的发展存在技术标准规范缺乏、规划与设计理论不健全以及运行管理调度制度不完善等问题。笔者在此提出这几个方面的问题和初步研究思路，期望集思广益，推进地下水库的研究和发展，起到抛砖引玉的作用。

地下水库 发展 水资源

水在人类的生存和发展中是最基本、最活跃的环境要素之一，水资源的开发和利用在人类文明史发展中占有极其重要的地位。水资源包括地下水和地表水，修建地表水库对地表水水资源进行开发和利用一直是流域水资源调蓄领域中的主流方法，通过对河流径流的人工调节，改变地表水资源的时空分布，在防洪、灌溉、供水和发电等方面发挥了巨大的作用。随着现代科学技术的快速发展，水资源的供需矛盾日益突出，水资源短缺、水环境污染以及开发利用不当造成的环境问题等，都对合理开发水资源提出了更高的要求和期望。地下水资源的开发利用、实现地表水与地下水的联合调度已经成为各国研究和关注的重点，地下水库的发展在我国也将成为必然趋势。

1 地下水库发展概况及特征

地下水库是一种有目的、主动地储存、调节、利用地下水资源的水利工程项目。地下水库的发展对水资源的人工调蓄、地表水和地下水联合调度、生态环境问题的控制和修复、水资源战略储备以及应急供水等方面均可发挥重要的作用。

美国、瑞典、荷兰、德国、日本等许多国家从20世纪80年代以来就开始大力推广利用地下水库调蓄水资源的做法，我国目前在河北、山东等地修建了地下水库并取得了良好的效果。

我国目前已建部分大中型地下水库如表1所示。

表1 目前已建部分大中型地下水库

地下水库是一类新兴的蓄水水利工程，主要优点包括：地下水库的补给、储存和供水工程，可实现地表水、地下水的联合利用和调蓄；可将汛期洪水储存于含水层，提高流域水资源的利用率；水面蒸发损失小，提高蓄水有效利用率；不占地、不淹没、不存在移民搬迁等问题；不存在防洪风险问题，具有较高的安全性；地下水库砂砾石含水层具有一定的过滤和净化水质的能力。

地下水库的主要缺点包括：地下水库蓄水位过高可能导致土壤次生盐碱化和沼泽化；地下水一旦受到污染，治理难度非常大；地下水量调节过程相对缓慢；地下水库的水储存于地下，管理难度相对较大。

2 地下水库发展关键技术

2.1设计标准

（1）特征库容。地下水库的库容是指地下水库有效储水部分空隙体积。与地表水库相同，也有特定水位下以及两种限制水位之间的特征库容之说，只是因为不存在防洪问题，没有防洪库容的概念。

这里有一个重要的概念值得探讨，即“总库容”和“最大调节库容”。地下水库是以最高蓄水位以下的库容称之为“总库容”。最高蓄水位是指为了防止毛细水上升产生次生盐碱化的地下允许最高水位，最低蓄水位是指为了防止地下水位过低引起生态环境恶化的地下允许最低水位，最高蓄水位与最低蓄水位之间的库容称之为“最大调节库容”。由于地下水库地下储水空间的深度可超过几百米，深层地下水所占的库容有可能成为库容的主体，而从经济、环境和生态的角度出发，仅能让有限深度的地下水参与水库的调节，因此，总库容就很难真实地反映地下水库的实际规模。笔者认为，采用“最大调节库容”来反映地下水库库容的大小，从而确定地下水库的规模比较合适。

（2）地下水库分级。为便于推广，地下水库的分级宜与地表水库的相关概念和理论衔接。地表水库根据总库容指标分级标准见表2。考虑到地下水库的计算不如地表水库精确，分级不宜过细。李砚阁提出的地下水库分级标准见表3。

表2 地表水库分级标准

表3 地下水库分级标准

笔者认为，参考《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2000）等规范，考虑到地下水库发展主要是灌溉和供水要求等，地下水库的分级宜与地下水库的规模和功能相对应，为规划设计时的安全性提供依据。即地下水库的等级不仅与库容有关系，而且与灌溉面积的大小、供水对象的重要性等相关。其中，灌溉面积与重要性的分级可与地表水库一致，而库容指标则采用最大调节库容。

2.2建库条件

地下水库建设必须具备两个基本条件：足够的地下储水空间以及充足的水源。此外，还应考虑环境生态条件和可持续条件。

（1）地下储水空间。地下水库储水空间是指可以富集地下水的地质构造。影响地下水库储水空间的主要因素是地层岩性、地质构造、自然地理条件和人为因素等。地层岩性决定储水空间的蓄水能力，如砂卵石层或具有岩溶构造的石灰岩、白云岩等。地质构造影响和控制储水空间的蓄水能力，如节理、裂隙、断层构造带等。自然地理条件包括气候、地形、河流等因素，对地下水库储水空间的形成和地下水的赋存有重要影响。人为因素指建设水利工程有目的地影响和改变地下水的储存、补给、径流和排泄等。

可以看出，地下水库的建库条件与地表水库一样，要求对工程区的工程地质及水文地质条件进行全面的调查和勘探，寻找适宜的库址，查明地下水库库区范围，确定需要修建的工程。由于地下水库储水空间埋藏于地下，不可见，一切工作的前提就是水文地质调查。水文地质调查宜根据不同地区类型及地下水资源的分布和特点，通过仪器和设备采用合适的水文地质物探方法进行。

（2）水源。水源是建设地下水库的先决条件。地下水库补给包括地下径流补给水、天然补给水和人工补给水。我们谈的主要是利用水利设施人工干预对地下水库进行补给的水源工程，如通过闸坝拦蓄汛期洪水；地表水库汛期来临前的水库弃水；灌溉用水中的渠道退水；湖泊、坑、塘、洼地蓄水以及工业用水后处理过的中水等等。应注意的是，水源水质标准原则上不低于地表水水质标准Ⅲ级。

（3）环境生态条件。地下水不易受到污染，但是一旦受到污染，治理起来是非常困难的。地下水污染源种类很多，首先要杜绝水源本身的污染；利用工程措施抵挡周围污染源的入侵；通过工程运行调度，防止出现地下水位下降及次生盐碱化等生态环境恶化问题。

上述三个建库条件的研究，最终要保障地下水库建设和运行的可持续性发展。

2.3工程总体规划

（1）工程建设的必要性。参照地表水库规划的设计内容，首先须论述工程建设的必要性和迫切性。可以借鉴地表水库规划要点进行论述，例如工程所在流域的规划成果及审查的主要结论、工程区社会经济现状及近远期发展规划、工程区水资源特点及利用开发情况等。

（2）工程任务和规模。从目前已建地下水库工程来看，地下水库的工程任务主要包括城镇和工业供水、农业灌溉、以及防治海水入侵和恢复地下水生态等。城镇和工业供水、农业灌溉的工程规模确定的方法可参照地表水库相关规划内容，根据供水区范围、供水对象、供水保证率以及灌区范围、灌溉制度、灌溉保证率等进行供需平衡分析后，合理确定工程规模。防治海水入侵和恢复地下水生态的地下水库可根据工程所在地海水入侵状况和地下水生态现状，说明其对地下水库的要求。

（3）地下水库调节计算。地下水库调节计算主要指地下水量的调节计算，包括地下水补给量、排泄量的计算，其计算方法主要借鉴水文地质或地下水水文学的计算方法，与地表水库的调节计算有很大不同，宜总结国内外已建工程相关经验，研究并形成系统的调节设计计算理论，合理确定特征水位和特征库容，满足水库功能的需要。

2.4工程总体设计

（1）工程总布置。一个完整的地下水库工程主要由水源工程、补给区工程、储存区工程、排水区工程等部分组成。

水源工程与补给区工程是联系在一起的，通过在补给区修建水利设施将各种水源输送到储存区。根据规划中关于水源的论证成果，考虑到地下水库规模、输水时对水质的影响、输送距离、输水损失、输水效率等因素，应对不同的输送方案进行技术经济比较。

储存区就是根据规划中对地下水库库址的论证成果，通过修建地下坝形成封闭的储水空间，并使补给水到达用户需要的最有利的开采位置。排水区就是通过工程措施将不合乎水质要求的水、多余的水排到区外，将用户需要的水供给用户。

（2）主要建筑物设计。地下水库的建筑物设计主要包括地下坝设计、补给工程设计、开采工程设计、排水工程设计等。地下坝设计可参考地表水库深覆盖层用到的防渗墙结构设计；补给工程也就是回灌水工程，与开采工程设计类似，根据地下水埋深不同，可分别参考单井或渗渠的设计方法。排水工程可根据排泄水的不同性质，有针对性地提出工程处理措施，目的就是确保地下水库的安全，且不影响生态环境。

（3）安全监测。地下水库不仅有地下水参与，而且涉及地表水。需要监测的内容主要包括蒸发量、降水量等气象条件，地表水的水质、水量，地下水的水位、水质、水文、补给量、开采量，以及土壤的含水量、含盐量、地表生态环境信息等。宜对地下水库安全监测进行系统建设，统一规划、统一标准、统一应用，达到安全可靠、先进实用、高度整合的目的和要求。

（4）运行管理。地下水库的发展离不开地下水库管理制度的建立和完善。我国地下水库起步较晚，管理方面的研究和实践较少，宜尽快建立地下水库的管理体系和相关的法律法规。主要内容宜包括：地下水库的组织机构、隶属和管理权限；地下水库的水权问题；库区范围内的地下水开发与管理；库区范围内地表水、地下水、水质、水量的监测、管理与调度；库区范围内水资源工程建设、库区范围（包括影响范围）与水有关的生态环境问题。

3 地下水库发展前景

我国地下水开采量居世界第三位，但是地下水人工补给量所占地下水开采量的比例甚小。近十几年来，地下水资源开发利用水平在不断提高，地下水位持续下降造成的一系列的生态环境问题越来越严重。地下水资源的合理有效利用以及地表水和地下水的联合调度越来越显得十分重要和迫切。

根据最近的研究资料表明，在我国多地存在建设大型地下水库的优越地形地质条件。

新疆玛纳斯流域流域水资源时空分布很不均匀，丰水期6～9月份的径流量占全年径流量的70%。夏季大量的洪水未被有效利用，而春秋两季水资源短缺严重。该流域巨大的前山带构造洼地和巨厚的山前冲洪积扇构成了建设地下水库的有利条件。经初步研究，玛纳斯流域地下水库调蓄空间巨大，山前带山前洼地地下水库可调节库容为20.4亿m3，冲洪积扇地下水库可调节库容6.3亿m3。新疆塔里木盆地各个流域山前冲洪积扇溢出带以上，存在着水质优良、水量丰富的“天然地下水库”。新疆阿克苏地区台兰河地下水库一期工程已经建成，发挥了良好的经济效益和社会效益。

黑龙江三江平原是黑龙江、松花江、乌苏里江冲积洪积平原，具有面积大、含水层厚、岩性颗粒粗、无隔层、容水量大、传导性强、调节潜力大等优势。低平原区地下具有10～300m不等砂砾含水层，容水系数可为0.15，若按20m含水层作为可调节库容，其量达150亿m3。通过地下水库水位的调节，还可以防治涝渍盐碱。

陕西关中地区既是资源性严重缺水的地方，也是高强度洪灾频发的地区。秦岭山前支流密布，汛期产生大量洪水，而秦岭山前的洪积扇群沉积了巨厚的砂卵石层，为截洪引渗、修建地下调节水库提供了良好的条件。南水北调受水区也提出了利用地下水库，对南水北调中线富余水回补地下水的调蓄策略。

北京市的70%用水来自地下水，地下水资源对北京地区的生产生活起到非常重要的作用。作为北京市的战略性后备水源地，平谷盆地的地下水库研究已开展多年，研究表明现状调蓄库容可达5.33亿m3。另外，经论证北京西部永定河地下水库具有较好的水资源回灌能力、储存能力，地下水人工调蓄可起到明显的效果。

上述工程还在探索和研究中，可以看出，地下水库的发展是未来水资源调蓄的必然趋势，是将来水利发展的重要任务。目前由于地下水库规划设计相关的法律、规范等不健全，地下水库的发展受到了制约。建议能在国内已建地下水库工程的基础上，加强研究力度和深度，尽快形成适合我国地下水库规划、设计、建设及运行管理等一系列的理论、制度和规范，为地下水库的发展提供强大的科学支撑。

1 李砚阁.地下水库建设研究.北京：中国环境科学出版社，2007.

2 李旺林，刘长余，汤怀义.地下水库设计理论与工程实践.郑州：黄河水利出版社，2012年.

3 王文明，王文科，程旭光.玛纳斯河流域地下水库调蓄能力研究，水资源保护，2010，1:26.

4 李海波，李贵勤，刘永富.论三江平原建设地下水库优势.黑龙江水利科技，2011，3:9.

TV623

B

1672-2469(2014)06-0004-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.06.002

汤洪洁（1972年—），女，教授级高级工程师。