地下水資源開發(fā)利用研究歷程和展望,水資源論文

地下水資源開發(fā)利用研究歷程和展望,水資源論文摘要：解決紅層區(qū)缺水問題一直是水文地質(zhì)界關(guān)注的熱門問題之一.通過系統(tǒng)分析文獻資料和野外調(diào)查等,闡述了紅層缺水區(qū)地下水資源開發(fā)利用的發(fā)展和存在的一些主要問題.紅層缺水區(qū)地下水資源開發(fā)利用的發(fā)展可分為四個階段:20世紀70年代以前為落后原始取水狀態(tài);20世紀70年代到2000年為區(qū)域水文地質(zhì)普查與基礎(chǔ)研究階段;20002018年為紅層地下水開發(fā)利用理論發(fā)展成熟與實踐研究階段;2018年至今為地下水資源開發(fā)的可持續(xù)利用討論階段.當下采用的小型機井式開采淺層地下水資源的方式方法,能夠基本知足紅層缺水區(qū)部分分散農(nóng)戶家庭的小量飲水需求,由于其成本低(出資打井,農(nóng)戶僅承當供水設(shè)備費用)、取水距離短,取水時間自由,社會效益顯著等優(yōu)點,促使了機井布設(shè)的速度較快,已成為當?shù)鼐徑饣蚪鉀Q紅層缺水區(qū)人畜飲水困難的主要措施.但近年來,這種形式供水的可持續(xù)性遭到了嚴重挑戰(zhàn),保衛(wèi)地下水資源持續(xù)利用非常迫切,以防止該地區(qū)部分農(nóng)戶的人畜飲水困難和安全問題反彈有重要的現(xiàn)實意義.本文關(guān)鍵詞語：飲水困難;地下水;可持續(xù);紅層區(qū);Abstract：SolvingwatershortagetroublesalwaysareoneofhotspotsforhydrogeologistsintheRedBedregions.Byanalysisliteraturesofundergroundwaterandfieldinvestigation,thepaperdealswiththedevelopmentandtrendoftheundergroundwaterresourcesexploiting,andattentionsarealsopaidtothepotentialandproblemsexistedundergroundwaterresourcesexploiting.Thehistoryofundergroundwaterresourcesexploitingstudycanbedividedintofourstages:①Primitiveandunsanitarydrinkingwaterutilization(before1960),②Regionalhydrogeologicalreconnaissanceandbasicresearchofhydrogeologyconditions(from1960-1990),③Maturitytheoryofwater-richrocksandpracticetopromotediggingwell(from1970yearto2000year),④Discussofsustainableundergroundwatersupply(after2018untilpresent).Atpresent,littleofdiameterwellofsupplingwatermayfulfillneedofwaterforfamily,Characterizedbylostcostofdiggingwell(governmentdigwellfreeforfarmersexceptforwatersupplyinstallations),andshortdistanceofwaterpipe,andfreetimeofpumpundergroundwater,andsignificantsocialbenefits,thesesuperioritiesimpeldoggedwellfaster,latterbecomeimportantmeasuresonsolvingwatershortagetroublesintheRedBedregions.However,themodeofsupplingundergroundwaterhascrossedofsustainableproblemsforthepastfewyears,sonowneedadopturgentlytoprotectundergroundwaterresources,inordertoavoidreboundconditionofwatershortagetroublesagainforsomefamily,thisisacertainpracticalsignificances.Keyword：drinkingwatertroubles;undergroundwater;sustainable;theredbeds;我們國家紅層出露面積超過80萬km2,主要分布在東部(中南和東南)、中部(四川、陜西)西北(陜甘寧、柴達木等盆地)、青藏高原四個區(qū)域.紅層成因基本上為典型的紅色陸相沉積,多構(gòu)成于中生代至新生代,又十分集中在白堊紀.紅層巖性較為復(fù)雜,涵蓋了礫巖到泥巖各個粒級的巖石,并可能夾有淡水灰?guī)r、石膏及巖鹽層等[1].從降雨量上,處于40800mm降雨量紅層主要分布在西北地區(qū),屬于干旱半干旱地區(qū);處于1000mm以上降雨量紅層主要分布在東部和西南地區(qū),屬于濕潤地區(qū).但實際上這些濕潤地區(qū)的水資源非常匱乏,人畜飲水較為困難,也有部分紅層地區(qū)分布南方紅層荒漠[2,3].如重慶紅層區(qū)人均水資源量為570m3左右,為重慶人均水資源量的1/3,占全國人均水資源量的1/4,有近415萬人口處于嚴重缺水狀態(tài)[4,5].隨著國家一帶路戰(zhàn)略的深切進入施行,這些紅層地區(qū)的社會經(jīng)濟生態(tài)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展必然面臨水資源短缺問題的嚴重挑戰(zhàn).紅層區(qū)人民經(jīng)過利用水資源實踐的不斷探尋求索,構(gòu)成了以小口徑機井開發(fā)淺層地下水,知足紅層丘陵區(qū)分散農(nóng)戶家庭人畜飲水需求形式[6],有效地緩解了紅層區(qū)缺水狀態(tài),獲得了宏大的社會效益[7].截至2021年,僅四川省和重慶市紅層丘陵區(qū)施行機井近130多萬口,解決了近1000萬人口的飲水困難問題.但是,由于紅層特殊的巖性、地形地貌、構(gòu)造、降雨等控制的水文地質(zhì)條件[8,9,10],和機井后續(xù)運行維護[11]、農(nóng)戶不合理的開采制度以及水環(huán)境保衛(wèi)意識淡薄等方面原因,給這種形式的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴重挑戰(zhàn),如地下水水位不斷下降、棄井、水質(zhì)污染等問題[12],據(jù)有關(guān)調(diào)查表示清楚,機井的使用率比原來下降了30%左右,且這一下降速度趨于不斷增加的趨勢.因而,急需補充紅層區(qū)地下水資源開發(fā)利用的研究成果,以系統(tǒng)分析紅層缺水區(qū)開發(fā)利用的歷程和存在的一些主要問題,對該區(qū)的水資源可持續(xù)利用具有重要推動意義.1、地下水資源開發(fā)利用研究的發(fā)展歷史1.1、落后的原始取水狀態(tài)(20世紀70年代以前,如此圖1A1A3)我們國家紅層缺水區(qū)主要分布在丘陵山區(qū),由于紅層的巖性特征,降雨地表徑流很容易流失.廣大農(nóng)村的飲水方式基本上是依靠庭院附近的溪溝水、土井、泥水井等取水,衛(wèi)生條件極差[7].但也有小部分取水來自天然的泉水,水質(zhì)較好.農(nóng)業(yè)發(fā)展方面基本上是以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主,水利灌溉工程非常缺乏.這一時期中國紅層分布區(qū)地下水資源基本上處于無開發(fā)狀態(tài).圖1紅層缺水區(qū)取水水源(注:渝西北紅層丘陵區(qū)一些村:A1A3,B3和C1來源文獻[7];B2來源華龍網(wǎng)重慶日報;B1,C2和C3實地考察)1.2、區(qū)域水文地質(zhì)普查與基礎(chǔ)研究階段(20世紀70年代20世紀末)20世紀70年代至80年代,紅層區(qū)缺水區(qū)相繼開展了區(qū)域1∶20萬地質(zhì)和水文地質(zhì)普查,系統(tǒng)積累了紅層區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)基礎(chǔ)資料,為開發(fā)紅層區(qū)經(jīng)濟開發(fā)提供基礎(chǔ)資料支撐.與此同時,以川中紅層區(qū)率先開展地下水資源開發(fā)利用試點工程,以知足農(nóng)業(yè)灌溉水源的需求和人畜飲水困難問題,并獲得了一定的效果,如四川省在19721973年就打井132000口,主要利用紅層侏羅系遂寧組地下水并對其富水條件從巖性、構(gòu)造、地形地貌上進行討論等[13].進入20世紀90年代后,四川和重慶渝西紅層區(qū)開展了1∶10萬或1∶5萬農(nóng)業(yè)供水水文地質(zhì)勘察,來緩解和解決農(nóng)業(yè)抗旱問題,這時期構(gòu)成了紅層區(qū)地下水富集規(guī)律的基本認識.如遂寧組紅層地下水主要富集于中下部泥巖的風(fēng)化裂隙帶中;遂寧組泥巖的巖性特點有利于蓄水裂隙的發(fā)育等[14].隨后也伴隨全國第一輪地下水評價的開展,較為深切進入地研究了紅層地下水資源構(gòu)成條件、分布、規(guī)模以及可利用狀態(tài)[15,16].如紅層地區(qū)存在六種蓄水構(gòu)造類型:1)富含鈣質(zhì)粉、砂巖、泥巖風(fēng)化卸荷帶巖溶裂隙型;2)鈣質(zhì)膠結(jié)灰?guī)r質(zhì)礫巖裂隙巖溶型;3)紅層層間裂隙或?qū)娱g裂隙孔隙型;4)紅層與巖漿侵入接觸帶型;5)構(gòu)造裂隙及斷裂接觸帶脈狀型;6)紅層覆蓋層下部基巖型.知足飲用水水質(zhì)要求應(yīng)從紅層古地理環(huán)境及膏鹽礦存在形態(tài)及含量考慮[17],由于紅層中常夾有石膏和含鹽層,而使地下水水質(zhì)變壞.其界線深度隨地區(qū)不同而有所變化.這個時期針對紅層深層地下水資源開發(fā)的認識,井深基本上大于50m以上,通過水文地質(zhì)鉆孔涌水量50m3/d指標判定集中供水價值的指標.對淺層地下水(小于30m)含十層被以為貧水區(qū),無開發(fā)利用的價值.能夠看出,這一時期地下水資源的開發(fā)利用是從主要針對農(nóng)業(yè)灌溉和集中供水的角度出發(fā)的,沒有能針對山區(qū)分散農(nóng)戶供水進行討論.直至20世紀末期,隨著對紅層地下水資源的深切進入研究,人們對淺層地下水資源的開發(fā)利用有了更深的認識[18,19],在西南四川紅層區(qū),淺層地下水水量受控于氣候、地形地貌、地表水文網(wǎng)、巖性、構(gòu)造運動等環(huán)境因素.并且根據(jù)紅層富水的特點,如紅層富水具不均一性、垂向?qū)涌匦?、平面分帶性及?gòu)造控水明顯性等富水特征.進一步劃分了地下水類型,如地下水類型可分為風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水、孔隙裂隙層間水、斷裂帶脈狀水3種類型;在華南湖南紅層區(qū)巖性為鈣泥巖砂、礫巖和鈣質(zhì)粗碎屑巖三大類.結(jié)合水循環(huán)特點,地下水類型能夠分為風(fēng)化孔隙裂隙水、鈣質(zhì)泥巖溶蝕溶孔水、砂礫巖孔隙裂隙層間水、灰礫巖巖溶水和斷裂構(gòu)造水共5種類型.在找水技術(shù)方式方法上提出了運用3S技術(shù)和地球物理勘探手段來勘查地下水,并獲得較好的應(yīng)用效果等.這一時期淺層地下水被列為重點研究方向,總的研究表示清楚,不同的紅層分布區(qū)因紅層的構(gòu)成條件不同,巖性及構(gòu)造的水文地質(zhì)意義差異較大.但淺層含水層供水水量基本上能夠知足分散農(nóng)戶家庭人蓄飲水水量(50m3/d).這些研究成果積極地推動了淺層地下水開發(fā)利用的可能性.1.3、20002018年紅層地下水開發(fā)利用理論發(fā)展成熟與實踐研究階段(如此圖1B1B3)21世紀前十年,十分是中國地質(zhì)環(huán)境局組織施行的西南紅層水嚴重缺水區(qū)地下勘查、地下水調(diào)查與開發(fā)利用規(guī)劃及找水打井示范項目,獲得了豐富的成果[7,20,21,22,23,24,25,26,27,28].如西南地區(qū)總結(jié)了紅層區(qū)淺層地下水勘查的規(guī)范等,標志著紅層淺層地下水資源開發(fā)利用是有價值的,改變了紅層區(qū)貧水區(qū)講法.首先,從紅層找水途徑的實踐與研究,各個紅層區(qū)都較為系統(tǒng)地研究了富水的規(guī)律及其水循環(huán),即從構(gòu)造、巖性、地貌以及降雨的綜合關(guān)系上,分別闡述了找水地質(zhì)條件.有代表性的如此圖2A-C所示;其次,紅層區(qū)淺層地下水水質(zhì)分布規(guī)律,不存在統(tǒng)一的咸淡水界面,僅在部分地層和地區(qū)的點上分布有咸淡水界面.最后,根據(jù)試點淺層地下水找水打井工程實踐,迅速推廣富水形式,獲得宏大成效.這一實踐理論實踐的找水打井的經(jīng)過,最終構(gòu)成以淺層風(fēng)化裂隙水為主,主要特點是分布廣,埋藏淺,易開采,淡水水質(zhì)為主的特征,與紅層丘陵區(qū)農(nóng)村人口寓居分散,人畜需水量相對較少特點等相吻合,以分散小口徑(130mm)機井開采為主的庭院式自來水供水形式和小型集中供水形式.圖2西南紅層區(qū)主要的宜井區(qū)(注:A1:臺狀低山型;A2:脊狀丘陵低山型;A3:淺丘谷地型;B1:河谷階地;B2:低中山型;B3:寬緩溝谷型;C1:背斜谷地或壟崗型;C2:山地邊緣存在阻水斷層切割型;C3:平緩山體斜坡型)1.4、2020年至今為地下水資源開發(fā)的可持續(xù)利用討論階段(如此圖1C1C3)紅層丘陵區(qū)淺層地下水被機井開發(fā)利用5-10年后,據(jù)有關(guān)實際調(diào)查[29,30],機井的使用率大幅度下降,華而不實某些地區(qū)的使用率從97%下降到56%,其可持續(xù)性引起了社會廣泛的關(guān)注.很多學(xué)者從水量、水質(zhì)和管理進行了淺層地下水地下水資源開發(fā)可持續(xù)利用的討論.水量方面主要小于1m3/d流量機井所占比例較大,因成井含水層時本身受巖性、構(gòu)造地形等限制,加之過度抽取,導(dǎo)致含水層供水能力下降,地下水位持續(xù)下降;在水質(zhì)方面主要受人類活動的影響,如農(nóng)業(yè)污染源(化肥、農(nóng)藥、家禽養(yǎng)殖糞便等)和土地利用等,污染淺層地下水水質(zhì),嚴重影響了人畜飲水安全,如重慶西部的三氮污染物超標占49.7%樣本,成都市紅層水質(zhì)抽樣檢測表示清楚42%機井水質(zhì)不合格等[31,32,33,34,35].從管理方面主要從淺層風(fēng)化裂隙-孔隙水含水層的資源功能弱、生態(tài)功能強和地質(zhì)環(huán)境功能弱評價來討論可持續(xù)性[36].但本質(zhì)上地下水資源持續(xù)開發(fā)利用前提是含水層的儲存量即儲存調(diào)節(jié)功能以豐補歉的原則,否則含水層難以持續(xù)供水.總的來講,紅層丘陵區(qū)地下水開發(fā)利用的可持續(xù)性開場遭到學(xué)者和社會的廣泛注意,但當前從點到面上評價,還存在缺乏一定的可靠度,地下水資源可持續(xù)利用受多種因素影響.因而,有學(xué)者建議加快推進地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)[30],獲得較長時期地下水動態(tài)變化經(jīng)過,對區(qū)域紅層丘陵區(qū)地下水評價的可靠性具有重要意義.2、存在問題與瞻望經(jīng)過這幾個階段的發(fā)展,紅層缺水區(qū)地下水資源開發(fā)利用研究和推廣應(yīng)用獲得了很大的發(fā)展,這種淺層地下水利用構(gòu)成的小口徑機井供水形式在紅層丘陵缺水區(qū)已經(jīng)基本解決了人畜飲水困難的問題.但有些基礎(chǔ)理論研究、技術(shù)應(yīng)用和管理方面還需要深切進入研究.如紅層含水層供需平衡問題、相鄰機井互相干擾問題和機井周圍水環(huán)境保衛(wèi)等方面[37].另一方面,在紅層淺層地下水含水層供水能力的可持續(xù)性及其對機井周圍環(huán)境的影響等方面缺乏系統(tǒng)深切進入的研究[11,37].因而,當下淺層地下水開發(fā)利用與推廣應(yīng)用要因地制宜,十分是機井的井位和井深,在不同水文地質(zhì)單元要根據(jù)巖性、構(gòu)造和地形地貌綜合確定,切忌流于形式.畢竟紅層區(qū)巖性和水文地質(zhì)條件決定了含水層供水能力有限,大部分機井流量低于10m3/d,持續(xù)開采抽水會影響地下水位的不斷下降,所以平衡含水層的儲存調(diào)節(jié)功能成為可持續(xù)開采的關(guān)鍵.但含水層的儲存調(diào)節(jié)功能強弱決定于其分布面積、厚度、孔隙度、給水度和彈性釋水系數(shù)大小,因而不同成因類型的含水層或地下水的儲存調(diào)節(jié)功能強弱有很大的差異不同[38].而分散農(nóng)戶家庭需水程度也有差異不同,這種差異不同的匹配的矛盾影響機井的高效使用.這種地下水開采利用形式的持續(xù)發(fā)展要考慮其他水源量的輸入,雨水資源利用完全能夠充當機井含水層的補給功能,機井本來就以家庭農(nóng)戶為單元,這與以家庭庭院雨水集流系統(tǒng)非常相匹配,能夠構(gòu)成一個家庭擁有小口徑機井和雨水集流系統(tǒng)兩種方式供水,不僅能夠解決含水層供水缺乏問題,而且能夠補充一部分農(nóng)業(yè)灌溉水量,才能發(fā)揮水資源利用的最佳效益.如重慶大足區(qū)2020-2021年年雨水資源量為90000m2,可相當于308口水井在0.8m3/d流量下的年開采量.當前,紅層丘陵區(qū)利用淺層地下水技術(shù)有效地減緩缺水程度,在找水布井方面進行了較深切進入的研究與系統(tǒng)集成.但在紅層區(qū)水資源短缺背景下,怎樣協(xié)調(diào)與日俱增的淡水需求量和有限的淡水資源之間的矛盾,還面臨較大挑戰(zhàn).為此,建議今后淺層地下水可持續(xù)發(fā)開發(fā)利用還需要進行下面研究:1)開展小口徑機井工程和家庭雨水集雨工程聯(lián)合供水的形式研究與推廣應(yīng)用.從含水層供水能力分析,用雨水資源補充含水層儲存調(diào)節(jié)平衡.2)研究淺層地下水水質(zhì)保衛(wèi)問題.從生活污染源、農(nóng)業(yè)面源污染等與機井含水層水循環(huán)的補給區(qū)、排泄區(qū)之間的關(guān)系出發(fā),控制其流經(jīng)的途徑和方向,保衛(wèi)地下水資源免受污染.3)紅層打井工程開發(fā)對社會、經(jīng)濟和生態(tài)的影響研究.社會經(jīng)濟效益評價比擬成熟,但生態(tài)影響較為滯后.因而,科學(xué)規(guī)劃和建設(shè)地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),為客觀評價綜合效益提供數(shù)據(jù)支撐.4)特殊水質(zhì)處理方式方法的研究.因紅層區(qū)有一部分水井存在高Mn/Fe水質(zhì)或鹵水[39],所以開展處理高Mn/Fe水質(zhì)或鹵水水質(zhì)處理工藝,使其具有低成本、工藝簡單、移動方便等特點,這將推動農(nóng)村人畜飲水安全有重要的現(xiàn)實意義.5)現(xiàn)實研究部分家庭灌溉農(nóng)業(yè)與水資源開發(fā)利用相結(jié)合形式.以下為參考文獻[1]彭華,吳志才.關(guān)于紅層特點集分布規(guī)律的初步討論[J].中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,42(5):109-112[2]彭華,閆羅彬,陳智,等.中國南方濕潤區(qū)紅層荒漠化問題[J].地理學(xué)報,2021,70(11):1699-1707[3]武選民,文冬光,郭建強,等.西部嚴重缺水地區(qū)人畜飲用地下水勘查示范工程[M].北京:中國大地出版社,2006[4]劉安云.重慶市紅層風(fēng)化裂隙水富集規(guī)律研究[C].重慶:重慶大學(xué),2006[5]朱春林.滇中紅層地下水富集規(guī)律及開發(fā)利用研究[C].北京:中國地質(zhì)大學(xué),2018[6]張福存,鄢毅,劉安云,等.西南紅層淺層地下水特征及其開發(fā)利用形式[J].水文地質(zhì)與工程地質(zhì),2008(3):53-56[7]任良治.重慶紅層淺層地下水的勘查與開發(fā)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2018[8]朱春林,饒春富,邢志會,等.紅層地下水開發(fā)的經(jīng)濟技術(shù)條件[J].云南地理環(huán)境研究,2018,22(1):1-5[9]王寧.紅層地下水勘查開發(fā)的理論及方式方法[M].北京:地質(zhì)出版社,2008[10]張廷山,陳曉慧,姜照勇,等.川東北紅層區(qū)地下水賦存特征及合理開發(fā)考慮[J].水資源與水工程學(xué)報,2006,17(1):15-20[11]彭友海,董平,廖云平,等.重慶紅層地區(qū)機井使用功能退化調(diào)查與分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2021,25(1):119-123[12]唐敏,高瑜,郭宗會,等.四川省紅層區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染初步研究-以金堂轉(zhuǎn)龍地區(qū)為例[J].綠色科技,2020(1):5-7[13]成都地質(zhì)學(xué)院紅層地下水科研組.四川盆地中部地區(qū)侏羅系遂寧組紅層地下水及其農(nóng)灌意義[J].成都地質(zhì)學(xué)院學(xué)報,1974(3):2-7[14]盧金凱.對紅層地下水富集規(guī)律的認識[J].水文地質(zhì)與工程地質(zhì),1981,04(1):26-28[15]劉海沖,盧士魁.四川盆地紅層地下水的富集規(guī)律與資源評價[J].工程勘察,1983(1):72-74[16]高佩義.川東紅層地下水富集與巖層傾角的關(guān)系[J].工程勘察,1983,75-77[17]徐永新,任天培.衡陽紅色泥巖含水層含水空間構(gòu)成條件的初步研究[J].成都地質(zhì)學(xué)院學(xué)報.1986(2):88-100[18]毛文清,溫清茂.紅層地下水構(gòu)成環(huán)境分析與水文地質(zhì)分類[J].成都理工學(xué)院學(xué)報,1997,24(1):142-147[19]王?？?湖南紅層地下水控制因素及賦存規(guī)律J].中國煤田地質(zhì),1990,2(2):41-43[20]王宇.紅層地下水富集規(guī)律[J].地質(zhì)災(zāi)禍與環(huán)境保衛(wèi),2018,21(2):53-58[21]孫璐璐,吳勇,王雪莉.紅層小流域地區(qū)儲水單元水文地質(zhì)特征研究[J].四川地質(zhì)學(xué)報,2018,31(1):71-73[22]呂玉香,羅順清,樊新慶等.重慶市紅層承壓水分布特征與富集規(guī)律研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2018(9):26-30[23]周緒論.四川盆地紅層淺層地下水風(fēng)化帶裂隙水及其合理開發(fā)利用[J].四川地質(zhì)學(xué)報,2007,27(3):184-190[24]張洪波.蓬安縣紅層區(qū)丘陵布井地下水水資源水量調(diào)查與保證程度評價[C].雅安:四川農(nóng)業(yè)大學(xué),2018[25]陳啟國,鄭萬模,常小軍.典型紅層地區(qū)地下水的補、徑、排關(guān)系討論-以重慶市榮昌縣為例[J].沉積與特斯提地質(zhì),2018,31(3):107-113[26]許向?qū)?王蘭生,袁永旭.四川盆地紅層