沿海地區常規水資源開發利用方法與策略

王 文,張 鷺,楊 云

(河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098)

1 沿海地區水資源開發利用的特殊性

根據2012年驗收完成的國家綜合性專項“我國近海海洋綜合調查與評價”調查結果,我國沿海地區水資源短缺日益嚴重,11個沿海省(自治區、直轄市)所轄的52個沿海城市中近90%存在不同程度缺水問題。水資源已經成為制約沿海地區經濟社會可持續發展的重要瓶頸。

與內陸相比,沿海地區的水資源具有以下特點:①處于流域匯流區末端,徑流總量相對較大,但受上游污染影響,地表徑流水質通常較差,尤其是平原地區的中小河流水質問題尤為突出;②地表水受海洋潮汐作用產生的咸潮影響,地下水含水層往往淡、咸交錯,易受海水入侵影響,尤其是在地下水超量開采的情況下;③地貌通常為河口三洲平原或海積平原,地勢低平,地表蓄水條件差,但同時存在海灣、瀉湖等海洋環境的可蓄水地貌;④非常規水資源豐富,有取之不竭的海水資源,可通過海水淡化的形式轉化為淡水資源。同時,地表、地下的微咸水資源量巨大,可以直接或通過低成本處理后加以利用。

由于這些特點,沿海地區水資源開發利用方法與其他地區相比具有很多獨特之處。沿海地區常規水資源開發利用方法主要有:跨流域調水、修建河道御咸蓄淡工程、修建濱海平原水庫、修建海岸水庫及修建地下水庫。筆者將對沿海地區水資源開發利用中的各種常規水資源開發利用方法及其在國內外的應用實踐進行闡述分析。

2 跨流域調水

跨流域調水是解決區域性水資源分布不均的一個常用方法,被世界各國普遍采用,在沿海地區也同樣是一種重要的水資源開發利用方式。比如,美國1973年完成了著名的加州北水南調工程,其受水區很多為沿海城市(包括洛杉磯與舊金山市)。20世紀80年代以來,大連市先后實施了引碧入連、引英入連等重大引水工程,2008年又啟動了大伙房水庫輸水入連工程。2005年,廣東省為保障東西兩翼沿海地區的工農業生產及生活用水,規劃了多個調水工程。除了大規模、長距離的跨流域調水,通過灌排系統或局部水系改造,進行中、短距離引水也很常見。比如,江蘇省自20世紀70年代以來在原有河道基礎上,不斷推進以長江為源頭的調水干線建設,其中,以通榆河為骨干河道的送水工程可以根據需要向江蘇北端沿海的連云港市送水30～50 m3/s。

調水工程往往投資巨大,尤其是遠程調水,通過調水工程進行供水的成本很高。將廣東省的東江水引至香港的東深供水工程始建于1959年,后經過多期擴建、改造,其中僅2000年啟動、為期3年半的改造工程投資就達到47億元。根據廣東省物價局2011年制定的東深供水工程東莞—深圳沿線供水價格表,深圳水庫供水區間的水價達到0.945元/m3,而廣東省地表水的水資源費征收標準不到0.12元/m3。再以南水北調東線一期工程為例,該工程于2013年底正式通水,工程總投資500多億元。根據初步測算,南水北調江蘇段平均水價為0.41元/m3,山東段平均水價高達1.54元/m3,而2012年江蘇省地表水的水資源費征收標準僅為0.2元/m3,山東地表水的水資源費標準為0.3元/m3 [1]。跨流域調水還可能對水源區、輸水區和受水區造成較大的生態環境影響,包括物理化學系統、生物系統與社會經濟系統等多個方面的影響[2]。

3 河道御咸蓄淡工程

河道(包括河口)御咸蓄淡工程指通過在受咸潮入侵影響的中小河流的河道上建閘、筑壩,內蓄淡水,外御咸潮。此類工程可大致分兩類:閘壩式樞紐(如浙江紹興三江閘及福建莆田木蘭陂)與壩式樞紐(如浙江鄞縣它山堰)。在各地已建擋潮工程中,有少數以蓄淡為主要目的,在河口段形成河口水庫。此類河口水庫通常建立在集水面積較小的流域,例如我國浙江省寧海縣胡陳港水庫(1979年建成,庫容6076萬m3)、象山縣大塘港水庫(1975年建成,庫容為2 650萬m3)以及樂清市的方江嶼水庫(1979年建成,庫容4500萬m3)均是在集水面積為200 km2左右或更小的河流入?？谔幗▔味傻男畹畮?。

國外的河口擋潮工程也很常見,而且一些中小河流的河口平原地區的擋潮工程也具有御咸蓄淡功能,比如,馬來西亞沙撈越州在沙撈越河河口分汊河段建起2個攔河壩與1個擋潮閘,達到防洪與御咸的目的[3];新加坡于2008年建成的“濱海堤壩”將5條小河的河口匯合區圍成面積約2.4 km2的濱海水庫,具有御咸蓄淡、防洪與娛樂等多種功能,可以滿足新加坡目前10%的用水需求[4]。

河道蓄淡工程的優點是占用土地較少,如果有合適的地形條件或有配套的調蓄湖泊,也能形成一定的調蓄能力,但通常蓄淡能力有限。另外,河道蓄淡工程會對河道行洪能力造成影響,需要通過優化調度或配套工程措施加以解決。比如為了增加行洪能力,新加坡“濱海堤壩”工程配置了強大的抽排系統,每分鐘可以將一個標準游泳池的水抽入大海。

4 濱海平原水庫

濱海平原水庫指在濱海平原上通過在地表建壩、開挖或利用原有水體(如廢棄河道)建設的水庫。我國長江、黃河、珠江、淮河等流域中下游地區建有大量的平原水庫,而平原水庫運用最成熟的是山東省。至2004年底,山東省共建成平原水庫770座,設計總庫容16.54億m3,主要分布在黃河三角洲,共726座[5]。其中,山東東營天鵝湖水庫(原名廣南水庫)位于黃河三角洲南側,設計庫容1.14億m3,是目前全國最大的濱海平原水庫。濱海平原水庫在我國其他省份也有不少。如杭州灣南岸的浙江省慈溪市在20世紀90年代利用沿海灘涂通過筑壩建成了四灶浦水庫,水庫總庫容2014萬m3。江蘇省鹽城市2012年在平原上開挖建成了鹽龍湖水庫,總庫容500萬m3。鹽城市還利用射陽河口段裁彎取直后廢棄的一個牛軛湖,建成明湖水庫,總庫容3 556萬m3。

在平原水庫規劃中有幾方面問題必須考慮。①水源問題。由于平原水庫基本沒有匯水面積,自然入流與雨水都很有限,因此在平原水庫建設中,選擇合理的位置,解決好水庫的水源,對水庫能否充分發揮水資源保障作用非常重要。選址的地形要盡量低洼,并結合水系的功能區劃,選擇在排澇河邊,結合排澇來蓄水,充分利用雨洪資源。②環境問題。在無截排滲設施的情況下,地上式平原水庫的滲漏會造成周邊土壤的鹽漬化。因此,一定要在地上式平原水庫四周修筑截滲溝并與排水河道相通,將水庫的滲漏排出去,才能防止周圍的土地鹽漬化和沼澤化[6]。③成本問題。平原水庫一般要占用大量耕地,在土地資源日趨緊張的情況下,建設平原水庫的成本越來越高,例如,在平原上開挖出來的鹽龍湖水庫的投資近8億元。而同樣在鹽城市建設的另一個平原水庫——明湖水庫,由于是利用廢棄的牛軛湖建設的,其庫容是鹽龍湖水庫的7倍,但工程投資僅1.3億元。因此，因地制宜,盡量減少征地,降低建設成本也是規劃平原水庫時要加以考慮的。另外在平原水庫的運行使用中,由于水庫底泥鹽分釋放、蒸發量大于降雨量時的蒸發濃縮作用等,濱海平原水庫往往存在水質咸化問題,要通過一些工程措施和管理措施減輕水質咸化[7]。

5 海岸水庫

海岸水庫包括河口水庫、灘涂水庫、海灣水庫等多種形式。其中,河口水庫在河流的入?？诟浇▔涡钏?它也是一種河道御咸蓄淡工程;灘涂水庫在河口淺灘或海岸潮灘建堤圈圍,引蓄河流淡水;海灣水庫在海灣(包括有河流入流與無河流入流的海灣)建閘、壩,引蓄淡水。

灘涂水庫的存在形式有2種,一種是在大河河口淺灘上圈圍成庫,另一種是在海岸潮灘上圈圍成庫。20世紀80～90年代上海在長江入?？谀习哆厼┥吓d建了寶鋼水庫(庫容1 000萬m3)、陳行水庫(庫容832萬m3)。2010年在長江入?？谝劳腥舾山纳持?圈圍約60 km2,建成世界上最大的潮汐河口水庫青草沙水庫(庫容4.38億m3)。近年來,隨著海平面的持續抬升,以及河道整治、跨流域調水及大型水庫建設等水利工程影響,長江、珠江等大河口的咸潮危害越來越嚴重。而要應對這些大河口的咸潮危害,除了通過調度大河中上游水庫群進行補水壓咸外,建設大河口灘涂水庫,發揮其水庫避咸蓄淡的作用,也是有效應對手段之一。在海岸潮灘上建設的灘涂水庫的典型是預計于2015年建成的江蘇如東縣東凌水庫,總庫容3 298萬m3。

海灣水庫的存在形式有2種,一種是在有河流入流的河口海灣(或瀉湖)筑壩成庫,另一種是基本無河流入流的海灣筑壩成庫。全世界已有多個著名的大型河口海灣水庫,包括荷蘭的艾瑟爾湖-馬克湖(總面積約1 800 km2)、澳大利亞的亞歷山德里娜湖-艾伯特湖(總面積約1 300 km2)與韓國的新萬金工程(湖面面積649 km2)。目前,印度正籌劃在有多條河流匯入的坎貝灣建一條長30 km的大壩,形成面積約2 000 km2的超大型海灣水庫,庫容將達到100億m3。在無河流入流的海灣建設水庫的例子很少。香港的船灣淡水湖是全世界第一個此類水庫,它將若干半島、小島環繞的海灣用一個主壩、二個副壩包圍,然后將海水抽出,注入淡水成湖,庫容2.3億m3。此后香港又建設了萬宜水庫,將一個狹窄海道二端建起兩道堤壩,庫容2.8億m3。

海岸水庫的主要優點是占用土地很少,而且海岸水庫可以充分利用海洋空間,通常具有較大的庫容。海岸水庫的最大問題在于水質的咸化。庫底的富鹽沉積物作為內源是導致咸化的主要原因,閘壩滲漏導致的海水滲入也是一個重要因素。這些因素可能嚴重影響水庫功能的發揮。比如浙江省寧?？h胡陳港水庫建成后,水質長期偏咸,不適合作飲用水及工業用水,水資源利用率極低[8]。防治海灣水庫水質咸化的主要預防措施有:采用工程措施減少海水滲入、水庫高水位蓄水、縮短水體置換周期、水庫蓄水前抽排殘留庫底表層沉積物、蓄水后抽排水體底層咸水等[9-10]。

6 地下水開采與地下水庫

地下水在許多沿海地區的水資源利用中占有相當大的比例,例如美國落杉磯市的15%城市供水為地下水[11],遼寧省大連市地下水源供水量占總供水量的20%[12],個別沿海城市甚至以地下水為工業與生活飲用水的唯一水源,如廣西壯族自治區北海市。地下水過度開采的情況在世界各地普遍存在,并引起地下水蓄量的減少。如美國的大西洋沿岸平原區與墨西哥灣沿岸平原區的地下水蓄量在1900—2008年間分別累計減少1720萬m3～2.66億m3,而且減少幅度呈增加趨勢[13]。由于沿海地區地下水含水層直接與海水相連,地下水超量開采會引起海水侵入淡水含水層。這種海水入侵現象在我國沿海省份均有不同程度存在,以山東、遼寧兩省尤為嚴重。相應地,海水入侵的防治措施也成為沿海地區地下水資源開發利用的重要內容。治理海水入侵問題的首要措施是限制地下水的開采量。其次采取地下帷幕(包括實體帷幕、水力帷幕和地下充氣墻)和地面擋潮工程等工程措施阻擋咸水(海水)的滲入[14]。而要想達到既控制地下水蓄量的相對穩定,又可持續地開發利用地下水的目的,就要建設攔蓄補源性工程以及地下水庫。

地下水庫有2個含義,一是指將地下含水層作為儲水空間,在地表水充沛時通過人為方式用地表水補給地下水,然后在需要時抽取使用;二是在地下構筑實體空間,也就是地下蓄水池。

地下蓄水池的方式建設成本較高,在各國極為少用。世界最大的地下蓄水池是日本埼玉縣的“首都圈外郭放水路”,它同時也是地下行洪通道。荷蘭有類似的小型地下蓄水池,建于鹿特丹市區博物館公園的地下。這些地下蓄水池的主要功能是蓄滯雨洪,降低城市洪水風險,容積較小。但在合理設計、使用的情況下,這些地下蓄水池也可以做為一種雨洪資源利用設施。

以地下含水層作為儲水空間的地下水庫建設的2個基本條件是:①有適宜的水文地質條件,即有較為封閉的地下隔水介質與適宜的含水層;②有充足的地下水補給水源。補給方式也可以分為地表入滲(包括河道、溝、塘等)補給和滲井補給(包括人工滲井與機滲井等)2類。具體采用哪種補給方式,則取決于水文地質條件。以地表松散沉積物為主要儲水空間的地下水庫,其地表補給在總補給量中占相當大的比例,滲井補給也采用自然入滲與機滲結合的方式。我國已建成的地下水庫基本屬于這種類型,如北京的西郊地下水庫、河北邢臺市的南宮地下水庫、遼寧大連市的龍河地下水庫、山東萊州市的王河地下水庫、青島市的大沽河地下水庫與龍口市的黃水河地下水庫等,這些水庫中很多建于濱海地區。這些水庫的共同特點是,地表有較厚的松散沉積物,邊界有較封閉的儲水空間,或通過修建地下擋水壩能形成較封閉的儲水空間,因此,地表補給量在總補給量中占重要成分,而且滲井深度都很淺,一般在20 m以內。當地表到地下含水層之間存在不透水層時,就必須靠機滲井注水的方式進行地下水庫的補水。地下水庫的機滲井按用途可分單純的注水井(AR)和既能注水又能回采的注水/取水井(ASR)2類。

地下水補給的水源主要包括地表河流、雨洪及污水再生水。歐洲國家通過地表水與雨洪資源進行含水層人工補給的補給量在總供水量中一般占10%～20%。在地表水極度缺乏的波斯灣與中東地區國家,為了保證供水的安全,甚至考慮利用ASR技術以海水淡化做為地下水庫的補給來源,以備應急水源之需[15]。

地下水庫具有投資小、占地面積少、安全性高、蒸發損耗小、淤積問題小、水質可以自然凈化等優越性。但修建地下水庫,需要大量的前期地質勘探工作。此外,水庫建成后的運行成本較高,管理難度較大,其中堵塞問題是制約地下水人工注水效率的關鍵因素[16]?；匮a地下的水質和管理也是在地下水庫運行中需要非常關注的一個方面。目前國內修建的地下水庫,均是建在不透水基巖上的“封閉式”水庫,地下水在庫內循環速度變緩,一旦上游污水流入,水質的恢復需要較長的時間。因此,需要嚴格控制回灌水質。另外,在選址上也可以建立“開敞式”地下水庫,不僅有利于地下水的循環,也可以實現海水入侵的生態防治。在實踐中,荷蘭位于阿姆斯丹市南部的海岸沙丘蓄淡供水工程就是此類水庫的一個典型例子。它依自然海岸沙丘而建,將河水引入海岸沙丘,利用沙丘體做為蓄淡空間,以地表溝塘入滲與滲井補給相結合,起著蓄淡與遏制海水入侵的雙重作用[17]。

7 常規水資源開發利用形式的比較

沿海地區常規水資源開發利用形式的特點與存在的問題如表1所示。

表1 沿海地區常規水資源開發利用形式的比較

8 結 語

常規水資源開發利用方法主要有:跨流域調水、修建河道御咸蓄淡工程、修建濱海平原水庫、修建海岸水庫及修建地下水庫。這些開發利用方法都通過規模不等的工程形式實現,各有不同特點,也各自存在不同問題。相對而言,從土地成本與蓄水量這2個角度來考慮,在條件適宜的情況下,利用沿海地區較為豐富的地表徑流,尤其是汛期雨洪資源,修建海岸水庫或地下水庫可以做為沿海地區水資源開發利用的優先考慮形式。

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