北方小流域地表水與地下水聯合開發新模式探討

葉 勇,謝新民,柴福鑫,楊麗麗,趙全升

(1.中國水利水電科學研究院水資源研究所,北京 100038;2.中國水利水電科學研究院遙感技術開發研究中心,北京 100044;3.青島大學環境科學系,山東青島266071)

北方小流域一般降水集中,汛期短。平原區受多種條件限制,往往不利于修建地表水庫。近年來水污染加劇,生態環境問題日益凸現,使水資源開發利用更加困難。單純基于地表水利工程的水資源開發模式已不合時宜。地下水在北方地區供水中占主導地位[1],然而在長期的掠奪式開發下,引起了諸多的生態環境地質問題[2]。故僅單一考慮水量開發而不注重相關的水環境改善與治理及多水源聯合補給的傳統模式已不能完全勝任現代水資源管理的需求,而聯合開發地表水與地下水,并采用生態修復等輔助措施增加自然生態系統的自凈能力,實現水資源的可持續利用是未來北方小流域合理開發利用水資源的一種理想選擇。本文以沈陽市遼河支流長河-羊腸河流域為例,分析水資源開發利用所面臨的主要問題,探討地表水與地下水聯合開發新模式。

1 研究區概況

研究區位于沈陽市區東北部,距市區約13km,總面積為361.8km2,西部平原區面積為296.2km2,東南部山丘區面積為65.6km2。區內長河、萬泉河、左小河、新西小河及羊腸河均位于遼河左岸。長河、左小河為遼河一級支流,其他為遼河二級支流,見圖1。流域內以農業為主,僅新城子區有少量企業,有部分污水排放。

該流域內主要含水層為第四系沖、洪積地層,平均厚度約40m,以潛水為主,地下水資源比較豐富。北部地下水流向基本與遼河一致,由東北流向西南;南部由東南流向西北,見圖2。地下水位埋深較淺,與地表水有密切的水力聯系,在水力梯度的作用下二者相互補給。

圖1 研究區位置及水系分布

圖2 地下水流場示意圖

2 水資源條件及面臨的問題

2.1 水資源條件

流域內多年平均總徑流量為0.73億m3。通過區域均衡法及地下水流數值模擬2種方法綜合計算得出地下水資源量為1.09億m3,其中地下水可開采量為0.89億m3。

本區缺乏合理的水利工程,地表水幾乎沒有得到有效利用。遼河漫灘區地下水開發相對較多,主要用于農田灌溉。據2003～2006年統計,流域內年均供水量為0.515億m3,其中地表水僅占3.73%,地下水占96.27%。

總體上流域內水資源開發利用程度較低,地表水幾乎未得到開發,地下水開采量僅占可開采量的35.94%,尚具有進一步開發利用的潛力。目前沈陽市供水較為緊張,現狀用水需求基本已達到供水能力,預計近期(2010年)需水量將達到294.6萬m3/d,缺水量將達到50.6萬m3/d;遠期(2020年)需水量將達到414.0萬m3/d,缺水量將達到170.0萬m3/d,未來沈陽市的供水缺口主要由大伙房水庫輸水工程解決。然而為滿足沈北新區的進一步用水需求,以及增加城市供水保障和為應急供水做準備,規劃在此建立常規與應急復合型水源地。

2.2 面臨的主要問題

通過對區域水資源條件綜合分析及2008年的實地調查,結果表明水資源開發利用尚面臨諸多難題,主要包括以下4個方面:

a.水資源時空分布不均,不利于長期穩定供水。時間上,受降水時間分配不均的影響,水資源主要集中于汛期,缺乏合理的水利工程,不能蓄積汛期水資源,導致枯季缺水,難以保障穩定的供水需求;空間上,遼河漫灘區水資源相對豐沛,階地水資源相對貧乏。水資源缺乏時空調控能力,與未來社會經濟發展的需求不相適應。

b.缺乏地表蓄水工程,不能有效利用地表水。本流域以遼河沖積平原為主,地勢平坦,受地形地貌及水資源條件等綜合影響,不利于修建地表水庫[3]。1956～2007年的降水統計資料表明:流域內降水主要集中在6～9月,占全年的75%;7～8月降水量占全年的51%,在沒有攔蓄工程的情況下往往形成較大的洪水,地表徑流得不到有效利用,同時增加了下游河道的防洪壓力。

c.地下水資源相對豐富,但未被充分利用。遼河平原區地下水資源較豐富,含水層補給、排泄及徑流條件均良好。第四系潛水含水層滲透系數約為42.78～73.54m/d,遼河漫灘區常規井單井涌水量可達8000m3/d,若以現代新型輻射井技術,采用5根輻射管單井涌水量可達30000m3/d。含水層中的砂礫石層厚度約為20m,給水度為0.18～0.22,具有較好的賦水條件。然而在沒有合理的地下水開發規劃的情況下,僅于灌期抽取地下水用于農田灌溉以及供應生活用水,地下水資源沒有得到充分利用,更沒有發揮出含水層的多年調蓄功能。

d.地表水與地下水均存在不同程度的污染。據歷史資料分析及2008年的2次水質通測結果,以GB5749—2006《生活飲用水衛生標準》進行評價,地表水污染較嚴重,主要超標項目有色度、渾濁度、氨氮、錳離子,其中渾濁度與氨氮超標最嚴重;地下水主要超標項目為菌落總數、色度、渾濁度、氯化物及錳離子,其中錳離子及菌落總數超標最嚴重,見圖3。

圖3 主要超標項目平均超標倍數

采用物元可拓法綜合評價2次所取水樣[4],結果表明:地表水質總體為Ⅳ類,地下水質為Ⅲ～Ⅳ類,地表水污染程度大于地下水,見表1。綜合評價結果與上述超標情況總體趨勢基本一致。

表1 2008年2次水質綜合分析評價結果

水體較差的原因可以概括為:①部分工業廢水和城鄉生活污水無節制排放,造成河道的較重污染;②大量的農村生活垃圾、廢棄物及死亡牲畜等被扔到河中,堵塞河道,污染河水,通常使河水發綠、發黑、發臭,渾濁不堪;③非汛期來水減少,河水不能及時被更新及稀釋,在地勢平坦河段形成局部堆滿污染廢棄物的臭水洼地,只有來年汛期才能被沖走;④沿河放牧現象普遍,部分牲畜糞便進入河道,尤其在部分村落有成堆的糞便堆放在河道邊,成為河流的重要污染源;⑤地表水與地下水具有較強的水力聯系,地表污水在汛期被引入到地下,是造成地下水水質較差的重要原因之一;⑥地下水中錳離子含量超標主要受本區地質環境的影響,該區域內錳離子的天然背景值較高。

3 地表水與地下水聯合開發模式分析

3.1 聯合開發思路

據前述分析,研究區水資源進一步開發利用的潛力較大。其面臨的主要難點有:①沒有工程,缺乏水資源調蓄,特別是年際間的水資源調蓄能力弱;②水污染嚴重,地表水與地下水均受到不同程度的污染。既要發揮水資源的供水功能,又要解決上述面臨的問題,需要選擇適宜的水資源開發模式。

針對流域內的水污染問題,雖然從評價結果看污染較為嚴重,但從主要污染物及導致污染的原因來看,污染源主要為農村垃圾,超標項目相對容易處理。結合沈陽市生態城市建設的推進,擬采用以下措施:從源頭上減少乃至根除農村垃圾污染源;采用疏浚等工程措施使河道暢通,防止徑流不暢形成臭水溝;利用人工濕地等生態修復措施改善水質。針對水源調蓄,建設地表攔蓄工程,截住地表徑流以增加可利用水量;建設地下水庫以使水資源能夠多年調節。由此以地表攔蓄結合地下水庫為水資源調蓄工程主體,以生態修復及人工濕地為手段凈化水體,構成地表水與地下水聯合開發的新模式開發利用水資源,其概念模式如圖4所示。

圖4 地表水與地下水聯合開發模式示意圖

3.2 針對地表水采取的措施

研究區生活、灌溉及工農業用水幾乎全靠地下水,地表水基本未被利用,規劃時無需過多地考慮當地用水的需求。由此結合目前已有的防洪堤,在長河、萬泉河匯流處下游約600m處建立長約550m、高約1.5m的溢流壩或橡膠壩攔蓄地表徑流,并于形成的約1.22km2的水域建立人工濕地,與在建的溪泉湖濕地結合可形成5.4km2的地表水域。既通過攔水壩截留汛期地表徑流,并對含水層補給,平均每年可增加約0.1239億m3的地下水補給量,又利用人工濕地凈化地表水體。針對地表農村垃圾污染問題,在中上游通過清淤疏浚、護坡(重點是清除垃圾)等措施,暢通河道、改善水質;在人工濕地種植蘆葦、養殖河蚌等,利用生態作用凈化水體。通過水生態修復及小流域環境治理改善河流水質,防止引起地下水污染。

3.3 針對地下水采取的措施

在人工濕地西部遼河漫灘區利用水源地開采形成的降落漏斗建立地下水庫。通過地下水庫的建設條件分析,在此建立地下水庫具有相對充足的補給水源,特別是建立了以人工濕地為主要補給區后補給水源將更加充足。分析區內67個鉆孔及7條剖面資料,結果表明,含水層巖性從上到下可概化為亞黏土、亞砂土、細砂及砂礫石層,其中細砂與砂礫石層互層,詳見圖5。采用建立的GMS三維地質實體模型得到含水層不同巖性的體積[5],根據含水層特征和防止引起生態環境地質問題綜合確定各特征水位[6-8],再依據式(1)對擬建地下水庫庫容進行估算[9],得出地下水庫總庫容為1.65億m3,其中興利庫容達到1.09億m3。表明地下水庫具有實現水資源多年調節的調蓄空間。

圖5 GMS三維地質實體模型切割剖面圖

式中:V為庫容,m3;μi為第i個蓄水體的重力給水度;V*i為第i個蓄水體的體積,m3;n為不同巖性的蓄水體個數。

總之,從含水層條件、地下水補給水源、地下水庫調蓄空間、地下水開采條件等方面綜合分析可知,建立地下水庫從而進行水資源多年調節及開發利用是可行的。

3.4 情景模擬分析

根據含水層特征參數,以2002～2006年觀測水位數據建立地下水流數值模擬模型,利用GWMS軟件進行參數識別、模型驗證后,利用上述地表水與地下水聯合開發的思路,設置不同的情景,模擬地表水與地下水聯合利用的可行性及分析可能出現的問題。

以不同的開采規模為情景進行模擬分析,結果表明:以10萬m3/d的規模持續開發不會引起環境問題,開采穩定后形成約6km2的地下水位降落漏斗,漏斗中心水位埋深約13m;若考慮為城市應急供水,分別以25萬m3/d,40萬m3/d,50萬m3/d這3種開采規模模擬,其持續應急供水時間可分別達到12個月、6個月及4個月。

4 結 語

a.受氣候、地形等因素綜合影響,在北方小流域采用地表水與地下水聯合開發的模式開發利用水資源具有較高的可行性。既能較充分地利用地表水資源,又能利用含水層的天然調蓄功能實現水資源的多年調節,對區域的穩定供水有較大的現實意義。

b.地表水與地下水聯合開發模式在沈陽市遼河支流長河-羊腸河流域內可行,可持續提供10萬m3/d的可供水量,在應急狀態下可提供更為可觀的供水量,能夠保障當地城市的應急供水安全。

c.北方小流域受污染情況較為嚴重,尤其是流域內地表水污染已經影響當地生態環境。人工濕地等水生態修復措施不僅對小流域生態環境改善具有重要意義,而且對地表水與地下水聯合開發的水源水質提供保障。未來可加大利用生態修復對水質改善程度的實證研究。

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