河床潛流水在福建省的開發(fā)與應(yīng)用前景分析

劉志威

(福建省水利水電工程質(zhì)量技術(shù)站，福建 福州 350001)

河床潛流水是指賦存于河床天然砂卵石含水層中的地下流動(dòng)的水體，其來源是河水的垂直補(bǔ)給和邊岸地下水的側(cè)向補(bǔ)給，由于其與河流的水位差，在河床中有一定的流動(dòng)性，所以稱其為河床潛流水，見圖1。河床潛流水具有儲(chǔ)量豐富、水質(zhì)良好和水溫穩(wěn)定的特點(diǎn)，是天然的“地下水庫”，可廣泛用于城市供水系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)。由于河床潛流水所儲(chǔ)位置的特殊性，僅在四川、重慶、遼寧等地有少量開發(fā)[1]，至今沒有大規(guī)模的開發(fā)利用，在福建省的開發(fā)利用更是空白，隨著福建省城鄉(xiāng)供水一體化的開展，河床反向滲濾取水工藝的應(yīng)用，大規(guī)模開發(fā)利用河床潛流水成為可能。

圖1 河床潛流水示意圖

1 河床反向滲濾取水工藝

河床反向滲濾取水工藝由陳臺(tái)智、周志彰[2]在1995年首次提出，是通過在河床下營造反向取水系統(tǒng)，將符合標(biāo)準(zhǔn)的河床潛流水取出地表的一種新型取水技術(shù)。河床反向滲濾取水工程主要由取水豎井、江底隧道(輸水平巷)、匯水硐室、滲濾孔群和控制反沖系統(tǒng)構(gòu)成。工程利用水泵在豎井中抽水形成降深，降低河床砂卵石含水層水頭，在河水壓力差的作用下使河水下滲，同時(shí)經(jīng)過河床表層的生物泥膜或?yàn)V膜的凈化獲得清潔的水資源[3-4]。工藝示意圖見圖2。

圖2 河床反向滲濾取水工藝

2 河床潛流水的開發(fā)特點(diǎn)

河床潛流水賦存于各個(gè)江河湖泊以下的天然砂卵石層中，儲(chǔ)量十分豐富，形成了一個(gè)龐大的天然地下水庫，采用河床反向滲濾取水技術(shù)開采河床潛流水的適用條件及特點(diǎn)如下。

2.1 適用條件

河床反向滲濾取水技術(shù)適用條件如下[4]：

a.取水段河流須保持一定流速，以自動(dòng)更新河床底濾膜避免淤塞。

b.砂卵石濾床須有足夠厚度，以保障滲濾水水質(zhì)。

c.具有良好的工程地質(zhì)條件，有較完整的砂卵石層下伏巖層。

2.2 取水位置

河床下砂卵石含水層面積大，河床潛流水主要來自江河湖泊的直接補(bǔ)給，地表水下滲量大，受氣候、季節(jié)影響較小，補(bǔ)給源豐富穩(wěn)定，其淺層河床潛流水資源十分豐富。

2.3 取水水質(zhì)

江河水經(jīng)過一定厚度的砂卵石層的天然過濾形成河床潛流水，通過河床含水層超慢濾(垂直入滲速度約0.02～0.04m/h)的過濾凈化作用，取水水質(zhì)優(yōu)良，可達(dá)到國家飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 淤塞處理

采用滲濾取水技術(shù)開發(fā)河床潛流水時(shí)，由于采用“超慢濾”的滲透取水方式、保障濾床天然結(jié)構(gòu)的施工方式以及控制江水入滲速度和過濾器進(jìn)水速度的設(shè)計(jì)理念，加之江河水流的季節(jié)變換對(duì)濾床表層泥膜起到?jīng)_刷和更新作用，取水濾床的淤塞速度非常緩慢。

同時(shí)工程結(jié)構(gòu)上引入了傳統(tǒng)取制水工藝中的反沖理念，在工程設(shè)置了一套取水濾床反沖系統(tǒng)，可以定期對(duì)取水濾床進(jìn)行氣水反沖洗，恢復(fù)過濾器的進(jìn)水性能，保持工程產(chǎn)水量的穩(wěn)定。

2.5 水溫條件

根據(jù)已建滲濾取水工程常年的水溫監(jiān)測(cè)資料，河床潛流水的水溫條件良好。整體水溫條件介于地下水和地表水之間，夏季月平均水溫遠(yuǎn)低于地表水溫，冬季月平均水溫又遠(yuǎn)高于地表水溫。

2.6 工程造價(jià)

采用滲濾取水技術(shù)開采河床潛流水時(shí)，即完成取水和制水的全部工序(取制水一體化)，主要取水構(gòu)筑物位于河床以下，充分利用地下空間，比常規(guī)地表水廠節(jié)省地表占地面積80%～90%，取、制水部分的工程較常規(guī)地表取制水工藝建設(shè)費(fèi)用節(jié)省30%左右。

2.7 運(yùn)行管理

因制水工序已在地下井內(nèi)全部完成，無須地表較復(fù)雜的制水程序。其運(yùn)行成本自然低廉，較常規(guī)地表取制水工藝低10%～20%。

生產(chǎn)集中、運(yùn)行工序少、管理環(huán)節(jié)少、自動(dòng)化程度高、員工勞動(dòng)強(qiáng)度低，利于進(jìn)行全面的智能化網(wǎng)絡(luò)管理，營造舒適的新型現(xiàn)代化水廠工作環(huán)境。

2.8 環(huán)保效益

采用滲濾取水技術(shù)開采河床潛流水時(shí)，無生產(chǎn)廢水及反沖洗污泥排放；生產(chǎn)采用深井潛水泵置于井底水中運(yùn)行，生產(chǎn)靜音效果好；無航道和行洪障礙構(gòu)筑物，環(huán)境效益突出。同時(shí)具有很強(qiáng)的抗環(huán)境突發(fā)性污染事件和持續(xù)污染事件的能力。

由以上可見，采用河床反向滲濾取水技術(shù)開采河床潛流水具有水量大、水質(zhì)好、防淤塞、水溫優(yōu)良、占地少、造價(jià)低、運(yùn)行成本低、管理簡(jiǎn)單和環(huán)保效益顯著等特點(diǎn)，在城鄉(xiāng)供水工程中有著廣大的應(yīng)用前景。

3 福建省開發(fā)利河床潛流水的適宜性

福建省地處東南沿海，與臺(tái)灣隔海相望，陸地的平面形狀仿佛一個(gè)傾斜的長(zhǎng)方形，不僅是我國重要的出?？?，也是我國同世界交往的重要窗口。根據(jù)河流發(fā)育情況及水資源現(xiàn)狀，福建省在開發(fā)利用河床潛流水方面是具有一定優(yōu)勢(shì)的。

3.1 水資源條件

福建省水系密布，河流眾多，河網(wǎng)密度達(dá)0.1km/km2。除了汀江流入廣東，交溪(賽江)發(fā)源于浙江，福建省其余河流都發(fā)源于省內(nèi)，且在本省入海。福建省有683條河流流域面積在50km2以上，主要有五江一溪，分別是閩江、九龍江、晉江、交溪(賽江)、汀江和木蘭溪。省內(nèi)地表水資源儲(chǔ)量為1054.23億m3，年徑流深851.2mm。福建省水系概況見表1。

表1 福 建 省 水 系 概 況

《2018年福建省環(huán)境狀況公報(bào)》顯示福建省主要河流水質(zhì)總體狀況為優(yōu)良，Ⅰ～Ⅲ類優(yōu)良水質(zhì)比例為95.8%，特別是閩江水質(zhì)優(yōu)良，Ⅰ～Ⅲ類優(yōu)良水質(zhì)比例達(dá)到 100%。

由此可見，福建省的水系發(fā)育，水資源豐富，水質(zhì)優(yōu)良，具有豐富和穩(wěn)定的補(bǔ)給水源條件，同時(shí)河流水流速度較大，對(duì)河床表面有較好的沖刷抗淤作用，為河床潛流水提供了良好的水量保證，對(duì)工程的長(zhǎng)期運(yùn)行具有先天的保障。

3.2 天然河床條件

福建省主要河流發(fā)育有大量的河漫灘和河心灘，松散堆積物多為粗砂、中細(xì)砂、細(xì)砂和卵礫石，沿河堆積至出海口。在河流中下游松散堆積層厚度一般在20～30m之間，以中細(xì)砂為主，砂卵石層天然條件良好。

福建省河床下含水層分布面積廣、河道及漫灘內(nèi)分布連續(xù)、發(fā)育穩(wěn)定。砂卵石層厚度較大，級(jí)配和滲透性均較好，有利于創(chuàng)造低強(qiáng)度取水環(huán)境，為河床潛流水提供了良好的天然濾床條件。

3.3 工程地質(zhì)條件

福建省地層發(fā)育，自上太古界至第四系均有出露。巖石類型比較復(fù)雜，變質(zhì)巖與沉積巖的總和約占全省陸地總面積的1/3。福建地區(qū)地表出露主要為巖漿巖和變質(zhì)巖，碎屑巖類較少，出露面積占總面積的92.4%，下伏基巖條件良好，適于新奧式施工法采用滲濾取水工藝開采河床潛流水。

3.4 氣溫與水溫條件

a.福建省光照充足，年平均氣溫為17～21℃；降水豐富，平均降雨量為1400～2000mm。中亞熱帶氣候分布在閩東北、閩北及閩西，南亞熱帶氣候分布在閩東南沿海地區(qū)，氣候區(qū)域差異較大，各氣候帶內(nèi)水熱條件的垂直分異也較明顯。

b.水溫條件良好，以福州為例，福州市1953—2016年夏季最高氣溫平均值為34.5℃，冬季最低氣溫平均值為8.5℃，閩江福州段長(zhǎng)年平均水溫19～23℃，其中夏季20～30℃，冬季6～16℃。

福州地區(qū)地下水的水溫接近多年平均氣溫，而潛流水由于補(bǔ)給途徑較短，受地表水溫度變化的一定影響，其變化范圍應(yīng)在年平均氣溫到年平均水溫之間，整體溫度介于地表水和地下水之間，取水能耗低，十分適宜水源熱的開發(fā)利用[5]。

從以上可見，福建省河流眾多，水資源豐富，水流速度較大；砂卵石層天然條件良好；地質(zhì)條件適宜；氣溫與水溫條件良好，符合河床反向滲濾取水工藝適用條件。同時(shí)，福建省正大力推進(jìn)城鄉(xiāng)供水一體化建設(shè)試點(diǎn)，著力構(gòu)建規(guī)?；┧こ?，機(jī)遇難得，因此采用河床反向滲濾取水工藝在福建開發(fā)利用河床潛流水應(yīng)用前景廣闊。

4 結(jié) 語

綜合以上分析，利用河床反向滲濾取水工藝在福建開發(fā)利用河床潛流水，在城鄉(xiāng)供水系統(tǒng)中和水源熱泵系統(tǒng)中應(yīng)用是可行的，同時(shí)具有以下優(yōu)勢(shì)：

a.福建省水資源量十分豐富，天然濾床分布面積較廣，江河水經(jīng)一定厚度的天然砂卵石層過濾形成河床潛流水，不僅儲(chǔ)水量大而且水質(zhì)優(yōu)良，是一個(gè)天然的“地下水庫”，可以滿足城市供水系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)的水量和水質(zhì)要求。

b.以河床潛流水用于城鄉(xiāng)供水，具有水量穩(wěn)定、水質(zhì)優(yōu)良、取制水一體化、運(yùn)行成本和工程造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有防洪、防災(zāi)和良好的抗震性能。

c.相關(guān)工程的實(shí)際監(jiān)測(cè)資料表明，河床潛流水的水溫條件良好，與地下水水溫條件相似，可滿足水源熱泵小流量大溫差的節(jié)能需求。

d.以河床潛流水用于水源熱泵避免了地下水水量受限、水質(zhì)惡化、回灌淤塞和占地分散等諸多問題，也解決了地表水泥沙含量高、水溫波動(dòng)大和占地面積大等問題，同時(shí)工程造價(jià)和運(yùn)行成本比較低廉。

河床潛流水為尚未大規(guī)模開發(fā)利用的淺層水資源。采用河床反向滲濾取水工藝進(jìn)行開發(fā)利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境效益，符合節(jié)能減排的國策，在福建省有良好的應(yīng)用前景。