大連市地下儲水空間雨洪資源利用模式

大連市地下儲水空間雨洪資源利用模式

由于世界水資源嚴重不足和頻繁降雨，對降雨資源的研究已開始從簡單的洪水防治轉(zhuǎn)向洪水資源轉(zhuǎn)化。在利用地表水庫調(diào)蓄雨洪資源的過程中,暴露出了蒸發(fā)損耗過大、使用壽命短、成本高、易引起地質(zhì)環(huán)境災害等問題。因此,部分發(fā)達國家正在放棄修建地表水庫,甚至考慮拆除一些已建水庫,轉(zhuǎn)而利用地下儲水空間進行雨洪資源的調(diào)蓄。瑞典、德國、澳大利亞、日本等國都建立了“引洪回灌”工程,實施地下水人工補給。我國地下儲水空間雨洪資源利用的研究始于20世紀80年代,發(fā)展于90年代,主要是在缺水地區(qū)有一些小型、局部的非標準性應用。大連市是素有“東北之窗”之稱的經(jīng)濟中心城市,人均水資源占有量僅相當于全國人均水資源量的1/4,水資源的短缺嚴重限制了該區(qū)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。然而大連市降水充沛,多年平均降水量為724mm。受自然地理因素影響,降水在年內(nèi)分配上高度集中,6~9月降水量占全年降水量的75%,形成了汛期洪水和非汛期枯水的狀況,每年約14.8×108?m3雨洪水量未經(jīng)人類利用而白白流入大海。同時,大連市分布有面積廣大的河谷沖積層,受沉積條件影響,含水層一般蓋層較薄,滲透能力強,并且?guī)烊葺^大,沿碧流河、英那河等相間分布的22個含水層天然庫容約為3×108?m3。此外,大連市還分布著巖溶含水層,以及近幾年在大連市區(qū)、革鎮(zhèn)堡、大魏家、南關嶺等地區(qū)由于過量開采地下水形成的降落漏斗,為雨洪資源利用提供了良好的調(diào)蓄場所。由上述分析可知,大連市水資源短缺,但是雨洪資源量較大,并且有充足的雨洪調(diào)蓄空間;國內(nèi)外已有研究也為大連市地下儲水空間雨洪資源利用提供了借鑒。因此,為緩解大連市用水危機,地下儲水空間雨洪資源利用就成為一種重要的舉措。1下地殼內(nèi)地下水富集區(qū)雨洪資源即汛期降雨中扣除雨期蒸發(fā)以及產(chǎn)流前濕潤下墊面損失量以后,可能被攔蓄入滲或集蓄利用的水量。由于大連市降水集中,因此可用汛期多年平均降水量衡量雨洪資源量。地下儲水空間是指外力作用下在地殼內(nèi)自然形成的地下水可富集區(qū),一般指厚度較大、范圍較廣的大型層狀孔隙含水層、大型巖溶儲水空間或大型巖溶斷裂帶等。按照地下儲水空間的賦水介質(zhì)類型可將地下儲水空間分為孔隙介質(zhì)地下儲水空間、裂隙介質(zhì)地下儲水空間和巖溶介質(zhì)地下儲水空間。地下儲水空間雨洪資源利用是指利用地下儲水空間存儲雨洪資源,增加區(qū)域水資源可利用量,并且能夠適應環(huán)境或能改善環(huán)境的雨洪調(diào)蓄方式。與地表水利工程相比,利用地下儲水空間調(diào)蓄雨洪資源,可將雨洪水轉(zhuǎn)入地下進行多年調(diào)節(jié),豐蓄枯采,不僅可提高水資源利用程度,還具有蒸發(fā)損耗少、不占用土地資源、水質(zhì)較好、投資小、無移民問題等優(yōu)點。2地下儲水空間雨洪資源利用模式分類雨洪資源量決定了調(diào)蓄源的多少;地下儲水空間類型和調(diào)蓄容積密切相關,決定了調(diào)蓄能力。而城區(qū)由于受人為影響,原來的下墊面條件、降水入滲特征等已經(jīng)發(fā)生了巨大改變,其利用雨洪資源的方式明顯區(qū)別于非城區(qū),故本文將地下儲水空間類型、雨洪資源量、城市化程度3個指標作為地下儲水空間雨洪資源利用模式分類的依據(jù)。大連市汛期降水在時間上高度集中,在空間上由于地形坡度大,雨洪匯流時間很短,因此雨洪資源量的分級可根據(jù)汛期多年平均降水量等值線將大連市分為豐水區(qū)、平水區(qū)和貧水區(qū)(表1,圖1)。將3個指標不同等級相互交叉即可得不同的利用模式,但基于城市功用性質(zhì)差異不大,基巖裂隙型地下儲水空間儲存和調(diào)蓄雨洪的作用有限,在此,筆者對城區(qū)和基巖裂隙型地下儲水空間雨洪資源利用模式不進行細分。因此,地下儲水空間雨洪資源利用模式可分為豐水-河谷型、平水-河谷型、貧水-河谷型、豐水-巖溶型、平水-巖溶型、貧水-巖溶型、基巖裂隙型和城區(qū)模式共8種模式。3豐水-巖溶型模式在大連的分布各種類型的地下儲水空間雨洪資源利用模式在大連市的分布如圖2所示,其中豐水-巖溶型模式在大連市分布面積小,可忽略,重點論述其余7種模式。3.1地下儲水空間雨洪資源利用方案豐水-河谷型模式主要分布在莊河市及普蘭店市的東部地區(qū)。在地窨河、湖里河、英那河、莊河、三岔河、碧流河中游的流域內(nèi)及河間地塊地帶,砂礫石廣布,形成沖積、洪積、沖洪積河谷平原,含水層厚度為2~10m,單井涌水量在100~1000m3/d之間。該區(qū)雨洪資源豐富,汛期地表徑流迅速集中,水位漲落快,形成暴漲暴落的洪峰,雨洪調(diào)蓄潛力約為1.4×108?m3。針對該模式雨洪特點,工作的重點是如何迅速、大量地將雨洪水引進地下儲存起來。因此,地下儲水空間雨洪資源利用可采用以下方案:①在不引發(fā)洪災的情況下,在雨洪匯流區(qū)內(nèi)(主要為河道)建設多道地表和地下攔水工程,延長雨洪水的匯流時間,使之充分與地下儲水空間發(fā)生水交替活動。②該模式區(qū)域地下水一般埋藏較淺,故在汛期降水來臨前,在透水性良好的山前沖洪積扇和沿河道鄰近地區(qū),結合地下水取水工程需要,抽取地下水用于該區(qū)消耗或通過調(diào)水工程調(diào)到其他缺水地區(qū),如金州以南地區(qū),形成一定范圍的降落漏斗,以騰出足夠的空間儲納雨洪資源,減少雨洪流失量。③間接利用地表水庫存儲雨洪資源,進行地表水-地下水聯(lián)合調(diào)度。即在汛期來臨前的一段時間內(nèi),將部分水庫蓄水引滲地下,由于時間充足,引滲強度可控性較大,待汛期來臨時,水庫即可有足夠的空間容納雨洪水。該種方法等效于將部分雨洪資源提前引滲地下,以地表水庫作為工具進行地下儲水空間蓄水。④可在水文地質(zhì)條件適宜的地方培植草坪,增加植被覆蓋率,當汛期來臨時,采用漫灌法對地下儲水空間進行補給。3.2沖積層人工高效排水模式平水-河谷型模式主要分布在普蘭店市、瓦房店市、金州區(qū)以及大連市東部地區(qū)。在贊子河、清水河、大沙河、登沙河、青云河、北大河、旗桿河、夾河、復州河、九道河流域范圍內(nèi),河谷沖積層受沉積條件的影響,一般含水層蓋層較薄,主要為砂性土。該區(qū)含水層厚度為2~20m,單井涌水量在500~1000m3/d之間,雨洪利用潛力約為0.8×108?m3。利用該模式可采用以下方案:①田面蓄水入滲。在不引起內(nèi)澇的情況下,培高田埂蓄雨補源,將河谷平原排水系統(tǒng)按照蓄泄兼顧的原則加以改造。②沿河床修建階梯狀攔水壩,分段截流。③采用抽水-回灌兩用井,利用井群調(diào)控雨洪。在汛前,抽取淺層地下水灌溉農(nóng)田,降低地下水位,以騰出足夠的調(diào)蓄空間;汛期時這些抽水井可作為地下水的補給通道,實現(xiàn)地下水回灌。3.3地下儲水空間分布貧水-河谷型模式主要分布在大連市西部以及旅順口區(qū),由于該區(qū)地表徑流不發(fā)育,僅在龍河及大西山水庫附近有零星分布。該區(qū)含水層厚度為2~7m,單井涌水量在100~1000m3/d之間,雨洪利用潛力約為0.09×108?m3。由于該區(qū)汛期降水量較少,水位埋深較大,工作的重點是如何將有限的雨洪資源通過低廉簡潔的措施儲存起來,因此地下儲水空間雨洪資源利用可考慮湖塘、補給坑等小型儲水措施。這些儲水措施應建在潛水位足夠深、底部入滲能力強的地方,以使水連續(xù)不斷地滲入地下而不至成為死水。此外,儲水設施結構應合理,防治坦塌并盡量減少堵塞。3.4高水勢“海洋引滲”模式平水-巖溶型模式分布在瓦房店市西部、金州區(qū)的西部和東南部、甘井子區(qū)東部地區(qū)。地下儲水空間由碳酸鹽巖組成,在各種地質(zhì)構造作用下巖層形成大量裂隙,由于水巖的相互作用形成很多溶洞,成為調(diào)蓄雨洪資源的基礎。單井涌水量大部分在1000~5000m3/d之間,但受海水入侵影響,水質(zhì)較差,并在一定條件下會發(fā)生地面塌陷,雨洪利用潛力約為0.24×108?m3。利用該模式可采取以下方案:①在入海口地段使用鉆探、物探、現(xiàn)場試驗等勘察方法,摸清斷裂構造、巖溶裂隙等構成水力通道的分布位置和規(guī)律,采取高壓注漿形成地下帷幕壩的施工方法,一方面可以切斷海水與地下水的水力聯(lián)系,另一方面可以減少地下水的排泄。②采用水引滲法,即在地表布置攔水工程,增加雨洪水對地下儲水空間的補給時間,在雨洪水流入海洋之前,使之充分與地下儲水空間進行水力聯(lián)系。該方法既可增加地下水儲存量,又能提高地下水位,起到淡水壓咸的作用。③在海水入侵嚴重的地區(qū)可采用回灌井法,利用當?shù)貎Υ娴挠旰樗蛞云渌麉^(qū)域的雨洪水用壓力將其注入地下,抬升地下水位,防治海水入侵和咸水倒灌。3.5地下水儲集區(qū)貧水-巖溶型模式分布在大連市區(qū)和旅順口區(qū)的北部,地下儲水空間由大理巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r等組成,單井涌水量多數(shù)小于1000m3/d,個別地區(qū)(如旅順三澗堡北大河)可達1000~5000m3/d。該類型區(qū)地下儲水空間容積大、入滲條件良好,但降水量較小,年平均值在600mm以下,并且由于嚴重超采地下水位低,海水入侵嚴重,雨洪利用潛力約為0.21×108?m3。該區(qū)水量較少,布置攔水工程意義不大,可利用方案:①在地形適宜的地方布置補給坑或小型低洼地,提高對雨洪水的攔截率。②利用引滲措施,加快雨洪資源對地下巖溶儲水空間的補給。③采用井注法加大補給,在海水入侵嚴重的地區(qū)停止部分或全部開采井的使用,并征用為回灌井,用于雨洪資源的直接或間接注入。④利用地下帷幕灌漿的工程手段建設地下水壩,此舉有著雙重作用,一方面攔蓄淡水地下徑流,另一方面堵截海水入侵通道。3.6山區(qū)雨水纖維調(diào)蓄基巖裂隙型模式主要分布在莊河市、普蘭店市、瓦房店市東部、金州區(qū)東部、大連市區(qū)和旅順口區(qū)南部。分布范圍雖廣,但含水介質(zhì)不均勻,且連通性較差,對雨洪資源的調(diào)蓄作用有限,僅在個別裂隙發(fā)育較好的地方才有利用價值。由于該種含水介質(zhì)在大連市主要分布于山區(qū),而山區(qū)是許多河流的發(fā)源地或河流的雨水匯聚補給區(qū)。因此,可在山區(qū)種植林木或培植草類,建設“綠色水庫”,蓄水保土,增加山區(qū)水源涵養(yǎng)。此外,在裂隙發(fā)達的地方,可修建山塘等小型集水工程,攔截汛期坡面雨洪,大搞山區(qū)水利富民五小工程。當儲存于裂隙中的雨洪水量較大時,可作為小型供水水源;當水量較小時,可用于旅游景觀用水等。3.7地下儲水空間的雨洪利用模式城區(qū)一般人口密集,經(jīng)濟發(fā)達,是區(qū)域經(jīng)濟、科技、文化的中心,因此防洪任務較大。但在目前水資源緊缺的情況下,人們應適時改變防洪理念,爭取寓資源利用于災害防治之中。該模式可采用以下方案:①修建雨水集蓄設施,增加城市透水面積。在屋頂、房檐等修建雨水收集設施;在公園、廣場、運動場等休閑場所及城市道路上采用透水性輔助材料,促進城區(qū)完整的雨水收集、控制和入滲體系的形成。②廣泛利用城市低洼地。利用學校的運動場、住宅區(qū)樓間空地、地下停車場、公園等作為臨時雨水儲留設施,或建立專用蓄洪池等。③采用雨污分流的排水系統(tǒng)。興建或擴建排水管網(wǎng)、設置專用排洪管道,將雨水引到適當?shù)牡攸c集中入滲補給地下儲水空間。④加強宣傳教育。鼓勵或要求對雨洪水進行的截流、儲存、利用或回灌地下,對未采取雨洪收集措施的地區(qū)收取雨水排放費等,從體制上加強雨洪水的利用。在大連市各種類型的地下儲水空間雨洪資源利用模式中,豐水-河谷型、平水-河谷型、平水-巖溶型雨洪調(diào)蓄模式潛力較大,是主要的開發(fā)類型;而貧水-河谷型和基巖裂隙型調(diào)蓄模式潛力較小,貧水-巖溶型由于海水入侵嚴重,重點在引洪回灌,而非利用。城區(qū)雨洪潛力也較大,但由于調(diào)蓄空間小,因此利用潛力也有限,但修建雨水儲蓄設施,為城市消防、植樹、洗車、沖廁所或冷卻等提供用水是可以滿足的。4增加區(qū)域水資源的可利用量大連市地下儲水空間雨洪資源利用模式可通過地下儲水空間類型、雨洪資源量、城市化程度進行構建。合理處理三者之間的關系,并與相應的人工調(diào)蓄方案緊密結合,可以更有效地指導大連市雨洪資源利用,增加區(qū)域水資源的可利用量。河谷型和巖溶型地下儲水