地下水庫在海綿城市建設中的應用

王興超

(煙臺市城市水源工程管理局,山東 煙臺 264000)

水問題是困擾我國城市發展的突出問題,許多城市人水關系不和諧，水生態不平衡,普遍存在著缺水、水污染、內澇頻發等問題。雨水管理是城市水循環的重要環節和基礎[1],通過海綿城市、地下水庫建設等管理好雨水能有效促進水循環的良性發展[1-3],是解決城市、缺水地區與邊遠海島等水資源貧乏區域水問題的有效方式之一[4-6]。

1 地下水庫簡介

1.1 概念

天然地下儲水空間包括平原地區普遍存在的地下含水層[7],按照埋深可分為潛水含水層和深層承壓水含水層。天然地下儲水空間一般是由松散介質的孔隙組成的空間,比如土、砂、礫卵石地層;還包括山區普遍存在的巖體介質的空隙組成的空間,分為地下斷裂巖層形成的裂隙和巖溶形成的溶隙[8],典型的如地下喀斯特溶洞等。此外,還有一類地下儲水空間是人造的,比如地下蓄排水管廊,采礦留下的洞庫等。一些巖溶地下水庫及人造地下儲水空間甚至如地表水庫一樣具有水力發電和航運等功能[9]。地下水庫就是利用天然及人造地下儲水空間作為儲水主體而修建的便于儲存、回采和調蓄水資源的一類水庫。從概念上可以得知,地下水庫不單純是利用地下儲水空間儲備水資源,亦不單純是地下水開采,還應有回補、取用和調蓄功能,以確保地下水資源的采補平衡與可持續利用,因此,地下水庫應具備補源設施和回采取水設施,這是其區別于地下儲水空間的重要結構特點。

1.2 分類

按儲水主體所利用的地下儲水空間是天然還是人造空間,可分為天然和人造地下水庫。按是否有地下截滲壩,可分為有壩和無壩地下水庫。一般來說,自然條件下,如果地層周圍和底部具備隔水邊界條件或者含水層降落漏斗區,可以不建地下截滲壩;如果不滿足隔水條件或沿海地區為防海水入侵則可以建地下截滲壩。地下水庫按地下水埋藏條件不同可分為潛水、承壓水和混合型地下水庫；按地下儲水空間介質的不同,可分為松散孔隙介質、基巖裂隙介質、巖溶介質以及混合介質地下水庫;按工程規模[7]可分為大(1)型、大(2)型、中型、小(1)型、小(2)型地下水庫。

1.3 工程實踐

1964年,松尾氏較早系統而具體的提出了修建地下水庫的設想。日本在建設有壩地下水庫上有較多先進的工程實踐,1972年在長崎縣野母崎町樺島建成了世界上第一座有壩地下水庫。美國在20世紀80年代以后大規模實施的含水層儲采工程(aquifer storage and recovery,ASR)以及荷蘭的人工回補汲水系統(artificial recharge-pumping systems,ARPS)均屬于結構較為簡單的松散介質地下水庫。美國還將地下水庫列為21世紀水資源調控的最主要手段。此外,中東、歐洲、加拿大、澳大利亞、印度等也開展了相關建設和研究[10-11]。

我國北方環渤海地區為解決干旱缺水和海水入侵問題,開展了一批地下水庫的建設,在松散介質地下水庫方面走在前列。1975年河北省建成的南宮地下水庫,具有深井回灌和開采系統,標志著我國地下水庫建設的開始。1981年,北京開展了西郊地區地下水庫試驗研究。煙臺、大連、青島等地先后建設了一批地下水庫。貴州、廣西、湖南則利用巖溶地貌修建了一些地下水庫。表1為我國已建設的有代表性的地下水庫。

2 可行性分析

2.1 海綿城市的內涵和要求

對應于海綿的物理特性,海綿城市應具有3個層面的內涵:一是彈復性,指城市面對水災害所體現的魯棒性,要求城市在遭受洪澇、干旱、水污染、水生態破壞等水災害面前具有足夠的韌性、緩沖、抵抗力和自修復能力;二是保水性,城市應具有足夠的收集、調蓄、儲備水資源的功能;三是濾凈性,城市對雨污水應具有足夠的過濾、涵養、自然凈化和防止水污染的能力[12]。

海綿城市建設所遵循的六字方針為“滲、滯、蓄、凈、用、排”[13],這要求城市洪澇災害的治理思路由傳統的“快排防洪澇”向新型的“蓄滯防旱澇”轉變,讓城市的河湖水系、綠地、土壤等均能夠發揮對雨洪徑流的自然積存、滲透、凈化和緩釋作用[14],也就是說海綿城市應當既能夠與雨洪和諧共存,不發生洪澇災害,又能使降雨被積存、凈化、回用或入滲補給地下水,合理地資源化利用雨洪水,同時還能維持良好的水文生態環境,使城市建設和發展能夠與自然相協調[15]。地下水庫充分利用疏干的地層作為海綿體,調蓄、凈化水資源,從結構、特性與目標來看,地下水庫與海綿城市高度契合。

2.2 地下水庫在海綿城市建設中的優勢

地下水庫在海綿城市建設中的優勢體現在以下幾方面:①增強城市水資源調節能力。地下水庫強化了城市地表水與地下水的水力聯系,實現聯合調度地表和地下徑流,增強了城市應對洪澇災害的彈性。在豐水期將雨洪資源儲存在地下儲水空間,待枯水期取用,增強了城市海綿體多年調節水資源的保水性。②提高水資源利用率。我國北方干旱地區非汛期地表水庫蒸發損失極大,年蒸發量超過1 000 mm,甚至超過降水量。而地下水庫儲水主體位于地下,不受日照和風力的直接作用,儲存過程中的蒸發損失極小[16]。③改善城市水生態環境。地下水庫屬于生態水利范疇,建設地下水庫不會發生潰壩、崩塌、滑坡、誘發地震等地表水庫常見地質災害,泥沙淤積問題不突出,也不破壞魚類洄游的生態環境[17-18]。建設地下水庫可恢復地下水位,消減因超采地下水形成的降落漏斗、地面沉降、塌陷、地裂縫,沿海地區還可阻止海水入侵[17],恢復濕地和河川基流,改善水文地質條件,修復水生態功能[18]。最重要的是,地下水庫利用地下封閉空間儲水,可較大程度減少地表環境對地下水體的污染和擾動,而且地下儲水空間具有強大的自凈和納污能力,增強對雨污水的濾凈性,可作為城市應急和戰略儲備水源。④節約建設、運行管理成本。城市土地寸土寸金,而地下水庫不占用寶貴的城市地表土地資源,不涉及征地、拆遷和移民。地下水庫通過基礎處理既可完善防滲邊界條件,與地表水庫建設攔河大壩相比,建造成本和技術難度都低得多,有的地下水庫甚至具有天然邊界和儲水能力,而無須修筑地下攔蓄工程,因此地下水庫的建設及運行管理成本很低。

2.3 地下水庫基本原理分析

2.3.1 調蓄原理

地下水庫將地下儲水空間作為儲存和調蓄城市雨水資源的主體結構,將地表攔蓄系統和陸域雨水收集系統作為輔助結構,通過自然入滲和人工回灌補給,把雨洪水及調引客水儲存起來,在枯水期動用地下儲水量,為下一個豐水期騰空地下儲水空間。地下水庫改變了水資源的時空分布,可實現地表與地下水資源聯合調度,作為戰略儲備水源地,豐蓄枯采,以豐補歉,多年調節。在南水北調沿線城市還可作為調水配套工程,將客水儲備起來,增加長距離調水效益。

2.3.2 凈化水體原理

污染物進入地下儲水空間后,包氣帶中細菌、真菌、藻類等微生物、植物對其進行降解、吸收。同時,污染物與地下水及儲水介質發生吸附、過濾、彌散、稀釋、生化反應等一系列生物、物理、化學及其組合作用。例如,污染物通過電引力發生物理吸附,通過離子交換、氧化還原、分解-聚合反應生成不溶物或被分解,以及通過有害微生物自身的衰亡、放射性污染物的衰變、揮發性污染物的逸出等作用,從而使水質得到凈化。松散孔隙介質相比基巖裂隙介質和巖溶介質具有更大的比表面,生物、物理、化學作用更顯著。松散孔隙介質中顆粒粒徑愈小(如粉細砂及更細介質),吸附、降解、消納污染物能力愈強;同條件下地下潛流流速愈慢,地下水與介質的作用愈充分,凈化作用愈顯著。

2.3.3 水循環路徑

地下水庫利用地表攔蓄系統和陸域雨水收集系統,將地表徑流通過補源系統及地表攔蓄系統的滲漏補給回灌進入地下蓄水系統,經過多年調蓄、生物化學凈化過濾作用,待水體水質達到使用標準,再根據需要通過取水系統取用。以地下水庫系統工程為主導的海綿城市水循環過程見圖1。

圖1 地下水庫系統主導的海綿城市水循環

3 海綿城市視角下的地下水庫設計

地下水庫工程是一項以自然系統為主體、以人工措施為引導的系統工程,要想其在海綿城市建設中充分發揮“滲、滯、蓄、凈、用、排”的系統治理效益,不但要有足夠的地下蓄水空間,還應建設相應的配套工程。

3.1 地表攔蓄系統

主要指在城市河道建設攔河閘壩工程,如橡膠壩、溢流壩、翻板閘等,對應于六字方針中的“蓄”“滯”“排”。應因地制宜根據城市自身的水系格局和水資源稟賦,合理設置閘壩堰等壅水工程及旁側湖等滯洪工程。在滿足防洪要求的前提下梯級攔蓄地表水,使枯水期斷流的城市河流能夠保證基流生態需水量,將汛期雨洪水轉存到地下儲水空間,既可充分攔截入海棄水,有效增加地下水入滲補給量,又為下游城市減輕了防洪負擔。應充分利用河道周邊采砂坑、牛軛湖等建設河道旁側湖、漏水水庫和沼澤濕地,形成瓜蔓式流域結構,增加城市水域面積率及防洪滯洪能力。設置生態浮島、人工噴泉、曝氣設施,合理調節壩體溢流,形成的人工瀑布,既可增強水體的流動性和曝氣作用,提高水體自凈能力,同時也具有很好的景觀效果。

3.2 陸域雨水收集系統

主要指當前推行的海綿城市小尺度雨水設施,對應于六字方針中的“蓄”“滯”。通過在建筑屋頂設置集雨設施、生物滯留設施,在廣場、綠地、小區設置雨水管渠、雨水罐、蓄水池、調節塘、滲透塘等設施,將雨水資源有效分散蓄滯,是除城市水體以外的雨水收集、轉輸和調蓄設施,是對地下水庫的地表攔蓄系統的有效補充。

3.3 補源系統

補源系統是地表水向地下水快速轉化的樞紐,是地下水庫發揮防洪除澇功能、實現高效運行和可持續利用的關鍵節點,是海綿城市實現雨洪資源高效利用、構建良性水循環的核心工程,對應于六字方針中的“滲”“凈”。主要采用通過重力自然入滲和加壓回灌兩種方式。自然入滲普遍存在于城市下墊面,只要在城市建設中避免下墊面隔水化,降雨中部分水資源可直接入滲回補地下水。還應在城市廣場、道路、綠地、小區和水系中設置透水下墊面,通過設置透水鋪裝以及滲池、滲渠、滲井、滲管,修建漏水水庫、雨水花園,在河湖水系中設置生態護岸、生態濕地、滲透塘等,利用地表水和地下水之間的水頭差就地回灌。也可與陸域雨水收集系統對接,將周邊區域徑流雨洪水消納回灌儲存在地下儲水空間。加壓回灌是近幾年發展起來的快速回灌技術,在有防洪除澇要求的情況下或在潛水含水層埋藏較深及存在承壓水的地區,通過增壓水泵將雨洪水通過管井、輻射井等深層回灌井集中快速注入地下儲水空間。可采用取水-回灌兩用井,并利用井群調控雨洪,不僅不受地形條件限制,而且提高了雨洪徑流的調蓄容量和調配靈活性,提高了地表水與地下水之間的轉化效率,便于實現地下水系與地表水系互連互通和聯合調蓄,從而完善城市防洪排澇體系。對于大范圍短時強降雨(3 h內降雨量大于30 mm),可采取強排與加壓回灌相結合的應急措施,通過排灌泵站對城市澇洼區洪澇水進行強排入河、加壓回灌入地下水庫,蓄泄并進,同時將攔河閘壩坍落泄洪。

3.4 地下蓄水系統

地下蓄水系統是指地下水庫工程的地下蓄水實體及其庫區邊界,對應于六字方針中的“蓄”“滯”“凈”。如果天然邊界不完整以及有阻隔海水入侵的需要,可通過修建地下截滲壩、隔水帷幕等基礎處理措施來建立邊界條件。當前基礎處理及防滲技術不斷發展成熟,高噴灌漿、帷幕灌漿、機械成槽筑防滲墻及土工膜等措施被逐漸應用于地下水庫的地下截滲工程。當前最為經濟而高效的方式是充分利用城市超采地下水形成的降落漏斗儲水,降落漏斗邊緣即為相對儲水邊界。也可利用采礦留下的礦洞,我國實踐較多的是煤礦地下水庫[19]。

3.5 取水系統

指用于開采地下水庫中水資源的取水井、集水廊道、坎兒井及取水泵站等多種形式的取水工程,對應于六字方針中的“用”，可與泄水系統結合設置在地下水庫下游邊界,通過集水廊道明流、自流取水。如果回灌水質較好不需要含水層自然凈化,可合并設置取水-回灌兩用井,不但可節約成本,對于防止淤堵也有一定作用。城市的地下水庫往往作為供水水源地,配套有供水水廠。水廠根據開采水質狀況及供水要求進行凈化處理后供水。

3.6 泄水系統

與地表水庫一樣,地下水庫有自身的蓄水極限,超限蓄水,會造成地下水位過高或過低、沼澤化、土壤鹽漬化等不利影響,因此,應配套建設地下水泄水工程,排掉余水,以滿足庫區及周邊的生態安全。泄水系統對應于六字方針中的“排”,可單獨建設為虹吸式、坎兒井式、機泵抽排式,也可直接在截滲壩上留有溢流缺口,對超限地下水進行排泄,并應注意做好反濾措施。

3.7 污水排放及處理系統

指為防止地表、地下水污染而采取的污水收集、處理、排放及中水回用工程,對應于六字方針中的“凈”“用”“排”。庫區內如有海水入侵可設置咸水排放工程。城區應實施雨污分流工程,對生產生活廢污水,通過專門排污管道,經污水處理達標后才能排放入河、入海。

3.8 中央監控系統

指基于地理信息系統(GIS)對城市水環境進行實時監測,對地下水庫及其配套工程的“滲、滯、蓄、凈、用、排”進行遠程控制的中控系統。系統對地下水庫的水質、水位、流速、水溫、水壓等水文信息和環境動態變化進行數據采集、加工、分析,掌握城市雨洪運動乃至水循環基本規律,為管理人員決策和遠程控制提供依據。加強暴雨洪澇預報預警,對橡膠壩工程蓄泄、取水-回灌兩用井抽水和回灌、雨污分流工程排污及水處理進行實時控制,從而建立比較完善的地下水庫實時運行調度管理系統,實現城市水系統智能化、網格化、精細化、集成化管理。

4 結 語

地下水庫包涵多項系統工程,往往涉及多個行政主管部門,不易進行統一而協調的管理,因此,地下水庫應用于海綿城市需要城市水務一體化改革的制度支持,使地下水庫工程成為學科交叉、部門協同、產業集合、科技創新的平臺。同時,應加強中央監控系統研發和建設,利用大數據、云計算等信息技術構建海綿城市地下水庫系統物聯網,使之成為智慧城市下的水循環管理集成系統,將傳統的地下水庫管理方式由被動管理轉變為主動管理,由間接管理轉變為直接管理,由經驗化管理轉變為智慧化管理。

地下水庫作為一種系統而科學合理的水資源低影響開發利用方式,推廣應用于海綿城市建設中,對倡導生態優先的海綿城市建設來說具有不可替代的現實意義。海綿城市理念豐富和完善了地下水庫結構、功能和理論框架,同時,地下水庫也為海綿城市建設提供了高效的城市海綿體和符合中國自然條件和經濟社會發展實際的建設思路。隨著地下水庫理論研究的不斷深入和完善以及海綿城市概念理念的拓展和豐富,地下水庫將深度融合于海綿城市建設中,并發揮積極而重要的作用。

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