地下水库研究的现状及展望

王从荣，尤爱菊，束龙仓

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.河海大学，江苏 南京 210098）

地表水库与地下水库在水资源调控领域都发挥着较大作用，其中地下水库可通过将部分多余地表水转入地下进行多年调节，达到以丰补欠、调节水资源时空分配不均，进一步提高水资源利用效率的目的[1]。相比于地表水库，地下水库具有不占用土地资源、库区蒸发损耗小、受污染风险较低等优点，对缺水地区而言，在水资源开发利用中有较大的挖掘潜力。

1 地下水库研究现状与分类

地下水库相对于地表水库具有减少蒸发损耗、水质污染风险低等优点，在国内外都有较早的应用。

早在20世纪初，日本、美国、荷兰等国家就开始地下水人工补给的实践研究。1972年，为应对水资源短缺，海水入侵等问题，日本在长崎县野亩崎町桦岛采用灌浆法建造了世界第一座有坝地下水库[2]。自20世纪80年代以来，美国开始实施“含水层储存和回采（Aquifer Storage and Recovery，ASR）工程计划”，该工程通过注水井将水注入合适的含水层中，在需要时，再通过抽水井将水抽取出来以供使用[3]。20世纪50年代起，荷兰阿姆斯特丹市引莱茵河水，利用天然风积沙丘人工补给地下水[4]。

我国水资源缺乏并且时空分布极不均匀，国内学者很早就提出地下水的人工补给和调蓄的概念，许多省份都积累了利用地下水库来调蓄利用水资源的实践经验。1975年，在河北南宫利用古河道河床相砂层厚度大，透水性好的地下储水空间修建的仅有深井回灌系统的南宫地下水库，标志着我国地下水库发展的开端[5]。山东省修建的地下水库多用于拦蓄调节地下水和防止海水入侵，具有代表性的地下水库有：八里沙河地下水库[6]、王河地下水库[7]等。东北也是我国修建地下水库最早的地区之一，比较典型的有大连市的龙河地下水库[8]。我国南方一些岩溶地区依托地下岩溶建设地下水库，如贵州省普定县马官地下水库[9]。

我国目前地下水库分类有2种：林学钰[10]根据工程构筑形式将地下水库分为有坝、无坝和混合型3类；赵天石[11]根据地下水库的介质、地貌成因、位置和人为开采情况将地下水库分为调蓄型、开采漏斗型、河谷型、陆地岩溶型及滨海型5种。第一种分类比较简单、直观，可以清楚地反映有无地下坝，但无法反映地下水流的特征，而地下水流的特征影响着地下水库回灌和开采工程的布置等；第二种分类可较好反映不同地域特色，但分类依据较多。2种分类方法都无法概括所有的地下水库。为克服以上缺点，李旺林等[2]采用储水介质分类法将地下水库分为松散介质地下水库、裂隙介质地下水库、岩溶介质地下水库和混合介质地下水库，考虑同一类储水介质的地下水库特性上的差异，由此再进行二级分类（见表1）。

表1 地下水库储水介质分类法表

2 地下水库的主要研究内容

在我国，地下水库的研究主要集中在地下水库的调蓄库容分析、地下水库回灌技术、地下水库防渗技术以及地下水库选址适宜性分析等方面。

2.1 调蓄库容分析

在地下水库库容分析方面，一般认为随着储水介质不同，库容确定方法也有较大差别。在岩溶介质地下水库，由于对喀斯特渗流场进行勘察测试较困难，计算地下库容时，存在信息不全、误差较大等问题。为克服上述缺点，张祯武等[12]利用示踪探测方法计算岩溶介质地下水库，示踪剂因扩散规律而对渗流场具有遍历性、因质量守恒而对流场充水空间具有可测性，所以计算的岩溶介质地下水库库容较为接近实际。郑德凤等[13]采用蓄水空间几何形态概化法对拟建地下水库不同水头高度的水库库容进行计算。蓄水空间几何形态概化法就是将岩溶管道概化为柱体形状，将岩石空隙概化为三角锥体形状，然后将柱体体积与三角锥体体积相加求和即得岩溶介质地下水库库容。在松散介质地下水库，库容计算误差主要来自于给水度的确定，束龙仓等[14]讨论了在给水度均值不变的情况下，库容均值和均方差都随给水度均方差的增大而增大；在给水度均方差不变的情况下，随给水度均值的增大，库容均值随之增大，同时，库容均方差也随之增大，但增大的趋势逐渐变缓。这些结论为地下水库的合理规划、人工回灌水量的准确计算提供依据。

2.2 回灌技术

在地下水库回灌方法方面，不同学者从不同角度进行阐述。归纳起来，主要有池塘法、淹灌法、沟渠法和注水法。回灌时应结合引渗地段的特点进行选择，同时应考虑土壤类型、地质构造、地形条件、有效补给面积、水质状况、水流特性、地下水流向、埋深及动态等[15]。在回灌技术方面，应该考虑回灌区域的地理特性、降雨时空分布、多种灌溉方式结合等因素。一般而言，地表水回灌体系需要在短时间内最大限度地将洪水回灌到含水层，此时需要考虑多种灌溉方式结合，注重点面结合、平面均衡布置、浅层与深层相结合等[16]。

2.3 防渗技术

在地下水库防渗技术研究方面，不同学者从不同层面进行阐述。例如：在地下水渗漏勘察方面，传统岩溶库区渗漏及坝基渗漏勘察往往需要投入大量人力、财力，而利用地下水示踪技术，难度小，易操作，投入低，可以为查明渗漏途经和发展趋势提供直接帮助[17]。在地下水库防渗处理技术方面可归纳为修筑围堰、浇筑截水墙、帷幕灌浆、截渗坝等[18]。在充分查明地下水库地貌、水文、气候、岩性、水动力条件、地质构造条件后，采取有针对性的防渗措施。

2.4 选址适宜性分析

在地下水库选址方面，由于含水层空间自然条件复杂多样、不确定性因素较多，通常选择边界条件清楚的天然储水构造，在建立地下水库之前必须对库区的水文地质条件做出系统、准确、全面的评价[19]。主要观点可总结为：一是以地下水作为供水水源，选择水文地质条件优越、含水层富水性强、水质良好、补给条件好、具有多年调蓄功能的地下水库作为地下水水源地；二是遵循丰补旱采，以丰补歉的原则，保证在枯水年有足够的储存量可以借用，在丰水年有足够的水量可以储存；三是地下水和地表水联合调蓄的原则，充分利用本区优良的地表水入渗条件及充足的调蓄水源，实施地下水和地表水联合调蓄[20]。

3 地下水库现状研究的不足

从1975年南宫地下水库建成至今，我国对地下水库的应用和研究已有40多年的历史，然而还存在一些问题和不足。

3.1 研究类型具有局限性

多数文献研究的地下水库主要为岩溶地下水库和松散介质地下水库，在库容计算、水库回灌、水库防渗和水库选址方面遇到的问题、所用的方法和得出的结论主要适用此类型。上述2类地下水库是基于自然构造形成的，而基于人工构造的可蓄水工程如坑道，尚未纳入地下水库的研究对象中。坑道在我国广泛存在，原有功能主要用于运输矿石、废石、材料、设备以及通风排水和行人等。近年来，对坑道在蓄水方面的利用需求日益增长，但是目前针对该类型地下蓄水工程的相关研究较少。

3.2 回灌水源的影响分析较少

回灌水源问题包括水质问题和水量问题，水源对地下水库的功能发挥影响较大，但国内关于回灌水源的相关分析研究较少。回灌水源水质问题主要是回灌水对地下水环境的影响、地下水环境对回灌水源的影响以及回灌水在地下水库存储的过程中水质的变化情况等。回灌水源水量的问题主要是如何做到以丰补欠，能否通过建立水量调度模型调节水资源时空分配不均，提高水资源的利用效率；当回灌水源为区域调水时，水源成本因素分析等。

3.3 环境效益研究相对较少

从相关研究文献可知，地下水库工程建设评估多数是以其经济效益为主要指标。地下水库工程虽具有不占用土地资源等众多优点，但是否会带来其他环境问题，目前国内关于地下水库影响评价研究较少，地下水库的环境效益风险性研究尚不多见。

3.4 水质保护问题

由于地下水库一旦受到污染，通过自身净化能力很难将其清除，故其污染防范措施十分重要。目前我国对地下水库水质监测以及水库受到污染后的应对措施研究较少。

4 地下水库研究方向探讨

4.1 坑道型地下水库关键技术研究

坑道型地下水库相关研究包括库址选择、库区建设、水资源调蓄、水质监测等方面。库址选择可从地质条件、供输水工程布局、环境生态效益等方面考虑；库区建设可从库区勘探、库区防渗等方面考虑；水资源调蓄可从地表水和地下水联合调蓄、跨区域水源调蓄等方面考虑；水质监测可从水源水质以及库区地下水存储期间水质变化等方面考虑。

4.2 回灌水源的水质、水量保障技术研究

水源水质是地下水库效益评价的重要因素。在水库回灌过程中，应充分考虑回灌水源水质是否满足要求，如不满足，应考虑相关的净化技术。开展回灌水对地下水环境的影响研究，尤其是含水层对回灌水水质的响应机制。建立地下水库及周围地下水水环境监测系统，实时监测地下水水质的变化。进行回灌水水量评估与分析，建立水库调度与供需水平衡分析模型，通过优化调度，最大限度提高水资源利用效率。

4.3 地下水库环境效益评价技术

综合考虑修建地下水库对环境造成的影响，例如：地下水库会不会引发库区地质灾害；地下水库会不会造成库区日夜温差发生变化，改变库区的气候环境；由于地下水位抬高，会不会造成土壤盐碱化，影响库区农作物生长等。

4.4 地下水库水质污染防范技术

保护地下水库水质不受污染可从治理污染源、控制污染途经以及实施地下水污染防治措施等方面进行。在污染源方面，可以调整工、农业废水排污点位置，纳污水体设置截留工程等；在污染途经方面，采取防渗措施、减少污染面积等；在防治措施方面，可以建立地下水库环境评价体系和监控机制等。

5 结 语

地下水库作为一种环保型水资源开发工程，可以通过地表与地下水的联合调蓄，达到以丰补欠、调节水资源时空分配不均。地下水库不仅可以有效解决生态环境恶化和海水入侵，还可以缓解水资源短缺等问题。同时，地下水库在坑道型地下水库方面还未深入研究；回灌水源的水质、水量是地下水库建设与管理的关键；地下水库环境效益评价可分析地下水库建设所带来的经济效益与环境效益，避免修建地下水库对环境造成负面影响；地下水库水质污染防范技术研究可以为地下水库水质提供保障，建立地下水库环境评价体系和监测机制是未来深入开展的方向。所以，地下水库将有十分广阔的发展前景。