沿海地区常规水资源开发利用方法与策略

王 文,张 鹭,杨 云

(河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098)

1 沿海地区水资源开发利用的特殊性

根据2012年验收完成的国家综合性专项“我国近海海洋综合调查与评价”调查结果,我国沿海地区水资源短缺日益严重,11个沿海省(自治区、直辖市)所辖的52个沿海城市中近90%存在不同程度缺水问题。水资源已经成为制约沿海地区经济社会可持续发展的重要瓶颈。

与内陆相比,沿海地区的水资源具有以下特点:①处于流域汇流区末端,径流总量相对较大,但受上游污染影响,地表径流水质通常较差,尤其是平原地区的中小河流水质问题尤为突出;②地表水受海洋潮汐作用产生的咸潮影响,地下水含水层往往淡、咸交错,易受海水入侵影响,尤其是在地下水超量开采的情况下;③地貌通常为河口三洲平原或海积平原,地势低平,地表蓄水条件差,但同时存在海湾、泻湖等海洋环境的可蓄水地貌;④非常规水资源丰富,有取之不竭的海水资源,可通过海水淡化的形式转化为淡水资源。同时,地表、地下的微咸水资源量巨大,可以直接或通过低成本处理后加以利用。

由于这些特点,沿海地区水资源开发利用方法与其他地区相比具有很多独特之处。沿海地区常规水资源开发利用方法主要有:跨流域调水、修建河道御咸蓄淡工程、修建滨海平原水库、修建海岸水库及修建地下水库。笔者将对沿海地区水资源开发利用中的各种常规水资源开发利用方法及其在国内外的应用实践进行阐述分析。

2 跨流域调水

跨流域调水是解决区域性水资源分布不均的一个常用方法,被世界各国普遍采用,在沿海地区也同样是一种重要的水资源开发利用方式。比如,美国1973年完成了著名的加州北水南调工程,其受水区很多为沿海城市(包括洛杉矶与旧金山市)。20世纪80年代以来,大连市先后实施了引碧入连、引英入连等重大引水工程,2008年又启动了大伙房水库输水入连工程。2005年,广东省为保障东西两翼沿海地区的工农业生产及生活用水,规划了多个调水工程。除了大规模、长距离的跨流域调水,通过灌排系统或局部水系改造,进行中、短距离引水也很常见。比如,江苏省自20世纪70年代以来在原有河道基础上,不断推进以长江为源头的调水干线建设,其中,以通榆河为骨干河道的送水工程可以根据需要向江苏北端沿海的连云港市送水30～50 m3/s。

调水工程往往投资巨大,尤其是远程调水,通过调水工程进行供水的成本很高。将广东省的东江水引至香港的东深供水工程始建于1959年,后经过多期扩建、改造,其中仅2000年启动、为期3年半的改造工程投资就达到47亿元。根据广东省物价局2011年制定的东深供水工程东莞—深圳沿线供水价格表,深圳水库供水区间的水价达到0.945元/m3,而广东省地表水的水资源费征收标准不到0.12元/m3。再以南水北调东线一期工程为例,该工程于2013年底正式通水,工程总投资500多亿元。根据初步测算,南水北调江苏段平均水价为0.41元/m3,山东段平均水价高达1.54元/m3,而2012年江苏省地表水的水资源费征收标准仅为0.2元/m3,山东地表水的水资源费标准为0.3元/m3 [1]。跨流域调水还可能对水源区、输水区和受水区造成较大的生态环境影响,包括物理化学系统、生物系统与社会经济系统等多个方面的影响[2]。

3 河道御咸蓄淡工程

河道(包括河口)御咸蓄淡工程指通过在受咸潮入侵影响的中小河流的河道上建闸、筑坝,内蓄淡水,外御咸潮。此类工程可大致分两类:闸坝式枢纽(如浙江绍兴三江闸及福建莆田木兰陂)与坝式枢纽(如浙江鄞县它山堰)。在各地已建挡潮工程中,有少数以蓄淡为主要目的,在河口段形成河口水库。此类河口水库通常建立在集水面积较小的流域,例如我国浙江省宁海县胡陈港水库(1979年建成,库容6076万m3)、象山县大塘港水库(1975年建成,库容为2 650万m3)以及乐清市的方江屿水库(1979年建成,库容4500万m3)均是在集水面积为200 km2左右或更小的河流入海口处建坝而成的蓄淡水库。

国外的河口挡潮工程也很常见,而且一些中小河流的河口平原地区的挡潮工程也具有御咸蓄淡功能,比如,马来西亚沙捞越州在沙捞越河河口分汊河段建起2个拦河坝与1个挡潮闸,达到防洪与御咸的目的[3];新加坡于2008年建成的“滨海堤坝”将5条小河的河口汇合区围成面积约2.4 km2的滨海水库,具有御咸蓄淡、防洪与娱乐等多种功能,可以满足新加坡目前10%的用水需求[4]。

河道蓄淡工程的优点是占用土地较少,如果有合适的地形条件或有配套的调蓄湖泊,也能形成一定的调蓄能力,但通常蓄淡能力有限。另外,河道蓄淡工程会对河道行洪能力造成影响,需要通过优化调度或配套工程措施加以解决。比如为了增加行洪能力,新加坡“滨海堤坝”工程配置了强大的抽排系统,每分钟可以将一个标准游泳池的水抽入大海。

4 滨海平原水库

滨海平原水库指在滨海平原上通过在地表建坝、开挖或利用原有水体(如废弃河道)建设的水库。我国长江、黄河、珠江、淮河等流域中下游地区建有大量的平原水库,而平原水库运用最成熟的是山东省。至2004年底,山东省共建成平原水库770座,设计总库容16.54亿m3,主要分布在黄河三角洲,共726座[5]。其中,山东东营天鹅湖水库(原名广南水库)位于黄河三角洲南侧,设计库容1.14亿m3,是目前全国最大的滨海平原水库。滨海平原水库在我国其他省份也有不少。如杭州湾南岸的浙江省慈溪市在20世纪90年代利用沿海滩涂通过筑坝建成了四灶浦水库,水库总库容2014万m3。江苏省盐城市2012年在平原上开挖建成了盐龙湖水库,总库容500万m3。盐城市还利用射阳河口段裁弯取直后废弃的一个牛轭湖,建成明湖水库,总库容3 556万m3。

在平原水库规划中有几方面问题必须考虑。①水源问题。由于平原水库基本没有汇水面积,自然入流与雨水都很有限,因此在平原水库建设中,选择合理的位置,解决好水库的水源,对水库能否充分发挥水资源保障作用非常重要。选址的地形要尽量低洼,并结合水系的功能区划,选择在排涝河边,结合排涝来蓄水,充分利用雨洪资源。②环境问题。在无截排渗设施的情况下,地上式平原水库的渗漏会造成周边土壤的盐渍化。因此,一定要在地上式平原水库四周修筑截渗沟并与排水河道相通,将水库的渗漏排出去,才能防止周围的土地盐渍化和沼泽化[6]。③成本问题。平原水库一般要占用大量耕地,在土地资源日趋紧张的情况下,建设平原水库的成本越来越高,例如,在平原上开挖出来的盐龙湖水库的投资近8亿元。而同样在盐城市建设的另一个平原水库——明湖水库,由于是利用废弃的牛轭湖建设的,其库容是盐龙湖水库的7倍,但工程投资仅1.3亿元。因此，因地制宜,尽量减少征地,降低建设成本也是规划平原水库时要加以考虑的。另外在平原水库的运行使用中,由于水库底泥盐分释放、蒸发量大于降雨量时的蒸发浓缩作用等,滨海平原水库往往存在水质咸化问题,要通过一些工程措施和管理措施减轻水质咸化[7]。

5 海岸水库

海岸水库包括河口水库、滩涂水库、海湾水库等多种形式。其中,河口水库在河流的入海口附近建坝蓄水,它也是一种河道御咸蓄淡工程;滩涂水库在河口浅滩或海岸潮滩建堤圈围,引蓄河流淡水;海湾水库在海湾(包括有河流入流与无河流入流的海湾)建闸、坝,引蓄淡水。

滩涂水库的存在形式有2种,一种是在大河河口浅滩上圈围成库,另一种是在海岸潮滩上圈围成库。20世纪80～90年代上海在长江入海口南岸边滩上兴建了宝钢水库(库容1 000万m3)、陈行水库(库容832万m3)。2010年在长江入海口依托若干江心沙洲,圈围约60 km2,建成世界上最大的潮汐河口水库青草沙水库(库容4.38亿m3)。近年来,随着海平面的持续抬升,以及河道整治、跨流域调水及大型水库建设等水利工程影响,长江、珠江等大河口的咸潮危害越来越严重。而要应对这些大河口的咸潮危害,除了通过调度大河中上游水库群进行补水压咸外,建设大河口滩涂水库,发挥其水库避咸蓄淡的作用,也是有效应对手段之一。在海岸潮滩上建设的滩涂水库的典型是预计于2015年建成的江苏如东县东凌水库,总库容3 298万m3。

海湾水库的存在形式有2种,一种是在有河流入流的河口海湾(或泻湖)筑坝成库,另一种是基本无河流入流的海湾筑坝成库。全世界已有多个著名的大型河口海湾水库,包括荷兰的艾瑟尔湖-马克湖(总面积约1 800 km2)、澳大利亚的亚历山德里娜湖-艾伯特湖(总面积约1 300 km2)与韩国的新万金工程(湖面面积649 km2)。目前,印度正筹划在有多条河流汇入的坎贝湾建一条长30 km的大坝,形成面积约2 000 km2的超大型海湾水库,库容将达到100亿m3。在无河流入流的海湾建设水库的例子很少。香港的船湾淡水湖是全世界第一个此类水库,它将若干半岛、小岛环绕的海湾用一个主坝、二个副坝包围,然后将海水抽出,注入淡水成湖,库容2.3亿m3。此后香港又建设了万宜水库,将一个狭窄海道二端建起两道堤坝,库容2.8亿m3。

海岸水库的主要优点是占用土地很少,而且海岸水库可以充分利用海洋空间,通常具有较大的库容。海岸水库的最大问题在于水质的咸化。库底的富盐沉积物作为内源是导致咸化的主要原因,闸坝渗漏导致的海水渗入也是一个重要因素。这些因素可能严重影响水库功能的发挥。比如浙江省宁海县胡陈港水库建成后,水质长期偏咸,不适合作饮用水及工业用水,水资源利用率极低[8]。防治海湾水库水质咸化的主要预防措施有:采用工程措施减少海水渗入、水库高水位蓄水、缩短水体置换周期、水库蓄水前抽排残留库底表层沉积物、蓄水后抽排水体底层咸水等[9-10]。

6 地下水开采与地下水库

地下水在许多沿海地区的水资源利用中占有相当大的比例,例如美国落杉矶市的15%城市供水为地下水[11],辽宁省大连市地下水源供水量占总供水量的20%[12],个别沿海城市甚至以地下水为工业与生活饮用水的唯一水源,如广西壮族自治区北海市。地下水过度开采的情况在世界各地普遍存在,并引起地下水蓄量的减少。如美国的大西洋沿岸平原区与墨西哥湾沿岸平原区的地下水蓄量在1900—2008年间分别累计减少1720万m3～2.66亿m3,而且减少幅度呈增加趋势[13]。由于沿海地区地下水含水层直接与海水相连,地下水超量开采会引起海水侵入淡水含水层。这种海水入侵现象在我国沿海省份均有不同程度存在,以山东、辽宁两省尤为严重。相应地,海水入侵的防治措施也成为沿海地区地下水资源开发利用的重要内容。治理海水入侵问题的首要措施是限制地下水的开采量。其次采取地下帷幕(包括实体帷幕、水力帷幕和地下充气墙)和地面挡潮工程等工程措施阻挡咸水(海水)的渗入[14]。而要想达到既控制地下水蓄量的相对稳定,又可持续地开发利用地下水的目的,就要建设拦蓄补源性工程以及地下水库。

地下水库有2个含义,一是指将地下含水层作为储水空间,在地表水充沛时通过人为方式用地表水补给地下水,然后在需要时抽取使用;二是在地下构筑实体空间,也就是地下蓄水池。

地下蓄水池的方式建设成本较高,在各国极为少用。世界最大的地下蓄水池是日本埼玉县的“首都圈外郭放水路”,它同时也是地下行洪通道。荷兰有类似的小型地下蓄水池,建于鹿特丹市区博物馆公园的地下。这些地下蓄水池的主要功能是蓄滞雨洪,降低城市洪水风险,容积较小。但在合理设计、使用的情况下,这些地下蓄水池也可以做为一种雨洪资源利用设施。

以地下含水层作为储水空间的地下水库建设的2个基本条件是:①有适宜的水文地质条件,即有较为封闭的地下隔水介质与适宜的含水层;②有充足的地下水补给水源。补给方式也可以分为地表入渗(包括河道、沟、塘等)补给和渗井补给(包括人工渗井与机渗井等)2类。具体采用哪种补给方式,则取决于水文地质条件。以地表松散沉积物为主要储水空间的地下水库,其地表补给在总补给量中占相当大的比例,渗井补给也采用自然入渗与机渗结合的方式。我国已建成的地下水库基本属于这种类型,如北京的西郊地下水库、河北邢台市的南宫地下水库、辽宁大连市的龙河地下水库、山东莱州市的王河地下水库、青岛市的大沽河地下水库与龙口市的黄水河地下水库等,这些水库中很多建于滨海地区。这些水库的共同特点是,地表有较厚的松散沉积物,边界有较封闭的储水空间,或通过修建地下挡水坝能形成较封闭的储水空间,因此,地表补给量在总补给量中占重要成分,而且渗井深度都很浅,一般在20 m以内。当地表到地下含水层之间存在不透水层时,就必须靠机渗井注水的方式进行地下水库的补水。地下水库的机渗井按用途可分单纯的注水井(AR)和既能注水又能回采的注水/取水井(ASR)2类。

地下水补给的水源主要包括地表河流、雨洪及污水再生水。欧洲国家通过地表水与雨洪资源进行含水层人工补给的补给量在总供水量中一般占10%～20%。在地表水极度缺乏的波斯湾与中东地区国家,为了保证供水的安全,甚至考虑利用ASR技术以海水淡化做为地下水库的补给来源,以备应急水源之需[15]。

地下水库具有投资小、占地面积少、安全性高、蒸发损耗小、淤积问题小、水质可以自然净化等优越性。但修建地下水库,需要大量的前期地质勘探工作。此外,水库建成后的运行成本较高,管理难度较大,其中堵塞问题是制约地下水人工注水效率的关键因素[16]。回补地下的水质和管理也是在地下水库运行中需要非常关注的一个方面。目前国内修建的地下水库,均是建在不透水基岩上的“封闭式”水库,地下水在库内循环速度变缓,一旦上游污水流入,水质的恢复需要较长的时间。因此,需要严格控制回灌水质。另外,在选址上也可以建立“开敞式”地下水库,不仅有利于地下水的循环,也可以实现海水入侵的生态防治。在实践中,荷兰位于阿姆斯丹市南部的海岸沙丘蓄淡供水工程就是此类水库的一个典型例子。它依自然海岸沙丘而建,将河水引入海岸沙丘,利用沙丘体做为蓄淡空间,以地表沟塘入渗与渗井补给相结合,起着蓄淡与遏制海水入侵的双重作用[17]。

7 常规水资源开发利用形式的比较

沿海地区常规水资源开发利用形式的特点与存在的问题如表1所示。

表1 沿海地区常规水资源开发利用形式的比较

8 结 语

常规水资源开发利用方法主要有:跨流域调水、修建河道御咸蓄淡工程、修建滨海平原水库、修建海岸水库及修建地下水库。这些开发利用方法都通过规模不等的工程形式实现,各有不同特点,也各自存在不同问题。相对而言,从土地成本与蓄水量这2个角度来考虑,在条件适宜的情况下,利用沿海地区较为丰富的地表径流,尤其是汛期雨洪资源,修建海岸水库或地下水库可以做为沿海地区水资源开发利用的优先考虑形式。

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